¿Qué había antes del nacimiento del universo? Físicos hallaron una manera de comprobar las hipótesis más audaces

Científicos del Reino Unido proponen una nueva manera de asomarse más allá del Big Bang y estudiar el cosmos en condiciones donde las leyes habituales de la física dejan de funcionar. El cosmólogo Eugene Lim del King’s College de Londres, junto con las astrofísicas Katy Clough (Queen Mary, Universidad de Londres) y Josu Aurrekoetxea (Universidad de Oxford), publicaron en Living Reviews in Relativity un artículo en el que describen las posibilidades de aplicar la relatividad numérica para resolver cuestiones fundamentales de la cosmología.

La teoría general de la relatividad de Einstein describe la gravedad y el movimiento de los cuerpos en el Universo, pero al intentar «rebobinar» sus leyes hasta el momento del nacimiento del cosmos los investigadores se topan con una singularidad: un estado de densidad y temperatura infinitas en el que las ecuaciones dejan de tener sentido. Habitualmente, para que el problema sea tratable, los cosmólogos suponen que el Universo es homogéneo e isótropo, es decir, que se ve igual en cualquier dirección. Esa aproximación funciona para el cosmos actual, pero no hay garantía de que fuera válida en los primeros instantes de su existencia.

Ahí es donde puede ayudar la relatividad numérica: un método que no busca soluciones analíticas exactas, sino que usa modelos computacionales y supercomputadoras para cálculos aproximados. Este enfoque surgió en las décadas de 1960 y 1970 para predecir ondas gravitacionales en colisiones de agujeros negros, pero no empezó a desarrollarse de verdad hasta principios del siglo XXI, cuando se volvió necesario para el experimento LIGO. Ahora los investigadores quieren trasladar esa experiencia a la cosmología para simular escenarios inaccesibles a los cálculos «sobre papel».

Una de las preguntas principales que puede aclarar la relatividad numérica es la inflación cósmica. Este periodo de expansión acelerada del universo temprano explica por qué hoy el cosmos parece homogéneo a escalas enormes. Pero la paradoja es que, para los cálculos de la inflación, hay que partir de la suposición de que el universo inicial ya era homogéneo. Si se renuncia a esa suposición, las ecuaciones estándar pierden simetría y se vuelven irresolubles. La modelización por ordenador permite considerar condiciones iniciales muy diversas y comprobar qué teorías —por ejemplo, las basadas en la física de cuerdas— realmente predicen inflación.

Las posibilidades del método van mucho más allá de la teoría inflacionaria. Los científicos esperan que la relatividad numérica ayude a poner a prueba hipótesis sobre cuerdas cósmicas, defectos hipotéticos del espacio‑tiempo que podrían dejar rastros en forma de ondas gravitacionales. Otra posibilidad es buscar «moratones» en el cielo que puedan indicar el choque de nuestro Universo con universos vecinos, si la idea del multiverso resultara ser cierta.

Igualmente importante es la hipótesis de universos «rebotantes», donde el Big Bang no sería el inicio de todo, sino otro ciclo de nacimientos y colapsos. En esos momentos la gravedad alcanza fuerzas extremas y las simetrías habituales dejan de aplicarse, pero es justamente en ese terreno donde los métodos numéricos pueden ofrecer respuestas. Lim señala que hasta hace poco estos problemas se consideraban inabordables, pero hoy cada vez más grupos de investigación ya están realizando cálculos en esa dirección.

La dificultad radica en los enormes recursos necesarios: la modelización exige supercomputadoras y potencias de cálculo ingentes. Sin embargo, el avance tecnológico abre la perspectiva de que en los próximos años esas simulaciones puedan aportar respuestas más claras sobre qué ocurrió antes del Big Bang, si existieron ciclos anteriores del cosmos y si nuestro Universo es solo una parte de un conjunto mucho mayor.

Los autores del artículo esperan que su trabajo contribuya a acercar a los especialistas en relatividad numérica y a los cosmólogos: los primeros obtendrán nuevos problemas donde aplicar sus métodos y los segundos tendrán la oportunidad de investigar cuestiones que durante largo tiempo se consideraron inalcanzables.