¿Son científicas las teorías de los multiversos?

Cúmulo galáctico de Virgo

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En artículos anteriores he dicho que las teorías de los multiversos (hay varias, algunas contradictorias entre sí) no son científicas, porque no es posible demostrar que son falsas, siguiendo el criterio de Karl Popper, que afirmó que una teoría no es científica a menos que con un experimento se pueda demostrar que es falsa.

Un artículo reciente de Man Ho Chan revisa y refuta diversos intentos de afirmar que las teorías de los multiversos sí son científicas. Aquí voy a referirme a quienes intentan demostrar que las teorías del multiverso deben considerarse científicas sin apenas cambiar los criterios actuales. Carroll 2018 utiliza tres argumentos principales para justificarlo:

El misterio de la constante cosmológica

Alexander Fridman
(Александр Фридман)

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Este artículo completa un artículo anterior con un título parecido: El problema de la constante cosmológica.

En primer lugar, vamos a distinguir tres conceptos diferentes, pero que podrían estar relacionados:

1. La energía del vacío: se debe a la aparición constante de pares de partículas y antipartículas que se desintegran inmediatamente entre sí, de modo que son indetectables por experimentación directa. Su aparición es consecuencia del principio de incertidumbre: ΔE×Δt<ħ/2, que implica que una partícula con la energía ΔE puede aparecer espontáneamente durante un tiempo Δt<ħ/(2ΔE), tanto más pequeño cuanto más grande sea ΔE. Así, un electrón virtual duraría menos de 4×10^-21 segundos. Un protón, cuya masa es 1837 veces mayor, duraría 1837 veces menos. Aplicando la teoría cuántica de campos a todas las partículas conocidas, se puede estimar la energía del vacío.

El problema de la constante cosmológica

Albert Einstein

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El valor de la constante cosmológica Λ en la ecuación de Einstein ha pasado por muchas vicisitudes y alternativas:

¿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.

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.

A vueltas con la energía oscura

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Albert Einstein

En un artículo anterior mencioné que Einstein introdujo un tercer término en el segundo miembro de su ecuación cosmológica, para intentar que dicha ecuación tuviera como solución un cosmos estacionario, que no se expandiera ni se contrajera. El intento no consiguió su objetivo, porque dicho cosmos estacionario habría estado en equilibrio inestable, y la menor variación le habría empujado a expandirse o a contraerse. El término en cuestión depende de una constante (L, la constante cosmológica), que fue introducida por las buenas y en realidad no sabemos lo que es.

Ecuación cosmológica de Einstein

Durante la mayor parte del siglo XX, se dio por supuesto que el valor de la constante cosmológica debía ser cero. Con otras palabras, que el tercer término de la ecuación de Einstein no existía, que no era necesario. Sin embargo, en 1998 se descubrió que el universo parece estar en expansión acelerada. Al menos, eso parece indicar el estudio de las supernovas que aparecen en galaxias muy lejanas, a unos 1000 millones de años-luz de nosotros. Para explicarlo se resucitó el término de la constante cosmológica, pero dando a esta un valor de signo contrario al que propuso Einstein, para que en vez de contrarrestar la expansión, la acelerase. Esta propuesta se ha convertido en el modelo cosmológico estándar, en el que el primer término de la ecuación, que representa el efecto de la masa, cuenta actualmente como un 31%, mientras el tercero, el de la constante cosmológica, cuenta como un 69%. En este modelo, el segundo se considera nulo. Dejo aparte la cuestión de que el término de la masa tampoco cuadra, y ha sido preciso suponer que existe una materia oscura, que tampoco sabemos lo que es.

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.

El error de Einstein

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Cuando Einstein formuló en 1915 la teoría de la Relatividad General, no tardó en aplicarla al universo entero, obteniendo la siguiente ecuación cosmológica:

Es curioso que esta ecuación sea idéntica a la ecuación que se obtendría a partir de la teoría de la gravitación de Newton. Tan sólo hay una diferencia entre las dos: la constante k representa, en el caso de Newton, la energía total del universo; en el caso de Einstein, su curvatura.

Cada término de esta ecuación contiene una constante universal. Aparte de k, G es la constante gravitatoria; L es la llamada constante cosmológica, cuya interpretación no está muy clara. Inicialmente Einstein pensó que podría eliminar ese término de la ecuación haciendo L=0. Así la ecuación se simplifica y es posible resolverla analíticamente. Entonces descubrió que la solución, en ese caso, era un cosmos en expansión continua. Como él creía que el universo tenía que ser estacionario, decidió asignarle a L un valor crítico L_c, para conseguir que lo fuera.