El Big Bang en Delpo básico

Vamos a desmitificar un poco algunas cosas sobre el Big Bang, de la manera más simple posible.

Juan Martín la tiene bastante clara y lo explica así en Delpo básico:

Eh, bueno, había mucha energía concentrada y ¡pum! explotó todo y se formó el universo. Montañas, ríos... shoppings.

Zafa, más o menos. La primera parte viene fenómeno: mucha energía concentrada (del dibujo nos ocuparemos otro día). También es bastante correcto lo de "explotó todo". La canción de los títulos iniciales de The Big Bang Theory lo explica todavía mejor:

Our whole universe was in a hot, dense, state,
Then nearly fourteen billion years ago expansion started, wait.

Bastante mejor. Esto es muy exactamente lo que significa el Big Bang: el universo temprano, caliente y denso, expandiéndose rápidamente.

El Big Bang NO ES una explosión en el origen del universo. El nombre le quedó porque es marketinero, pero atrasa 60 años. Definitivamente no es una explosión como la que se ve en Cosmos.

Sabemos muchísimo del Big Bang gracias a tres generaciones de satélites y una cantidad de radiotelescopios en la Tierra, que midieron, con enorme precisión, el último resplandor que dejó ese "estado denso y caliente". Es la luz más antigua que podemos ver, el fondo cósmico de microondas, del que ya hemos hablado.

Esa radiación viene de un universo bebé (380 mil años de edad, comparado con los actuales 14 mil millones), muy distinto del actual, mucho más chico (1100 veces más chico), sin estrellas ni galaxias. No podemos ver nada anterior a ese estado. Pero lo que ocurrió antes dejó su huella en esa radiación, y sumada a lo que sabemos de física tenemos una idea muy exacta de lo que ocurió en esos 380 mil años de rápida expansión.

Por ejemplo, cuando tenía apenas 50 mil años de edad era todavía más chico (3 veces más chico), más denso y más caliente. Allí finalizó una etapa tan caliente que estaba dominada por los fotones, en lugar de por la materia ordinaria. Pero ya existía la materia. Los núcleos de los elementos químicos más sencillos: mucho hidrógeno, algo de helio, y una pizca de litio. Esos núcleos atómicos (esos mismos núcleos, especialmente los del hidrógeno) serían cruciales más adelante, ya que son el combustible de las estrellas. Se habían formado 50 mil años antes, cuando el universo tenía apenas 100 segundos de edad, y era increíblemente pequeño, increíblemente denso, e inimaginablemente caliente. Tan, tan distinto, era ese universo, y sin embargo es de donde viene el hidrógeno que mientras escribo estas líneas cae en forma de nieve sobre Bariloche, dos hidrógenos en cada molécula de agua (el oxígeno no viene de allí, es mucho más joven).

¿Y todavía antes? Hasta donde sabemos (en base a observaciones muy precisas y teorías científicas muy bien conocidas), en una pequeñísima fracción inicial del primer segundo ocurrió algo especial, llamado inflación cósmica. Durante la inflación el universo se expandió a un ritmo feroz, mucho más rápido que lo que vino después, con los núcleos atómicos, los fotones y sarasa. Ahora en la pandemia del coronavirus todo el mundo ha oído hablar del crecimiento exponencial ¿no? Bueno, la inflación cósmica fue exponencial. No sabemos mucho de esa época, pero es una teoría tan exitosa en explicar una serie de observaciones que hay un razonable consenso de, a grandes rasgos, cómo ocurrió. Tal vez otro día cuente detalles.

¿Y antes? Bueno, aquí es donde las cosas se ponen cada vez más conjeturales. La respuesta honesta es que no sabemos.

Al principio del Big Bang NO HUBO una singularidad. La "singularidad de densidad y temperatura infinitas, sobre la cual la física no puede decir nada", es una idea que atrasa 40 años. Las mediciones del fondo de microondas descartan la existencia de ciertas partículas que deberían formarse a energías ultra-altas (monopolos magnéticos y otras rarezas), así que nunca existieron tales temperaturas y energías. No llegaron ni cerca de la famosa "energía de Planck". Así que no: no hubo una singularidad. No hubo infinito.

El Big Bang NO ES el origen del espacio-tiempo. ¿De dónde salió la inflación? Como dije, no lo sabemos. Pero, como es exponencial, bien podría haber existido siempre. Miren, en una expansión exponencial, cada tanto tiempo el tamaño se duplica. Así que antes el universo era la mitad de grande, y otro tanto atrás la mitad de la mitad, y así sucesivamente, sin ningún comienzo, durante toda una eternidad (la curva roja en el gráfico de arriba). La inflación sería eterna, algo que a los argentinos nos parece perfectamente aceptable. No habría un "comienzo del espacio y el tiempo". La frase "no tiene sentido preguntarse que había antes del Big Bang porque no existía el tiempo", igual que la de la singularidad, atrasa 40 años.

Resumiendo: el Big Bang es un estado denso y caliente del universo temprano. Comenzó con una expansión exponencial que llamamos inflación, que duró una fracción de segundo o una eternidad, y luego siguió (y sigue) expandiéndose de manera más mansa. ¿Singularidad? No hubo. ¿Comienzo del espacio-tiempo? Mmmm, me juego que no hubo. ¿Qué pasó antes del Big Bang? No lo sabemos. Tal vez inflación eterna. Tal vez otra cosa. Así, en Delpo básico.

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Hay que decir también que hay teorías (no "corazonadas", no "hipótesis", sino teorías científicas), como loop quantum gravity, que proponen una manera de unificar la relatividad general con la mecánica cuántica, que explicaría el mecanismo de la inflación y de dónde salió. Yo no sé prácticamente nada de esto, apenas escuché una charla de mi viejo compañero del Balseiro Jorge Pullin, que me encantó.

El gráfico lo hice yo. Muestra cómo se expande el universo cuando está dominado por materia o radiación (soluciones de la ecuación de Friedman, donde se cruzan son los 50 mil años que dije antes) o inflación (una exponencial a ojímetro, si las pongo a escala no se ve nada). A tiempo t = 0 las dos primeras dan una singularidad (tamaño cero), pero la inflación no, o no necesariamente.

Las imágenes son de la campaña publicitaria de Yogurísimo. Los videos son muy graciosos, el títere de Delpo está buenísimo, y también su voz.