Pensábamos que conocíamos la forma del universo. estábamos equivocados

Pensábamos que conocíamos la forma del universo. estábamos equivocados

Por Paul M. Sutter editado por Lee Billings

Los cosmólogos tienen un problema embarazoso: no sabemos qué forma tiene el universo. El cosmos tiene tres geometrías posibles: curvada positivamente como una esfera, plana como un plano infinito o curvada negativamente como una silla de montar, pero la geometría por sí sola no determina la forma. Un universo plano todavía podría girar de muchas maneras. Podría ser finito, infinito o incluso plegado sobre sí mismo como una botella de Klein que alguien dejó en la secadora. La teoría general de la relatividad de Einstein describe brillantemente la curvatura local. (“El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse”, bromeó el pionero de la relatividad, John Wheeler). Pero la mayor teoría de Einstein guarda silencio sobre la topología global del universo.

Una cosa es dibujar dragones en los bordes en blanco de un mapa, pero otra cosa es ni siquiera saber dónde está el borde.

Nuestra piedra de toque para resolver la cuestión es el fondo cósmico de microondas (CMB). Este es el tenue resplandor térmico de unos 380.000 años después del big bang que se desató cuando el plasma caliente, parecido a una niebla, que llenaba el universo primitivo se enfrió y se aclaró como núcleos atómicos primordiales unidos con electrones libres. Misiones como la del observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea han mapeado esta antigua señal con extraordinaria precisión. La firma postulada más legible de un universo topológicamente no trivial (es decir, uno que no se extiende eternamente en todas direcciones) serían pares de círculos en el cielo del CMB con patrones de temperatura exactamente coincidentes: encontrar un anillo idéntico de parches fríos y calientes en dos direcciones diferentes podría significar que estamos mirando la misma región del espacio desde dos puntos de vista diferentes. Esto sería lo más cerca que estaríamos de que el cosmos nos entregara un recibo para el mismo lugar, sellado dos veces.

Sobre el apoyo al periodismo científico

Si está disfrutando de este artículo, considere apoyar nuestro periodismo galardonado suscribiéndose. Al comprar una suscripción, ayudas a garantizar el futuro de historias impactantes sobre los descubrimientos y las ideas que dan forma a nuestro mundo actual.

Después de décadas de búsqueda infructuosa, el fracaso en encontrar estos círculos coincidentes en el CMB produjo una conclusión que se convirtió en consenso: cualquier topología no trivial debe repetirse a escalas mayores que el universo observable, o de lo contrario simplemente no existe. Es decir, según los mejores mapas CMB de todo el cielo de Planck, o el universo es completamente infinito o es tan casi infinito que la distinción no importa. La lógica era clara, los límites parecían sólidos y nadie tenía muchos motivos para forzarlos.

Pero en ciencia, el orden es siempre una leve señal de alerta.

Ahora los cosmólogos de la Colaboración internacional para Observaciones, Modelos y Predicciones de Anomalías y Topología Cósmica (COMPACT) han presionado, y el panorama ordenado se está resquebrajando. Su resultado: las limitaciones de observación sobre una determinada clase de posibles formas cósmicas bien definidas son sustancialmente más débiles de lo que todo el mundo suponía. Topologías que alguna vez se consideraron descartadas por los datos de Planck están silenciosamente nuevamente sobre la mesa.

La razón por la que esto es importante va más allá del mero placer de crear mapas: una topología cósmica precisa nos guiaría hacia mejores teorías de la gravedad cuántica y podría cambiar nuestra forma de pensar sobre el pasado más profundo y el futuro más lejano del universo. La proliferación de formas cósmicas resucitadas repentinamente por COMPACT debería inspirar asombro (y no falta de humildad) porque colectivamente sugieren que puede haber física diferente, historias diferentes y respuestas diferentes a preguntas que ni siquiera nos estamos planteando todavía. Cada vez que confundimos un límite provisional con uno permanente, excluimos posibilidades que pueden resultar reales.

El cisma se debe a una suposición engañosamente simple. El viejo razonamiento sostenía que el universo en bucle sobre sí mismo necesariamente cruzaría nuestra línea de visión si fuera más pequeño que la distancia al origen espacio-temporal del CMB (que se encuentra a muchos miles de millones de años luz de distancia). Pero los bucles no nos deben eso. Un bucle puede atravesar el espacio con una orientación que no capta por completo al observador, sin producir círculos detectables en el CMB, y esta desafortunada disposición puede ocurrir incluso cuando el tamaño de un bucle debería situarlo dentro de nuestros presuntos umbrales de detección. El equipo COMPACT descubrió que el tamaño mínimo real del bucle puede ser de dos a seis veces más pequeño que lo que los cosmólogos habían estado tratando como un límite inferior estricto.

En otras palabras, esperábamos que el espejo estuviera frente a nosotros, pero nos olvidamos de mirar hacia los lados o de si podría estar completamente inclinado hacia afuera.

Las implicaciones caen en cascada. Lo que parecía un estrecho corredor de arquitecturas cósmicas ahora se abre a un conjunto de posibilidades. Muchas topologías no triviales (formas universales arrojadas a la pila de “desechadas” con falsa confianza) ahora requieren una nueva mirada. El universo observable ya no es el árbitro agresivo de topología que pensábamos que era, y la tarea de discernir la verdadera forma del cosmos ahora parece mucho más difícil.

Esto se debe a que la misma geometría (lo que aprendemos de la relatividad general) se puede unir de maneras radicalmente diferentes, y podría haber un número infinito de formas en que el universo podría enrollarse sobre sí mismo. Incluso para espacios-tiempos planos (como en el que sospechamos que vivimos), hay 18 posibilidades. ¡Dieciocho! Resulta que los cilindros, los donuts, las botellas de Klein y más son topológicamente planos. ¿Necesita pruebas? Dibuja dos líneas paralelas en una hoja de papel plana. Permanecen paralelos; esa es la definición de planitud. Ahora enrolla el papel. Las líneas permanecen paralelas. Todavía plano.

Todas estas topologías comparten la misma geometría, lo que significa que la relatividad general las trata exactamente igual. Pero se manifestarían como diferentes tipos de patrones repetidos en diferentes regiones del cielo del CMB. Así que no es sólo que estemos buscando en los lugares equivocados y de la manera equivocada un espejo que refleje una forma cósmica; es que el propio cielo del CMB puede ser una sala de espejos en la que deambulamos sin rumbo, persiguiendo nuestras propias sombras.

Lo que aclara el resultado de COMPACT, con cierta franqueza, es que estábamos leyendo nuestra propia suposición en los datos. Supusimos que los bucles interceptarían al observador y concluimos que debían ser grandes porque no los vimos. Nunca se requirió que los bucles cooperaran. Este es el tipo de error que parece obvio en retrospectiva e invisible hasta que alguien decide comprobarlo. Avanzar puede requerir ir más allá del método de los círculos hermanados por completo, o al menos complementarlo con una búsqueda más sofisticada y estadísticamente sólida de firmas de forma cósmica basadas en CMB aún más sutiles.

Por ahora, la forma del universo sigue siendo desconocida. Las restricciones son más flexibles de lo que se anuncia. El mapa todavía tiene un problema con el dragón; ahora sabemos un poco mejor lo que nos estamos perdiendo.

Es hora de defender la ciencia

Si te ha gustado este artículo, me gustaría pedirte tu apoyo. Científico americano ha servido como defensor de la ciencia y la industria durante 180 años, y ahora mismo puede ser el momento más crítico en esos dos siglos de historia.

he sido un Científico americano suscriptor desde que tenía 12 años y me ayudó a moldear mi forma de ver el mundo. Ciencia-Am Siempre me educa y me deleita, e inspira una sensación de asombro por nuestro vasto y hermoso universo. Espero que también lo haga por ti.

Si te suscribes a Científico americanousted ayuda a garantizar que nuestra cobertura se centre en investigaciones y descubrimientos significativos; que tenemos los recursos para informar sobre las decisiones que amenazan a los laboratorios en todo Estados Unidos; y que apoyemos a los científicos tanto en ciernes como en activo en un momento en el que con demasiada frecuencia el valor de la ciencia misma pasa desapercibido.

A cambio, obtiene noticias esenciales, podcasts cautivadores, infografías brillantes, boletines informativos imperdibles, vídeos imprescindibles, juegos desafiantes y los mejores escritos e informes del mundo científico. Incluso puedes regalarle a alguien una suscripción.

Nunca ha habido un momento más importante para que nos levantemos y demostremos por qué la ciencia es importante. Espero que nos apoyes en esa misión.