El misteri de l'origen de l'univers

En física tenim dues grans teories que han estat comprovades moltes vegades i amb precisions molt grans, la relativitat general i la mecànica quàntica.  La primera és una extensió de la teoria de la gravitació de Newton que difereix d’ella  especialment en entorns de grans concentracions de masses com els estels de neutrons o els forats negres i governa la cosmologia. La segona aplica al microcosmos de l’àtom i especialment a la física de partícules on la gravetat es negligible, ja que aquesta força és molt més feble que la electromagnètica, per exemple.  La repulsió entre dos electrons que tenen cargues negatives idèntiques és 10 elevat a 42 més gran que la força d’atracció gravitatòria entre ells.

Resulta que aquestes teories són incompatibles entre elles i, si bé en poques ocasions coincideixen els seus camps d’aplicació com acabem d’explicar, un dels reptes de la física moderna és trobar una teoria que les unifiqui. Això és especialment cert en entorns de forta gravitació en espais o temps reduïts com són el centre dels forats negres o l’origen de l’univers. Les equacions d’ Einstein en ambdós casos donen solucions infinites, és a dir no es poden aplicar i cal una teoria quàntica de la gravitació.  Dues de les principals teories que s’han postulat per aquesta unificació són la teoria de cordes i la teoria anomenada gravetat quàntica de bucles (loop quantum gravity).  Aquestes teories són molt sofisticades matemàticament, en especial la teoria de cordes. Ed Witten, un dels principals col·laboradors de la teoria de cordes i el físic més citat actualment,  no ha guanyat cap premi Nobel, però sí la medalla Fields que és el seu equivalent en matemàtiques. Un Nobel no es guanya fins que una teoria està comprovada experimentalment. Aquestes teories són difícils de comprovar perquè es distingeixen de teories més acceptades només a grans energies, impossibles de reproduir ni en els acceleradors més grans.  Aquestes teories exploren espais tan petits com 10 a la -35 m. Les distàncies que posen al nostre abast els acceleradors de partícules més potents són d’aproximadament 10 a la -17 m.  Per tant, es fa difícil comprovar-les, encara que poden haver-hi formes indirectes de fer-ho. Per exemple, la teoria de cordes prediu la supersimetria, una teoria que unifica els dos tipus de partícules elementals, els fermions (les partícules de la matèria com els quarks i els electrons) i els bosons (les partícules de les interaccions com el fotó i el gluó).  Cada una d’aquestes partícules tindria una parella de l’altra classe. El fotó, per exemple, tindria de parella un fermió anomenat fotino.  Trobar superpartícules és un dels objectius de l’accelerador del CERN, però fins ara no s’han trobat.

Parlem ara de l’altra teoria que rivalitza amb la teoria de cordes, la gravetat quàntica de bucles.  En aquesta teoria tant l’espai com el temps són granulars, no són continus i, per aquest motiu, les equacions que la governen no són equacions diferencials sinó equacions en diferències.  Pel que he llegit en un article recent a Physics Today aquesta teoria (que de moment és molt especulativa) aporta una solució al misteri de l’origen de l’univers i evita la singularitat inicial on les equacions d’ Einstein quan es retrocedeix fins a l’anomenat temps de Planck, és a dir a 10 elevat a -44 segons (o sigui, 0,0000....001 on hi ha 43 zeros) deixen d’ésser vàlides.

Per resoldre aquest problema de la singularitat inicial, amb valors infinits, alguns físics han postulat un univers en cicles: l’univers anterior al nostre s’estaria contraient fins arribar a un límit que no seria zero i rebotaria en el moment que s’ha anomenat Big Bang, però això porta problemes perquè d’alguna forma la entropia (una mesura del desordre), que creix d’acord amb la segona llei de la termodinàmica segons la fletxa del temps,  hauria de disminuir d’un univers a l’altre si hi ha una continuïtat en el temps. 

Doncs, segons la gravitació quàntica de bucles, les seves equacions s’estenen de forma única a instants “abans” del Big Bang i permeten predir un univers anterior al nostre, però en el pas d’un univers a l’altre l’espai –temps de 4 dimensions que ens va llegar Einstein seria un espai de 4 dimensions SENSE TEMPS.  El Big Bang estaria absent de temps.  Un univers superdens es queda sense temps. Endemés els dos universos no estan connectats causalment i  no tota la informació passaria d’un univers a l’altre, amb la qual cosa s’evita el problema de l’entropia.  Es important notar que aquestes característiques no han estat postulades sinó derivades de la teoria, que encara no ha estat testada experimentalment, si bé hi ha formes de testar-la, especialment amb la detecció d’ones gravitatòries.