Partículas misteriosas

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Algunos físicos actúan a veces como si las hipótesis que proponen para explicar los misterios del universo fuesen siempre reales. Pero una hipótesis no es más que una propuesta para explicar un fenómeno natural, y no se puede considerar como una teoría confirmada mientras no haya proporcionado una o más predicciones acertadas sorprendentes. Este último detalle, que es esencial, generalmente se omite.

En 2020 leí dos libros de divulgación sobre cosmología y física de partículas (ambas ramas de la física están muy relacionadas):

¿Puede ser infinita la densidad?

Primera foto
de un agujero negro

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La teoría general de la relatividad de Einstein permite que existan objetos con densidad infinita (singularidades). Los hay de dos tipos:

1.      Agujeros negros, acumulaciones de materia en un volumen nulo, ya sea en el centro de una galaxia, o como resultado de una explosión de supernova.

2.      El universo, en su instante inicial (el Big Bang).

Una estrella como el sol está en equilibrio porque la atracción gravitatoria, que tiende a contraerla, es igual a la expansión provocada por las reacciones nucleares que tienen lugar dentro de la estrella. Cuando una estrella mucho más grande que el sol agota el combustible nuclear (primero el hidrógeno, luego el helio, luego otros elementos), al no haber ya reacciones nucleares que detengan la contracción, la estrella sufre una implosión, que al rebotar lanza al espacio grandes cantidades de materia: una explosión de supernova, que durante algún tiempo hace a la estrella más brillante que una galaxia entera. Pero siempre queda un resto de materia, que da lugar a la aparición de un objeto de tipo nuevo.

¿Es infinito el tiempo?

S.Agustín, por Louis Comfort Tiffany
Lightner Museum

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Desde la más remota antigüedad, el hombre se ha interesado por el enigma del tiempo. Porque el tiempo, a pesar de que todos lo experimentamos, es un enigma. Ya lo dijo San Agustín en sus Confesiones (L.XI C.XIV): ¿Qué es, pues, el tiempo? Si nadie me lo pregunta, lo sé; pero si quiero explicárselo al que me lo pregunta, no lo sé.

Como dije en otro artículo, las explicaciones ideadas para resolver el enigma del tiempo se dividen en dos: las que lo consideran cíclico, con o sin repeticiones múltiples, lo que permitiría representar geométricamente el paso del tiempo mediante un círculo, y las que lo consideran lineal, que lo representan mediante una línea recta. A su vez, este último caso se divide en varios: se puede admitir, o no, que el tiempo tuvo principio; y se puede admitir, o no, que habrá un momento final del tiempo. Combinando estas dos alternativas, tenemos cuatro casos diferentes. En total suman seis posibilidades, que vamos a analizar a la luz de la cosmología moderna:

Singularidades

Hal 9000, de la película
2001, una odisea del espacio

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La singularidad es un concepto matemático (que el diccionario de la RAE no recoge) que se aplica a una función de una variable que alcanza un valor infinito para uno o varios valores finitos de su variable independiente.

Por ejemplo, la función y=1/x presenta una singularidad para x=0, pues suele decirse que 1 dividido por cero es igual a infinito.

Tres preguntas sin respuesta científica

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Aunque ya he hablado de algunas de estas cosas en otros artículos, voy a reunir aquí tres preguntas que, por ahora, no tienen respuesta científica, y que quizá nunca la tendrán.

• El universo ¿comenzó a existir en el Big Bang, o hubo algo antes? Esta controversia es mucho más antigua de lo que muchos piensan. Hace tres cuartos de milenio, Tomás de Aquino escribió esto en su Summa Theologiae (I parte, cuestión 46):

No se puede probar mediante una demostración que el mundo no ha existido siempre.

O sea que, según Aquino, la cuestión de la creatio originans (que el mundo tuvo principio) es irresoluble por la razón humana. Es de notar, sin embargo, que la creatio ex nihilo (que el mundo fue creado) sí estaría al alcance de nuestra razón. Dicho con otras palabras: la razón nos permite llegar a la conclusión de que el universo fue creado, pero no se podría demostrar si tuvo principio o no.

Roger Penrose frente a William Craig

Roger Penrose

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Agradezco a Plácido Doménech Espí haber llamado mi atención hacia este debate realizado en 2019 entre Roger Penrose y William Craig, titulado El Universo: ¿Cómo llegó aquí, y por qué somos parte de él? (The Universe: How did it get here & why are we part of it?).

Roger Penrose saltó a la fama como cosmólogo cuando en 1970 demostró, junto con Stephen Hawking, un teorema según el cual, la aplicación de la teoría de la Relatividad General de Einstein al universo entero exige que haya al menos un punto singular en dicho universo (un punto en el que confluyen todas las geodésicas del universo). O sea, el Big Bang.

En 1989, Penrose se convirtió en uno de los divulgadores científicos más famosos al publicar La nueva mente del emperador (The emperor’s new mind), un libro con profundas implicaciones filosóficas, en el que, entre otras cosas, propuso la siguiente cuestión, inspirada en el teorema de Gödel: ¿cómo es que podemos demostrar que un teorema es verdadero, si no se puede demostrar matemáticamente a partir de un conjunto razonable de axiomas? Según él, esto podría indicar que la inteligencia humana es cualitativamente distinta de la de las máquinas computadoras.

En 2004 publicó otro libro, El camino hacia la realidad (The road to reality), esta vez de altísima divulgación, pues está plagado de ecuaciones, en el que propone una unificación de la relatividad general de Einstein con la mecánica cuántica (una teoría de la gravedad cuántica), de la que poco después surgió su teoría cosmológica, la Cosmología cíclica conforme (Conformal cyclical cosmology o CCC), según la cual el universo no comenzó con el Big Bang, que sólo sería el principio del eón actual, sino que habría una sucesión infinita de eones anteriores, cada uno de los cuales comenzaría en un Big Bang y evolucionaría hasta la muerte térmica, cuando lo único que quedaría en todo el universo serían fotones. En ese momento, (nadie sabe cómo) la entropía descendería súbitamente hasta un valor mínimo para dar comienzo a un nuevo ciclo.

William Craig ha propuesto el argumento cosmológico kalam, que puede resumirse así:

1. Todo lo que empieza a existir posee una causa de su existencia.
2. El universo empezó a existir.
3. Luego el universo posee una causa de su existencia.

William Lane Craig

Craig sostiene que el Big Bang fue el comienzo de la existencia del universo, por lo que tiene que haber una causa de esa existencia: un Creador no causado, que existe sin principio, sin cambio, inmaterial, sin tiempo, sin espacio, y enormemente poderoso, y además omnisciente, para poder ser también el autor del mundo abstracto. O sea, Dios.

En el debate, Penrose empezó sosteniendo que hay tres componentes de la realidad: un mundo abstracto (las matemáticas); un mundo físico (el mundo material); y un mundo mental (el mundo de la consciencia). Además, señala la existencia de tres misterios, que se refieren a las relaciones entre estos tres mundos:

1. La irrazonable efectividad de las matemáticas (Eugene Paul Wigner): ¿Por qué el mundo abstracto describe tan bien el funcionamiento del mundo físico?
2. El origen de la consciencia: ¿Cómo surge la consciencia a partir del mundo físico?
3. La capacidad de la mente para entender el mundo abstracto: ¿Por qué podemos entender las matemáticas y aplicarlas para describir fenómenos contrarios a nuestra intuición?

Craig estuvo de acuerdo con el análisis de Penrose, y añadió esta consideración:

El mundo abstracto no puede ser la causa de los otros dos mundos, el físico y el mental, porque no tiene poder causal y no puede tomar decisiones. No está claro que el mundo físico sea la causa del mundo mental: el propio Penrose reconoce que eso es un misterio. ¿Puede ser el mundo mental la causa del mundo físico y del mundo abstracto? Parece que sí: tenemos la experiencia de que nuestra mente es capaz de producir cambios físicos a través de la intencionalidad humana. ¿No podría haber una mente omnisciente que fuera la autora de los mundos físico y abstracto? Eso resolvería el problema del origen de los tres mundos.

A esto, Penrose sólo pudo responder que no le gusta la idea (se declara ateo), y que prefiere pensar que el mundo abstracto (o platónico) es primordial, aunque no sabe cómo podrían proceder los otros dos mundos de este.

La segunda parte del debate trató sobre el problema del ajuste fino. Craig indicó que existen tres soluciones al problema:

1. Las constantes universales sólo pueden tener el valor que tienen.
2. Nuestra existencia en un universo tan ajustado puede deberse al azar en el entorno de un multiverso.
3. Nuestro universo ha sido diseñado por un Creador.

Penrose comenzó negando que exista el ajuste fino, aunque al final se declaró agnóstico al respecto. Propuso su teoría CCC como explicación del origen de nuestro universo. Craig señaló que esa teoría no es más que un multiverso en el tiempo en lugar de en el espacio, donde se supone que existen casi todos los multiversos que se han propuesto. Penrose, a quien parece que no se le había ocurrido esta idea, la abrazó con alegría y afirmó que su teoría está comprobada experimentalmente, cosa que casi ningún cosmólogo actual acepta.

Mi conclusión ante este debate es que Penrose estuvo casi todo el tiempo a la defensiva, y que no pudo ofrecer ningún argumento convincente en favor de su ateísmo.

Hilo Temático sobre Ciencia, Fe y Ateísmo: Anterior Siguiente

Manuel Alfonseca

¿Ciencia o imaginación?

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Una gran parte de la investigación “científica” que se está desarrollando actualmente, más que en ciencia, consiste en el ejercicio de la imaginación de los “científicos”. Parece que, para que a alguien se le considere científico, basta con que se dedique a hacer elucubraciones matemáticas que poco o nada tienen que ver con la realidad. Y naturalmente, todo lo que hace un científico tiene que ser “ciencia”. Al menos, las revistas científicas y los medios de alta divulgación lo consideran como tal.

Materia y antimateria. ¿Por qué estamos aquí?

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La materia de la que están constituidos el sistema solar, la Tierra, los seres vivos y nosotros mismos, está formada, casi por completo, por átomos que, a su vez, se basan en tres partículas elementales: protones, neutrones y electrones. Para cada una de esas partículas, así como para otras muchas que no suelen formar parte de los átomos, existe una antipartícula. Por lo tanto, podría haber antiátomos de antimateria, formados por antiprotones, antineutrones y antielectrones (positrones).

Una propiedad interesante de la materia y la antimateria es que no pueden estar juntas. En cuanto se ponen en contacto, se desintegran por completo, transformándose en energía. Todos los indicios apuntan a que nuestra galaxia (la Vía Láctea) está formada casi exclusivamente por materia. También hay algo de antimateria, en forma de nubes de antipartículas, fuera de la galaxia, cerca de ella y atraída por su gravedad, pero en cantidad tan ínfima, comparada con la masa de la galaxia, que para efectos prácticos puede ignorarse. Se ha hablado también de que podría haber algunas (muy pocas) anti-estrellas.

El secuestro del Big Bang

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La teoría del Big Bang fue ideada en 1931 por el sacerdote belga Georges Lemaître, como consecuencia de la aplicación hacia atrás en el tiempo de la ley de Hubble-Lemaître, descubierta por Lemaître en 1927 e independientemente por Hubble en 1929. En efecto, si casi todas las galaxias se alejan, porque el espacio que las separa se expande, hace miles de millones de años debían de estar mucho más cerca, y en el límite todo el universo visible se habría reducido a un punto. Hoy se cree que esto ocurrió hace unos 13.800 millones de años.

En 1948, George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman hicieron dos predicciones que deberían cumplirse si la teoría del Big Bang fuese cierta: que la masa del universo debe estar constituida aproximadamente por un 75% de hidrógeno y un 25% de helio; y que debería existir una radiación cósmica de fondo con una temperatura de unos 5º Kelvin. Otros cosmólogos, sin embargo, tomaron a broma esta teoría, y para burlarse de ella le dieron el nombre de Big Bang, que no es muy apropiado, pero ha quedado fijo, quizá para siempre.

Mis diez descubrimientos científicos favoritos del siglo XX

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En un artículo publicado hace dos semanas comenté la contestación dada en un artículo de la revista Science News a la pregunta de cuáles han sido los diez descubrimientos científicos más importantes del último siglo. Alguno de mis lectores me ha preguntado cuál es mi opinión personal al respecto. Contesto aquí.

Para empezar, señalaré que la investigación científica puede avanzar por cuatro caminos diferentes:

1. La ciencia teórica, que trata de descubrir leyes fundamentales en el universo.
2. La ciencia experimental, que confirma o falsa las teorías, realizando experimentos.
3. La ciencia observacional, que en lugar de experimentar observa. La astronomía, por ejemplo, utiliza estos métodos, pues la experimentación casi nunca es posible.
4. La tecnología, la aplicación práctica de la ciencia, cuyo objetivo es construir dispositivos que funcionen.

Más tergiversaciones científicas de los medios

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En mi primer día de clase en la titulación de Ingeniería de Telecomunicación solía decirles esto a mis alumnos:

No os creáis ninguna noticia científica de las que se publican en la prensa o en otros medios de comunicación generalistas. La mayor parte son falsas o han sido mal entendidas.

En artículos anteriores he mencionado varios casos de noticias tergiversadas por los medios, aunque a veces la culpa no es del periodista, sino del propio científico, que trata de colar como si fuesen ciencia sus ideas filosóficas basadas en el materialismo reduccionista. En este artículo voy a comentar tres noticias relativamente recientes, y trataré de explicar lo que realmente hay detrás de ellas.

Universo singular

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Javier Sánchez Cañizares es uno de los colaboradores del libro de las Preguntas sobre ciencia y fe, publicado en 2014 y reeditado este año. En 2020, Javier ha publicado el libro con el mismo título que este artículo, que puede clasificarse como filosofía de la ciencia divulgativa de alto nivel. El objetivo del libro es mostrar que el reduccionismo materialista no tiene ninguna posibilidad de proporcionar una explicación correcta y completa, ya que nuestro universo es singular por varias razones diferentes:

Modelos científicos: ¿ajuste o validación?

Leonard Nimoy
como el Sr. Spock

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Una de las formas en que avanza la ciencia es construyendo modelos, que a menudo están formados por conjuntos más o menos complejos de ecuaciones matemáticas, y tratando de comprobar si dichos modelos se adaptan o no al funcionamiento del mundo real, tal como nos lo describen nuestros sentidos y nuestros instrumentos.

Al construir y utilizar un modelo tenemos que distinguir dos fases:

• Ajuste del modelo: consiste en asignar valores a los parámetros del modelo para conseguir que este se ajuste a los datos que ya tenemos sobre el mundo real. Un modelo que no esté ajustado a dicho conocimiento previo sería totalmente inútil.
• Validación del modelo: consiste en utilizar el modelo para realizar predicciones sorprendentes que nadie habría podido prever sin ayuda del modelo. Si dichas predicciones se confirman, se transforman en predicciones acertadas sorprendentes, que validan el modelo. Sin embargo, la validación nunca es definitiva, porque una nueva predicción sorprendente desacertada podría invalidarlo en el futuro.

Veamos algunos ejemplos:

¿Hay energía en el universo?

Georges Lemaître

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Durante los años 50 entraron en competencia dos teorías cosmológicas contrapuestas: la del Big Bang, propuesta por Georges Lemaître, y la del estado estacionario, propuesta por Hermann Bondi y Thomas Gold. Aunque la segunda tenía que renunciar al principio de la conservación de la energía, el más sagrado de la física, los cosmólogos ateos la preferían al Big Bang, porque les parecía que esta última teoría exigía aceptar la creación por parte de Dios. En palabras del astrónomo inglés Raymond Littleton, en su libro de divulgación The Modern Universe (1956):

Una teoría como esta [el Big Bang] que remonta la creación a un instante singular en el pasado remoto... para algunas mentes, es una objeción que implicaría eliminar del ámbito de la ciencia la cuestión del origen del material del universo... Esta consideración no significa, por supuesto, que la teoría de la explosión sea necesariamente errónea, pero pone el acto de la creación, como podríamos llamarlo, fuera del alcance de la ciencia.

Con otras palabras: Raymond Littleton pone objeciones a la teoría del Big Bang porque podría forzarnos a reconocer la existencia de un Dios creador. No se puede decir más claro.

4 aclaraciones sobre la historia del universo

James Peebles

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Ciertas declaraciones de James Peebles, reciente Premio Nobel de física, han despertado mucha polémica, a pesar de que lo que ha dicho no es nuevo, pues los físicos teóricos llevan mucho tiempo afirmando precisamente lo mismo.

La teoría del Big Bang la propuso en 1931 Georges Lemaître, prolongando hacia el pasado de la ley de Hubble-Lemaître. En 1948, Ralph Alpher y Robert Herman predijeron que, si la teoría del Big Bang es correcta, debe existir una radiación cósmica de fondo con una temperatura próxima a 5 Kelvin. En 1965 Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la existencia de dicha radiación cósmica, cuya temperatura resultó ser de 2,72548 Kelvin. La temperatura es exactamente igual en todas direcciones, salvo por dos efectos que provocan pequeñas diferencias, que en ningún caso modifican más allá de la tercera cifra decimal.

Errores en la divulgación científica mediática: Stephen Hawking no lo hizo todo

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Stephen Hawking

Stephen Hawking ha sido durante décadas un icono científico para los medios de comunicación. Su penosa situación personal le ha convertido en una figura mediática, que atrae indefectiblemente la atención. Por ello, dichos medios tienen cierta tendencia a exagerar su labor científica, atribuyéndole logros que él no había conseguido y que sería el primero en repudiar, si estuviera aún entre nosotros.

Por ejemplo, con ocasión de su muerte, en diversos medios han aparecido los siguientes titulares:

•         Agencia Efe: Muere el físico Stephen Hawking, autor de la teoría del "big bang"

•         msn Noticias: Stephen Hawking, el prestigioso físico creador de la teoría del Big Bang, muere a los 76 años

•         ElTiempoHoy: Creador de la teoría del Big Bang y los agujeros negros: fallece Stephen Hawking a los 76 años

•         Gizmodo Univisión: Del Big Bang a la Teoría del Todo: el increíble legado científico de Stephen Hawking

El modelo cosmológico estándar

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Mapa de la Radiación Cósmica de Fondo

En 1927, el sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître descubrió la ley de Hubble.

Sí, es correcto. Hubble no descubrió la ley hasta 1929. Lo que pasó fue que Lemaître lo publicó en francés en una revista de poco impacto (Annales de la Société Scientifique de Bruxelles), mientras Hubble, que lo publicó dos años más tarde en inglés en los Proceedings of the National Academy of Sciences, recibió mucha más publicidad y su nombre quedó asociado al descubrimiento.

Combinada con la ecuación cosmológica de Einstein, la ley de Lemaître-Hubble implica que el universo está en expansión. En un artículo publicado en 1931 en Nature, Lemaître sacó las consecuencias de esto proponiendo la teoría del Big Bang, así llamada en burla por su opositor Fred Hoyle en 1950. El nombre cuajó.

En 1948, Ralph Alpher, George Gamow y Robert Herman hicieron dos predicciones sorprendentes, partiendo de la teoría del Big Bang: la composición media de la masa del cosmos (tres cuartas partes de hidrógeno y una de helio), y la existencia de la radiación cósmica de fondo. Ambas fueron comprobadas durante los años sesenta. A partir de ahí, la teoría del Big Bang se convirtió en la teoría cosmológica estándar.

Algunas aclaraciones sobre la radiación cósmica de fondo

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En 1948, Ralph Alpher y Robert Herman, del equipo de George Gamow, llegaron a la conclusión de que, si el universo hubiese salido de un Big Bang y se hubiese expandido desde entonces, debería existir una radiación cósmica de fondo en la zona de frecuencia de las microondas (o lo que es lo mismo, a una temperatura de unos 5K, 5 grados por encima del cero absoluto). Alpher y Gamow habían publicado ese mismo año otra predicción, la de la composición media del cosmos partiendo de la teoría del Big Bang.

En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson estaban trabajando con un radiotelescopio muy potente de nueva construcción y detectaron un ruido de fondo que no conseguían eliminar. Primero pensaron que sería de origen terrestre, pero una vez eliminadas todas las fuentes de ruido posibles, el efecto persistía. Después llegaron a la conclusión de que dicho ruido no podía proceder del sistema solar ni de nuestra galaxia (pues en tal caso sería más intenso en una dirección que en otra), y que su origen tenía que ser cósmico. La temperatura de esa radiación (o sea, su frecuencia, teniendo en cuenta la ecuación de Wien) resultó ser de 3K. Robert Burke, del MIT, sugirió a Penzias que dicho ruido podía ser la radiación cósmica de fondo predicha por Alpher y Herman, cosa que, en efecto, se comprobó. Por este descubrimiento, Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel en 1978.

Junto con el argumento basado en la composición media del universo, la radiación cósmica de fondo dio el espaldarazo a la teoría del Big Bang, que se convirtió en la teoría cosmológica estándar (aunque véase un artículo anterior de este blog al respecto).

Problemas pendientes en el modelo cosmológico estándar

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El modelo cosmológico estándar, que se impuso hacia 1998, recibe el nombre de LCDM y se basa en las siguientes afirmaciones:

• El universo empezó con un Big Bang, tras el cual hubo una etapa de expansión acelerada (la inflación), que después se redujo hasta niveles próximos a los actuales. Más tarde apareció la materia ordinaria, formada esencialmente por hidrógeno y helio.
• La curvatura media del cosmos es próxima a cero (universo plano): el espacio tridimensional es aproximadamente euclídeo.
• La densidad media de materia del cosmos equivale a alrededor del 30% de la densidad crítica (la que separa un cosmos abierto, en expansión ilimitada, de un cosmos cerrado, que volvería a contraerse). Como la densidad de materia ordinaria que se ha detectado hasta ahora representa menos de un 5% de la densidad crítica, el resto (más del 25%) tendría que ser una forma desconocida (la materia oscura). De hecho, sería lo que se llama materia oscura fría, lo que explica las siglas CDM en el nombre del modelo (Cold Dark Matter). En un artículo anterior hablé sobre la materia oscura.

Alternativas al Big Bang

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La teoría del Big Bang tiene un problema, que se puede explicar con el siguiente conjunto de cuestiones:

• Lo más alejado de nosotros que podemos ver es la radiación cósmica de fondo de microondas, que se originó unos 380.000 años después del Big Bang. Lo que ocurrió antes, no es posible verlo directamente, porque está oculto detrás de esa radiación.
• Es verdad que no podemos verlo, pero sí podemos deducir lo que pasó en esos primeros 380.000 años, aplicando la teoría física estándar, que es la relatividad general. Además, es posible realizar comprobaciones experimentales de esas deducciones, porque proporcionan  predicciones, como la composición media del cosmos, que coincide muy bien con los datos experimentales.
• El problema es que la relatividad general no nos sirve para llegar al tiempo cero, al Big Bang propiamente dicho. Esta teoría sólo se puede aplicar a partir de unos 5×10^-44 segundos después del Big Bang (el tiempo de Planck), porque antes de ese tiempo los efectos cuánticos eran predominantes, y no disponemos de una teoría física que unifique la mecánica cuántica con la relatividad general.