A menudo se nos dice que es «poco científico» o «carece de sentido» preguntar qué ocurrió antes del Big Bang. Pero un nuevo artículo del cosmólogo Eugene Lim, de FQxI, del King’s College de Londres (Reino Unido), y los astrofísicos Katy Clough, de la Universidad Queen Mary de Londres (Reino Unido), y Josu Aurrekoetxea, de la Universidad de Oxford (Reino Unido), publicado en Living Reviews in Relativity, propone una solución: utilizar simulaciones informáticas complejas para resolver numéricamente (en lugar de con exactitud) las ecuaciones de Einstein para la gravedad en situaciones extremas.
El equipo argumenta que la relatividad numérica debería aplicarse cada vez más en cosmología para investigar algunas de las preguntas más importantes del universo, como qué ocurrió antes del Big Bang, si vivimos en un multiverso, si nuestro universo colisionó con un cosmos vecino o si nuestro universo pasó por una serie de explosiones y crujidos.
Las ecuaciones de Einstein de la relatividad general describen la gravedad y el movimiento de los objetos cósmicos. Pero si retrocedemos el tiempo lo suficiente, normalmente nos encontraremos con una singularidad (un estado de densidad y temperatura infinitas) donde las leyes de la física colapsan.
Los cosmólogos simplemente no pueden resolver las ecuaciones de Einstein en entornos tan extremos; sus suposiciones simplificadoras habituales ya no son válidas. Y el mismo impasse se aplica a objetos que involucran singularidades o gravedad extrema, como los agujeros negros.
Un problema podría ser lo que los cosmólogos dan por sentado. Normalmente asumen que el universo es «isótropo» y «homogéneo», es decir, que se ve igual en todas direcciones para cualquier observador. Esta es una muy buena aproximación para el universo que nos rodea y que permite resolver fácilmente las ecuaciones de Einstein en la mayoría de los escenarios cósmicos. Pero ¿es esta una buena aproximación para el universo durante el Big Bang?
«Se puede buscar alrededor de la farola, pero no se puede ir más allá, donde está oscuro; simplemente no se pueden resolver esas ecuaciones», explica Lim. «La relatividad numérica permite explorar regiones alejadas de la farola».
Más allá de la farola
La relatividad numérica se sugirió por primera vez en las décadas de 1960 y 1970 para intentar determinar qué tipos de ondas gravitacionales (ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo) se emitirían si los agujeros negros colisionaran y se fusionaran. Este es un escenario extremo para el cual es imposible resolver las ecuaciones de Einstein solo con papel y lápiz; se requieren códigos informáticos sofisticados y aproximaciones numéricas.
Su desarrollo recibió un renovado interés cuando se propuso el experimento LIGO en la década de 1980, aunque el problema no se resolvió de esta manera hasta 2005, lo que generó esperanzas de que el método también pudiera aplicarse con éxito a otros problemas.
Un problema de larga data que entusiasma especialmente a Lim es la inflación cósmica, un período de expansión extremadamente rápida en el universo primitivo. La inflación se propuso inicialmente para explicar por qué el universo se ve como se ve hoy, extendiendo una pequeña porción inicial, de modo que el universo se ve similar a lo largo de una vasta extensión.
«Si no hay inflación, muchas cosas se desmoronan», explica Lim. Pero si bien la inflación ayuda a explicar el estado actual del universo, nadie ha podido explicar cómo ni por qué el universo joven tuvo este repentino y breve crecimiento acelerado.
El problema es que, para comprobarlo mediante las ecuaciones de Einstein, los cosmólogos deben asumir que el universo era homogéneo e isótropo desde el principio, algo que la inflación pretendía explicar. Si, en cambio, se asume que comenzó en otro estado, entonces «no se tiene la simetría necesaria para escribir las ecuaciones fácilmente», explica Lim.
Pero la relatividad numérica podría ayudarnos a sortear este problema, permitiendo condiciones iniciales radicalmente diferentes. Sin embargo, no es un rompecabezas sencillo de resolver, ya que existen infinitas maneras en que el espacio-tiempo podría haber sido antes de la inflación. Por lo tanto, Lim espera utilizar la relatividad numérica para comprobar las predicciones de teorías más fundamentales que generan inflación, como la teoría de cuerdas.
Cuerdas cósmicas, universos en colisión
Existen también otras perspectivas interesantes. Los físicos podrían usar la relatividad numérica para intentar determinar qué tipo de ondas gravitacionales podrían generar los objetos hipotéticos llamados cuerdas cósmicas (cicatrices largas y delgadas en el espacio-tiempo), lo que podría ayudar a confirmar su existencia. También podrían predecir las señales, o «moretones», en el cielo de nuestro universo al colisionar con universos vecinos (si es que existen), lo que podría ayudarnos a verificar la teoría del multiverso.
Curiosamente, la relatividad numérica también podría ayudar a revelar si hubo un universo antes del Big Bang. Quizás el cosmos sea cíclico y experimente «rebotes» de universos antiguos a nuevos, experimentando repetidos renacimientos, big bangs y big crunchs. Este es un problema muy difícil de resolver analíticamente.
«Los universos en rebote son un excelente ejemplo, porque alcanzan una gravedad tan fuerte que no se puede confiar en las simetrías», afirma Lim. Varios grupos ya están trabajando en ellas; antes nadie lo hacía.
Las simulaciones de relatividad numérica son tan complejas que requieren supercomputadoras para su funcionamiento. A medida que la tecnología de estas máquinas mejore, podríamos esperar una mejora significativa en nuestra comprensión del universo. Lim espera que el nuevo artículo del equipo, que describe los métodos y beneficios de la relatividad numérica, pueda ayudar a los investigadores de diferentes áreas a ponerse al día.
«Esperamos desarrollar esa superposición entre la cosmología y la relatividad numérica para que los relativistas numéricos interesados en usar sus técnicas para explorar problemas cosmológicos puedan hacerlo», afirma Lim, y añade: «Y los cosmólogos interesados en resolver algunas de las preguntas que no pueden resolver, puedan usar la relatividad numérica».
Con información de Springer
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