Viacheslav Mujánov: «La cosmología nos ha demostrado que la relatividad y la mecánica cuántica están presentes desde las escalas más grandes a las más pequeñas»

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Fotografía: Begoña Rivas

Viacheslav Fiódorovich Mujánov (Kanash, 1956) es cosmólogo, físico teórico y profesor en la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich. Formado académicamente en Moscú en la década de 1970, pronto dirigió su carrera hacia la cosmología, la rama de la física que estudia las propiedades del universo como un todo. Los años noventa fueron revolucionarios para este campo, con el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando y las observaciones del fondo cósmico de microondas por parte del satélite COBE. Mujánov vivió esta revolución en primera persona, porque los sucesivos descubrimientos fueron dando la razón a los trabajos que él había iniciado a lo largo de los ochenta. Hoy la cosmología es uno de los campos más activos de la física y ya no se puede decir que sea prometedor, porque, una tras otra, no deja de cumplir promesas.

¿A qué nos referimos cuando decimos «las estructuras del universo»? Cuando miramos al cielo vemos, sobre todo, estrellas. Es lógico: el espacio es muy grande y las distancias, inhumanas. Todo lo que no es cercano y brillante simplemente es demasiado sutil, demasiado oscuro para los ojos humanos. Por fortuna tenemos los otros ojos: los telescopios, cámaras digitales y las gigantescas antenas de radio; gracias a ellos sabemos que hay de todo ahí fuera: planetas errantes, agujeros negros, nubes de gas caliente que contienen más materia que todas las estrellas juntas. Sabemos que la materia forma islotes en medio del espacio, las galaxias, y que las galaxias a su vez se mueven en enjambres, los cúmulos de galaxias. El universo está salpicado de estos archipiélagos de materia en los que encontramos objetos, grupos de objetos, grupos de grupos de objetos. Todas estas cosas son las «estructuras». Hoy en día, con los instrumentos adecuados, son fáciles de ver, medir y cartografiar.

Pero hubo una época, hace miles de millones de años, en la que el universo era simplemente una nube de gas caliente. La materia acababa de nacer y estaba toda mezclada, en un estado anárquico, desordenado: cualquier lugar del universo era igual a cualquier otro y no había ni rastro de ninguna estructura. Así pues, ¿de dónde salieron? ¿Quién puso la primera piedra de la primera galaxia?

Da un poco de vértigo. Es decir, unos señores que se plantearon cómo empezó el orden en el universo: cómo el caos se transformó en cosmos. La pregunta no es nueva. Es, de hecho, recurrente a lo largo de la historia. Pero la mayoría de los hombres que la abordaron, y ninguno de ellos era tonto, respondió con relatos, con fábulas que eran entretenidas pero eran solo eso: fábulas. Hace treinta y cinco años la cosa cambió. Apareció un puñado de humanos que se sentaron, tomaron lápiz y papel y armados solo con las leyes de la física encontraron una manera plausible de explicar cómo empezó todo esto. No sé si vértigo es exactamente la palabra, pero sin duda da algo.

A principios de los años ochenta la teoría del big bang era ya una teoría madura, llevaba varias décadas en la palestra, y estaba en ese momento asimilando algunos elementos nuevos, como la inflación. ¿Cómo es la teoría del big bang en la actualidad, comparada con la de entonces?

La cosa ha cambiado dramáticamente. En los años ochenta los datos experimentales en los que se basaba la teoría eran muy inseguros. Que el universo se expande estaba bien establecido, prácticamente nadie se oponía a ello. Pero había bastantes dudas respecto al otro gran observable de la cosmología, el fondo cósmico de microondas, porque no disponíamos de medidas precisas. Por ejemplo, en 1987 tuvimos un experimento japonés-estadounidense, el cohete de Berkeley-Nagoya, que obtuvo que el espectro del fondo cósmico se desviaba mucho del espectro de cuerpo negro, que es el que debía tener si el universo primigenio estaba en equilibrio. Si aquel experimento hubiera estado en lo cierto eso habría supuesto el fin de la cosmología, porque con un espectro así podríamos haber especulado durante décadas y nunca podríamos estar seguros de si lo estábamos entendiendo o nos lo estábamos inventando. Por fortuna se equivocaban: lo que estaban viendo no era el fondo cósmico, sino el ruido eléctrico de sus propias máquinas.

¿Esto fue en 1987?

1987, así es, hace menos de treinta años. Pero yo diría que no fue hasta los años noventa cuando la cosmología adquirió verdadera carta de naturaleza como ciencia. Fue gracias a COBE, el Cosmic Background Explorer, una misión espacial que estudió el fondo cósmico de microondas y concluyó que su espectro era perfectamente planckiano, como tenía que ser. Pero no se quedó ahí: COBE, por primera vez, fue capaz de ver las siluetas, los «embriones» de las galaxias, tal y como eran cuando el universo tenía solo trescientos mil años. Con el paso del tiempo esos embriones germinaron y dieron lugar a la estructura del universo que hoy vemos. Lo que COBE nos mostró fue una imagen completa de lo que podríamos llamar un «universo bebé», con todos sus rasgos, con todo lo necesario para convertirse en un universo con galaxias, estrellas, planetas y en última instancia con vida.

¿Qué son exactamente esos embriones, cómo los vemos?

Vemos algo parecido a una fotografía. La radiación de fondo dejó de interaccionar con el resto del universo cuando este tenía trescientos mil años, así que cuando la detectamos hoy estamos obteniendo una especie de fotografía retardada que nos muestra cómo era el universo en aquella época. Con los telescopios habituales podemos observar cómo es el universo en la actualidad, tras trece mil millones de años de evolución, mientras que con el fondo cósmico podemos verlo cuando todavía era un bebé.

Pero en el fondo cósmico de microondas no vemos galaxias como tales, no se habían formado todavía.

No, vemos sus progenitores, nubes calientes de gas cuando eran muy jóvenes. Estos progenitores están muy lejos de nosotros y no sabemos el aspecto que tienen hoy en día, pero asumiendo que las galaxias que sí vemos son similares, y que sus progenitores fueron similares a estos, podemos aprender cosas sobre el proceso de formación de las galaxias. Bueno, es un poco como hacer encuestas: en el mundo hay muchas personas, pero para saber cómo es la sociedad no tienes que hablar con cada uno de ellos, porque sabes que tienen muchas cosas en común.

Fondo cósmico de microondas

¿Qué es el fondo cósmico de microondas? Bueno, más o menos lo que su nombre indica: microondas que vienen del cosmos. En todas direcciones. Vienen de más allá del sistema solar, de mucho más allá de nuestra galaxia. En ellas no vemos estrellas ni galaxias ni cuerpos celestes que sepamos identificar, porque cuando estas microondas echaron a andar ninguno de ellos existía todavía.

La formación del fondo cósmico de microondas es una de las historias más bonitas que nos ha contado la física. Cuando el universo era joven estaba formado por partículas que se movían en todas direcciones y chocaban continuamente. La mayor parte de esas partículas eran fotones, las partículas que forman la luz, pero también había pequeñas cantidades de electrones, protones, núcleos de helio… y alguna más, pero eso ahora no viene a cuento. Un universo como este era opaco para la luz, porque los fotones chocan muy fácilmente con las partículas cargadas, como protones y electrones.

De vez en cuando un protón y un electrón se unían y formaban un átomo de hidrógeno, pero los átomos no duraban demasiado en este universo porque enseguida eran golpeados por alguien que pasaba por allí y se rompían. Por fortuna el universo está en expansión, y a medida que se expande también se enfría. Cuando la temperatura bajó por debajo de 3000 ºC las colisiones dejaron de ser suficientemente fuertes y los átomos de hidrógeno pasaron a ser estables. Protones y electrones empezaron a unirse a lo largo de todo el cosmos. Este proceso, llamado recombinación, tuvo un efecto espectacular en el universo: los átomos tienen carga cero, y la luz no choca con ellos tan fácilmente como con un electrón o un protón solitarios. O sea, que para los fotones el universo, que llevaba miles de años siendo una neblina opaca, se volvió transparente de repente. Trillones y trillones de fotones que llevaban miles de años encerrados en el plasma fueron liberados de repente, en el que probablemente sea el mayor fogonazo que nunca ha visto nuestro universo. Ese fogonazo es el fondo cósmico de microondas.

En el proceso de dejar escapar a los fotones el universo dejó imprimida su cara en el fondo cósmico. En primer lugar, dejó imprimida su temperatura: como todo el gas estaba más o menos a la misma temperatura la luz que salió de él tiene toda más o menos el mismo color. Cuando miramos mapas como el de arriba, en el que vemos zonas más calientes y otras más frías, lo que estamos dibujando es diferencias de temperatura minúsculas. Si pintáramos el fondo cósmico tal y como lo vemos, la elipse sería toda del mismo color, porque las diferencias son de una parte entre cien mil.

Y sin embargo esas diferencias son fundamentales. Durante treinta años, entre el descubrimiento de Penzias y Wilson y la misión COBE, el fondo cósmico era una fotografía plana en la que no se distinguía ningún rasgo. COBE fue el primer instrumento suficientemente preciso para distinguir esas partes entre cien mil y mostrarnos el siguiente nivel de detalle: nubes calientes y nubes frías, nubes que acumulaban materia, y que al evolucionar dieron lugar a millones de galaxias, y otras más pobres, que dieron lugar a vacíos, zonas huecas en las que las galaxias escasean. La pregunta es: si en este universo de trescientos mil años ya existían regiones frías y regiones calientes, ¿de dónde salieron?

Otra cosa que aprendemos de la radiación cósmica de fondo es que el universo era muy homogéneo en aquella época.

Mucho, efectivamente. En este universo de trescientos mil años de edad no hay estructuras como las que vemos hoy en día. Lo único que hay es una especie de «semillas» que después de crecer durante trece mil millones de años se han hecho adultas y se han convertido en galaxias. En realidad, es muy fácil de imaginar si piensas en cómo crecen los niños: lo que vemos con la ayuda del fondo cósmico de microondas son estructuras infantiles, prácticamente recién nacidas, y si cogemos un telescopio podemos ver la versión adulta. Pero hay algunas propiedades de estos «niños» que ya fueron predichas teóricamente a principios de los ochenta, cosas muy concretas como que el índice espectral ha de valer 0,96, y los experimentos que llegaron después encontraron precisamente estos números.

Vamos a hablar de otra de las piezas de esta historia: la inflación. ¿Qué papel juega en la formación de estructuras?

La inflación se encarga de hacer crecer las fluctuaciones cuánticas primordiales, que eran muy pequeñas, hasta convertirlas en estas semillas que vemos en el fondo cósmico y que ya tienen el tamaño de galaxias. Hay gente que, aún hoy, tiene dudas sobre si fue la inflación la causante de este crecimiento, incluso han sugerido explicaciones alternativas, pero en mi opinión es el mecanismo más sencillo. Para lo que nadie ha encontrado alternativa es para las propias fluctuaciones cuánticas, para esta idea de que ellas fueron el germen original de las estructuras. De hecho, tras las últimas medidas de la misión Planck, que coinciden con todas las predicciones teóricas, ya no queda margen para la duda y prácticamente nadie busca mecanismos alternativos. En comparación, si volvemos a mirar a los años ochenta, entonces sí que había decenas de teorías que competían por explicar el origen de las estructuras, y la de las fluctuaciones cuánticas quizá no era la más prometedora porque parecía en contradicción con muchas evidencias astrofísicas. Pero a lo largo de estos treinta años la tortilla se ha dado la vuelta: los datos astrofísicos han ido encajando poco a poco, desde las observaciones a través de telescopios hasta el fondo cósmico de microondas. Las fluctuaciones han ganado esta competición y las teorías alternativas están muertas, han sido descartadas.

La verdad es que así, de buenas a primeras, buscar el origen de las estructuras del cosmos en fluctuaciones cuánticas, que son tan pequeñas, no resulta evidente. ¿Por qué os lanzasteis a esa piscina? ¿Había algún tipo de motivación teórica?

Bueno, si la había la verdad es que yo nunca la conocí, porque lo único que yo quería era escribir mi tesis [risas]. Sí que es verdad que era una idea que nunca había sido explotada de forma sistemática. La gente había pensado sobre ello, pero hacía falta meterse en unos cálculos que eran bastante pesados. Además, era una época en la que no teníamos datos experimentales con los que comparar, y los pocos que había parecían contradecir lo que estábamos haciendo. Solo ahora, treinta y cinco años después, hemos podido poner a prueba todos los aspectos de la teoría.

Efectivamente, leí en un review tuyo que en aquellos momentos pensabas que este mecanismo iba a ser muy difícil de medir experimentalmente, y que te alegraste mucho al ver que otros grupos exploraban esta misma senda. En esos instantes, ¿pensabas que tu trabajo se iba a quedar en eso, como «un cálculo que estoy haciendo para mi tesis»?

No, como ya te he dicho en aquellos momentos la cosmología era casi como teología. La idea fundamental para acercarnos a este asunto de las fluctuaciones cuánticas era que el universo se estaba expandiendo, que había nacido en un estado extremadamente denso… por ejemplo, toda la materia que forma ahora mismo nuestra galaxia ocupaba entonces un espacio similar al de una caja de cerillas. Por esa razón no resultaba tan descabellado pensar que uno iba a poder explotar las propiedades de la mecánica cuántica para explicar las estructuras del universo, incluso a sus escalas más grandes. La mecánica cuántica normalmente solo es importante a escalas microscópicas. Nos permite, por ejemplo, explicar por qué los electrones no caen sobre los núcleos, o lo que es lo mismo: por qué la materia es estable. Pero a la vez también permite que tengamos iPhones. Sin mecánica cuántica te verías forzado a elegir: o bien iPhones y todos estos fantásticos dispositivos eléctricos o bien… tu vida. Y no sé lo que elegirías tú, pero yo… [risas] Pues bien, gracias a la mecánica cuántica no tenemos que elegir: el electromagnetismo y la materia pueden coexistir [1]. Creo que la teoría cuántica ha sido uno de los mayores logros científicos de la historia, y precisamente cumplirá noventa años el año que viene.

Inflación cósmica

A finales de los años setenta el fondo cósmico de microondas ya había revolucionado una cosmología que estaba todavía en pañales. Tras el descubrimiento de Penzias y Wilson a mediados de los sesenta, durante la siguiente década se pudo comprobar que el fondo cósmico era idéntico a la radiación que emite un cuerpo a -270 ºC. Todo indicaba que, literalmente, vivimos inmersos en un gran objeto que «brilla» a -270 ºC en todas direcciones. No había muchas maneras de justificar algo así. Por fortuna la relatividad general de Einstein nos informa de que la radiación que se mueve por un universo en expansión pierde energía continuamente: es como si le costara avanzar por el universo y se fuera cansando poco a poco. Aplicado a la radiación emitida por un cuerpo caliente, esto significa que se va a ir enfriando a medida que viaja. El resto consistía en sumar dos y dos: la gente cogió esa temperatura, hizo retroceder el reloj y se dieron cuenta de que si venía de los primeros tiempos del universo tenía que corresponder a materia muy caliente. Inmediatamente el fondo cósmico fue considerado el mejor espaldarazo posible a la teoría del big bang.

Pero junto con estas buenas noticias también trajo algunas preguntas desconcertantes: la gente no tardó en darse cuenta de que las regiones del universo que ahora veíamos en el fondo cósmico no estaban en contacto en aquella época. El universo era mucho más joven y ninguna partícula había tenido tiempo de viajar demasiado lejos. Entonces, ¿cómo era posible que todo, absolutamente todo el fondo cósmico estuviera a la misma temperatura? Lo lógico es que si todas esas regiones eran independientes tuvieran temperaturas diferentes.

Varios físicos trataron de dar respuesta a esta cuestión, pero fue el estadounidense Alan Guth el que encontró la solución que hoy consideramos más probable. Su idea era sencilla, elegante, casi trivial: si todo el universo temprano estaba a la misma temperatura era porque en un pasado aún más remoto todas sus partes habían estado en contacto. Esto era lo contrario de lo esperado: si hacíamos correr el reloj hacia atrás el círculo rojo de la imagen de arriba se haría más pequeño y el problema se agravaría, no se resolvería.

La idea de Guth era que, efectivamente, las partículas no podían resolver el problema porque no había manera de que recorrieran tanta distancia en tan poco tiempo. El trabajo duro tenía que hacerlo la expansión del universo. Cuando decimos «el universo se expande» lo que queremos decir es que el espacio se estira y trata de alejar los objetos unos de otros. Los objetos que están poco cohesionados, como puede ser una nube de gas, son arrastrados por la expansión: literalmente, la expansión los hincha como un globo. Guth pensó que un periodo de expansión extremadamente rápido podría haber tomado un pedazo muy pequeño de una nube de gas, suficientemente pequeño como para que estuviera todo a la misma temperatura, y haberlo hinchado hasta el tamaño del universo observable. Este periodo es lo que llamamos inflación.

Los detalles del cálculo de Guth eran sorprendentes: la inflación tendría que haber durado un suspiro, apenas 10-33 segundos (sí, 0,00…01 segundos, con 33 ceros de por medio), y durante ese suspiro el universo se habría expandido desde un tamaño menor que el núcleo de un átomo hasta el tamaño de un balón de fútbol. Para conseguir este espectacular estirón la velocidad de expansión tenía que haber sido mayor que la velocidad de la luz. El artífice de todas estas cosas sería una partícula, el inflatón, que interacciona de manera un poco peculiar con la gravedad y es capaz de desencadenar este periodo de expansión desbocada.

Hoy en día la inflación se considera un mecanismo muy exitoso, ya que responde a varias preguntas planteadas por el fondo cósmico de microondas y otros experimentos, y en general la comunidad considera que si no fue inflación lo que ocurrió en las primeras fracciones de segundo del universo debió de ser algo parecido. Sin embargo, cierto es que todavía no hemos podido tener acceso experimental a la época de la inflación y que el propio inflatón, que debería ser una partícula muy pesada, nunca ha sido observado.

 

En aquel momento, ¿cuál fue la actitud de la comunidad científica hacia estos trabajos? ¿Se los veía como algo muy especulativo?

Sí, muy especulativo. Y además tienes que pensar que en aquellos primeros tiempos la comunidad era muy pequeña. Los físicos de partículas, por ejemplo, no se tomaban la cosmología demasiado en serio porque no había prácticamente ningún hecho que la respaldara. La física de partículas estaba construida sobre un gran número de experimentos, de los que la cosmología carecía. En Rusia el campo empezó a tener cierta vida porque gente que ya había hecho cosas «útiles», cosas como bombas nucleares, empezaron a interesarse por la cosmología. Estoy pensando en Zeldovich, por ejemplo. Una consecuencia de esto es que, en realidad, había bastante libertad de investigación. No había presión, y como lo que hacíamos no parecía tener ninguna relación con la realidad podíamos hacer lo que nos viniera en gana. Desde luego, cuando la gente empezó a manejar la idea del universo inflacionario y se vio que con ella se podían resolver algunos problemas de física de partículas, como el problema de los monopolos, el campo empezó a atraer un poco de atención por parte de la comunidad de física de partículas. Pero antes de los noventa no había ningún experimento fiable, así que era todo blablablá, especulaciones.

¿Cómo valoras las aportaciones de Stephen Hawking a este campo, a la cosmología?

Creo que él llegó a las mismas conclusiones que nosotros usando métodos diferentes, y también lo hizo durante esa época en que estos temas no interesaban a casi nadie. La comunidad entonces era pequeña, y la comunicación entre la Unión Soviética y el exterior no era demasiado fluida. Personalmente me hizo muy feliz comprobar que se había acercado a la cuestión por su cuenta y la había abordado a su manera. Desde luego, Hawking fue un hombre de gran personalidad y un físico muy brillante.

¿Era mala la relación entre los físicos a un lado y a otro del telón de acero?

No es que fuera mala, pero no había demasiada comunicación. Yo, por ejemplo, no hablaba prácticamente nada de inglés antes de mi primer viaje a los Estados Unidos, en 1989. Y si te he de ser sincero no me importaba mucho. Lo que se hacía al otro lado, a pesar de todos sus recursos, no era cosmología. Hacían mucha astrofísica, y yo la conocía y la había leído: había una muy potente escuela inglesa, estaban los americanos, pero en esa época se dedicaban a cosas como formación de galaxias y tenían la vista fijada en un universo temprano, pero mucho más viejo que el que a mí me interesaba. Nadie pensaba entonces en un universo de fracciones de fracciones de segundo. A nosotros nos interesaba lo que había ocurrido en la primera millonésima de millonésima de millonésima de segundo, una época disparatada, tan loca que ni siquiera sabíamos qué física de partículas teníamos que usar. Por fortuna, al final resultó que no necesitábamos saberlo: la relatividad general, la teoría de la gravedad de Einstein, es tan potente que no se preocupa por la estructura microscópica detallada, por las interacciones fundamentales. Cuando la gravedad domina, domina sobre todo y convierte en irrelevantes los aspectos microscópicos de la física. Creo que la cosmología constituye la primera prueba experimental de que la relatividad general es universal más allá de la teoría lineal, más allá del régimen newtoniano. El régimen que la cosmología explora es comparable al que exploraríamos si pudiéramos observar un agujero negro. Bueno, si pudiéramos entrar dentro de uno, pero no creo que haya mucha gente dispuesta a hacer eso, porque, aunque se convertirían en personas muy sabias, no podrían compartir ese conocimiento con nadie [risas]. La cosmología, en este sentido, es única. No conocemos ninguna otra manera de tener acceso a campos gravitatorios tan intensos.

Y de hecho nos permite incluso poner a prueba los fundamentos de la mecánica cuántica, ¿verdad? Porque estamos hablando todo el rato de fluctuaciones cuánticas, que describen la probabilidad de que algo ocurra, y estas fluctuaciones se terminan transformando en estructuras reales, en objetos clásicos como una nube de gas o un cúmulo de galaxias. ¿Qué sabemos de cómo sucede esta transición?

Sobre esa transición cada cual tiene su propia opinión. Yo siempre hacía la broma de que si quisiera usar la interpretación de Bohr de la mecánica cuántica me vería obligado a decir que fue el primer astrónomo que miró al cielo el que desencadenó el colapso de las fluctuaciones cuánticas. Pero esto parece un tanto excesivo, ¿verdad? Así que yo prefiero considerar otras formas de interpretar la teoría cuántica. Por ejemplo, una de esas visiones alternativas fue sugerida en 1957, antes de que naciera la cosmología como ciencia, y se suele llamar la interpretación de Everett o de many worlds. En ella uno no necesita el concepto de colapso de la función de onda, que solo puede ser desencadenado por alguien que observa el sistema, y de esta manera la realidad sigue siendo la realidad y no depende de los observadores. Pero estas son consideraciones profundas con las que, creo, gran parte de los físicos no estarían de acuerdo, y es importante recalcar que estas consideraciones no tienen ninguna influencia en los cálculos. En física es muy importante ser capaz de calcular cierto número y después hacer un experimento y medir esa misma cantidad. Si la medida coincide con el número que habías calculado, entonces la gente se siente impresionada y empieza a tomarte en serio. Si la historia sucede al revés, es decir, que alguien mide un número y entonces tú haces un cálculo y obtienes el mismo número… la gente tiende a no estar tan impresionada.

En definitiva, la capacidad de predecir es muy importante en física. Y en lo que respecta a este mecanismo de formación de estructuras, la intuición sugería que uno puede empezar con las fluctuaciones cuánticas, amplificarlas de alguna manera, por ejemplo, gracias a la inflación, y como resultado de este esquema uno obtiene unas predicciones muy claras. El problema es que en los años ochenta todas estas predicciones estaban en total contradicción con las observaciones astrofísicas, pero nosotros sabíamos que esas observaciones no eran de gran calidad. Por ejemplo, uno no puede viajar a una supernova para ver de cerca cómo se produce, y eso genera unas incertidumbres sistemáticas que no puedes cuantificar fácilmente. Esas incertidumbres terminaron, en última instancia, salvando nuestra teoría. Por el contrario, cuando en los noventa llegaron las observaciones del fondo cósmico de microondas ahí sí que podíamos controlar bien las incertidumbres sistemáticas, de forma que esas observaciones eran asimilables a un experimento de laboratorio. Además, al estar observando un universo recién nacido también estás observando un universo simple y lo puedes describir usando física, porque a la física le gustan los fenómenos sencillos. Hoy en día, claro, el universo ha evolucionado hasta convertirse en algo muy complicado, algo casi biológico, y en este universo las teorías simples ya no funcionan tan bien.

¿Qué idioma habla la mecánica cuántica?

La teoría cuántica es, probablemente, la teoría física más exitosa de la historia. Sus métodos nos han permitido entender el mundo microscópico con un gran nivel de detalle y, en muchos casos, controlarlo. Hoy en día, casi cien años después de su formalización, sigue arrojando predicciones nuevas que los experimentos sistemáticamente confirman, casi sin sombra de duda. Es potente. Es maravillosa. Y hay un consenso casi generalizado en que no terminamos de entenderla.

El problema es que la teoría dice claramente que los sistemas físicos se comportan como si pudieran estar en varios estados a la vez: un único electrón puede participar de varios enlaces químicos, un neutrino se comporta como si tuviera varias masas al mismo tiempo… y un largo etcétera. Acostumbrados al mundo macroscópico estas propiedades nos resultan exóticas, un poco difíciles de digerir. Pero el lío de verdad llega cuando queremos hacer un experimento: resulta que si cogemos uno de estos sistemas que está «en dos estados a la vez» y medimos su estado nos encontramos… solo uno de ellos. Sistemáticamente los experimentos nos dan o el primero o el segundo, pero nunca ambos. Y las matemáticas de la teoría, que describen muy bien el sistema mientras no lo tocamos, no nos dan ninguna pista sobre qué pasa cuando abrimos la caja y miramos lo que hay dentro. En este punto es donde empieza el debate.

La interpretación ortodoxa, y la más aceptada hoy en día, se llama interpretación de Copenhague y fue establecida en el año 1927 por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Max Born y otros. Según esta visión las matemáticas de la física cuántica no nos hablan del sistema físico, sino de la probabilidad de que, al medir ese sistema, obtengamos un valor u otro para sus propiedades. De esta manera, la frase «un sistema que está en dos estados a la vez» significa realmente «un sistema cuyas propiedades tienen dos valores posibles». Según la interpretación de Copenhague las matemáticas de la teoría cuántica describen los posibles estados del sistema a partir del conocimiento que tenemos de él. Cuando hacemos un experimento y nuestro conocimiento del sistema cambia hemos de reflejar eso en las matemáticas, eliminando las posibilidades que no hemos encontrado y poniendo todo el peso sobre la que sí hemos visto: este proceso recibe el nombre de colapso, y en él se pierde para siempre toda la información que no ha sido observada en el experimento. La interpretación de Copenhague funciona como un reloj y es, en gran medida, la responsable del éxito de la teoría cuántica. A cambio ha de hacer una severa concesión: que la teoría no habla sobre la realidad sino sobre nuestro conocimiento de la realidad, y sobre cómo evoluciona ese conocimiento.

Esta concesión ha sido muy dura de admitir para muchos físicos, entre ellos Albert Einstein, que fue un firme defensor de la teoría cuántica pero un durísimo detractor de la interpretación de Copenhague. Esta corriente crítica piensa que la física debería describir la realidad, y no algo etéreo y quizá subjetivo, como «nuestro conocimiento». En este contexto se enmarca la interpretación de many worlds de Hugh Everett. Según esta visión, las matemáticas de la física cuántica representan estrictamente la realidad, incluso cuando hablan de varios estados a la vez. Lo que pasa, sencillamente, es que hay más de una realidad, pero nosotros solo experimentamos una. Según Everett, cuando las matemáticas dicen que un átomo puede tener dos energías a la vez hay una «capa de la realidad» en la que el átomo tiene una de ellas, y otra capa en la que tiene la otra. Si no medimos el átomo ambas capas están unidas, y por eso el sistema se comporta como si tuviera dos energías al mismo tiempo. Cuando medimos lo que hacemos es escoger una de esas capas, y esa elección es irrevocable: nosotros seguiremos transitando por esa capa y habrá otra versión de nosotros que habrá encontrado otro valor y que transitará la otra capa y tendrá una vida diferente a partir de ese instante. Esta interpretación recuerda a la idea de universos paralelos, pero es diferente a ella en un punto importante: las diferentes capas de la realidad una vez se han separado no pueden volver a reunirse.

En lo que respecta a los hechos, todas estas interpretaciones son idénticas: en todas obtenemos los mismos valores para las medidas, en todos los sistemas cuánticos se comportan de la misma forma. Solo disienten en cuál es la relación entre las matemáticas de la física cuántica y la realidad física. Son, por tanto, diferencias filosóficas. Es sorprendente que unas matemáticas que generan tanta polémica científica sean, a la vez, tan precisas y tan potentes a la hora de describir lo que vemos en el laboratorio. La mecánica cuántica está, cien años después de su nacimiento, más fuerte que nunca. Y sigue siendo, cien años después, un profundo e irritante misterio.

De hecho, en esa época el universo era tan simple que posiblemente no tenía toda la materia que vemos ahora. Por allá debía de andar este campo, el inflatón, que ni siquiera sabemos si es un objeto elemental o compuesto…

No, pero fíjate que el problema es que probablemente nunca seremos capaces de saberlo. Las predicciones, los números que la gente puede calcular y medir, no dependen de si el inflatón es elemental o es otra cosa. Todo lo que necesitamos saber de él es la forma en que interacciona con la gravedad, y uno puede imitar esas interacciones usando objetos que, microscópicamente, pueden ser muy diferentes. De hecho, la lección más valiosa que podemos extraer es que todos esos modelos terminan dando el mismo resultado, y esto está relacionado con la universalidad de la gravedad de Einstein.

¿Y cómo podemos tener acceso experimental a esa época? Es decir, tenemos el fondo cósmico de microondas, pero sabemos que es muy posterior. ¿Podría conservarse en él algún vestigio de épocas más remotas?

Una de las cosas que podemos intentar obtener de él, y es razonable que podamos lograrlo en los próximos años, es información sobre las ondas gravitacionales primordiales.

Las que el experimento BICEP2 creyó haber encontrado en 2014.

Las que dijeron erróneamente que habían encontrado, así es. En cuanto las publicaron yo ya dije que no podían ser correctas. Creo, de hecho, que hasta hablé de ello en una entrevista en el Süddeutsche Zeitung, así que está en negro sobre blanco. El problema de BICEP2 era que sus medidas entraban en colisión directa con las de Planck. De hecho, era un poco más que eso: Planck, BICEP2 y el modelo cosmológico estándar no podían ser ciertos a la vez, uno de ellos tenía que morir. Y como yo tengo mucha confianza en el modelo y en Planck, BICEP2 tenía las de perder. Y perdió, finalmente, medio año después, cuando Planck publicó sus propias observaciones y descubrió que lo que BICEP2 había visto no se debía a las ondas gravitacionales del universo temprano, sino al polvo de nuestra propia galaxia.

Vale, del fondo cósmico de microondas podemos extraer información sobre estas ondas gravitacionales primordiales. ¿Qué nos aportan, para qué las necesitamos?

Bueno, las ondas gravitacionales no son «necesarias», en el sentido en que podrían serlo las fluctuaciones cuánticas primordiales. El universo podría tener igualmente galaxias, estrellas y vida sin ellas, y todos estaríamos muy a gusto igual. Lo que sí necesitamos para sobrevivir son otros fenómenos gravitacionales, como por ejemplo los que dieron origen a las estructuras. Es incluso posible que la gravedad sea la responsable de la creación del universo, porque estos fenómenos gravitatorios en concreto, a diferencia de las ondas gravitacionales, tienen energía negativa, así que tú puedes empezar con nada, extraer energía de ese reservorio de energía negativa y terminar con un universo de billones de galaxias, cada una de ellas con miles de millones de estrellas.

Pero eso es precioso. Es uno de esos momentos en los que la física se vuelve bella: no solo explica, sino que también inspira.

Desde luego que sí, porque los físicos no existimos solo para la física. La física, como sabes, es la ciencia que aspira a describir la naturaleza de los fenómenos que observamos. Y a cierto nivel se trata solo de una especie de campo de juegos matemático en el que los físicos se divierten persiguiendo esta o aquella idea porque, como ideas, les parecen interesantes. Pero la física no sería una ciencia si no tuviera nada que ver con la realidad, así que en un momento dado hay que relacionar esas ideas con las cosas reales, y de repente estos juguetes que eran abstractos e inofensivos se transforman en el origen del universo, en la razón por la que estamos aquí. Y todo se vuelve mucho más profundo.

¿Y más allá del fondo cósmico de microondas? ¿Hay algo que nos pueda dar un acceso más directo a las primeras fracciones de segundo del universo?

La gente habla sobre diferentes ventanas para acceder al universo temprano. Por ejemplo, la línea de 21 cm del hidrógeno podría darnos información sobre la «edad oscura», que abarca desde los tiempos del fondo cósmico hasta la aparición de las primeras estrellas y de la que no sabemos prácticamente nada. Hay ideas para construir un gran telescopio en la Luna, que esté a salvo de las interferencias de radio de la Tierra. Pero sí, el fondo cósmico de microondas ha sido un éxito científico de tal magnitud, ha permitido tanta exploración y ha producido tantos resultados nuevos… bueno, ya sabes lo que les pasa a las cosas muy brillantes, ¿verdad? Que no suelen vivir demasiado. Como las supernovas: una estrella puede ser más brillante que una galaxia entera, pero no por mucho tiempo. Puede que sea esto lo que está pasando con el fondo cósmico de microondas.

Tengo mucha curiosidad por el entorno en la URSS donde aprendiste física en los años setenta. Tu director de tesis fue Vitali Ginzburg, que es una especie de mito de la física y las matemáticas. ¿Cómo era estudiar allí? ¿Había mucha presión?

No, no, no, en absoluto. Ginzburg era un tipo estupendo, sobre todo porque nunca interfería con mi trabajo. Él siempre me decía: «Mi labor como supervisor nunca es impedir que tú hagas lo que quieres hacer». Pero en realidad Ginzburg se convirtió en mi director cuando yo ya estaba haciendo el doctorado. Antes de eso tuve a otro supervisor, que decidió emigrar por motivos personales. Ginzburg era un hombre muy práctico, siempre dispuesto a ayudar, y yo diría que nunca ejerció nada parecido a presión. De hecho, no tengo la sensación de haber aprendido de él cosas concretas, del tipo «cómo hacer este cálculo», sino las de verdad importantes: cuál es la ciencia verdadera y cómo debe hacerla un buen científico. No cuestiones pragmáticas, sino otras, si quieres, más filosóficas. Él era un hombre que amaba la física y creo que lo que realmente me enseñó fue esa actitud.

¿Y cómo fue que terminaste trabajando en Múnich, en lugar de Rusia?

Ah, bueno. En fin, ya sabes que la Unión Soviética se desintegró, pero seguíamos teniendo que comer todos los días, así que empecé a buscar dónde podía ganar algún dinero. En esa época no era tan sencillo encontrar una fuente de ingresos, ni siquiera para comprar comida, ¿sabes? Una opción era robarlo, todo el mundo robaba en la Unión Soviética. Pero no era robar de la manera trivial, como tú lo entiendes, sino robar del Estado. El Estado se estaba desintegrando y se lo estaban dividiendo entre unos pocos. ¿Y qué pasaba con la ciencia entre tanto? Pues que te podías olvidar de ella. Como sabes, cuando una sociedad pasa momentos difíciles el Gobierno tiende a asfixiar a la ciencia.

Sí, eso es lo que ha pasado en España con esta crisis en la que estamos ahora.

Claro, pero la gente de los Gobiernos debería entender que no puede ahorrar excesivamente a costa de la ciencia, porque si logran destruir su propio tejido científico les va a ser imposible recuperarlo, independientemente de cuánto dinero inviertan. Porque no todo en este mundo es dinero, y hay cosas que por mucho dinero que tengas no puedes comprar. Por ejemplo, la salud, como todo el mundo sabe.

Totalmente de acuerdo. Bueno, alguien me dijo que hay una pregunta de física que no puedo dejar de hacerte: hay dos grandes misterios encerrados en esto de la formación de estructuras. Uno es la transición de lo cuántico a lo clásico, de la que ya hemos hablado, y el otro es lo que se llama reheating, el momento en que en el universo posinflación, que estaba frío y vacío, aparecieron las partículas que conocemos. Así que, ¿de dónde vinieron todas estas partículas que después recibirían la información de las fluctuaciones cuánticas?

Bueno, mira… no sé quién te ha dicho que me preguntes eso [risas]. Hay muchas explicaciones sobre cómo apareció la materia. Desgraciadamente, cuando uno tiene demasiadas explicaciones para algo suele querer decir que no tiene la buena. Por otro lado, este reheating ocurrió en un universo tan temprano y a tan altas temperaturas que parece imposible que vayamos a poder verlo en un experimento. Pero sabemos que lo que quiera que ocurriese fue un proceso microscópico, regido por algún tipo de física de partículas, y eso marca una gran diferencia con la teoría de las fluctuaciones cuánticas, que es un proceso gravitatorio, descrito por la relatividad general. Para entender el primero tienes que conocer las interacciones que están en juego a esas altas temperaturas, mientras que para el segundo te vale la misma teoría que usas para describir las galaxias. De hecho, las fluctuaciones cuánticas empiezan siendo muy pequeñas, pero justo después de terminar la inflación son enormes, gigantescas. Son tan grandes que ni siquiera un rayo de luz puede recorrerlas de parte a parte, o, mejor dicho, a la luz le iba a costar mucho más llegar de parte a parte de uno de estos embriones que el tiempo que llevaba existiendo el universo. Y, como sabes, nada puede moverse más rápido que la luz, así que esto significa que las diferentes partes de los embriones no podían comunicarse entre sí, estaban desconectadas.

Otra manera de verlo es pensar que los embriones, después de la inflación, habían crecido tanto que eran más grandes que el universo observable, y que cualquier cosa que ocurriera en este era de un tamaño ridículo en comparación con ellos. Para referirnos a esta situación decimos que los embriones quedaron «congelados» justo después de la inflación. En ese momento es cuando se produjo el reheating, y los embriones no se enteraron de nada, no queda en ellos ninguna pista de cómo sucedió o quién fue el responsable. Pero ya sabes, a medida que el tiempo pasa la luz va recorriendo regiones cada vez más grandes, y en un momento dado ha pasado tiempo suficiente para que un rayo de luz llegue de lado a lado de un embrión. Entonces decimos que «vuelve a entrar en el universo», se descongelan y empiezan a evolucionar e interaccionar. Los embriones que vemos en el fondo cósmico de microondas, aunque se crearon cuando el universo tenía apenas fracciones de fracciones de segundo, permanecieron trescientos mil años congelados hasta que volvieron a entrar y dejaron su impronta en el universo de esa época.

Esto me parece fascinante, porque las fluctuaciones se originaron en esta época tan temprana, cuando probablemente no existía aún la materia ordinaria, se pasan un tiempo en el congelador y, al final, terminan transmitiéndose a la materia que se ha creado por en medio. Así que estamos viendo unas fluctuaciones que no se originan en la materia, pero las observamos en la materia.

Es verdad que las vemos en la materia, pero lo que estamos viendo realmente es el campo gravitatorio que afecta a esa materia, y hasta cierto punto es irrelevante de qué se compone esa materia. Pero como te he dicho, tal y como yo lo veo hay muchas teorías para explicar cómo apareció toda esa materia, te podría escribir ahora mismo un lagrangiano o dos. La cuestión aquí no es la falta de explicaciones, sino el exceso de ellas. Es como este escritor ruso, Alexander Griboyédov, que escribió una obra de teatro muy buena y también una buena pieza musical. Un día uno de sus criados le dijo: «Tiene usted demasiadas opiniones. Cuando uno tiene tantas opiniones es que realmente no tiene opinión».

Estructuras a partir del vacío cuántico

El universo a gran escala se compone de galaxias y nubes de gas. Estas se agrupan en cúmulos, y después en supercúmulos y densos filamentos como los que vemos en la imagen de arriba. El fondo cósmico de microondas nos revela que esas estructuras surgieron de regiones más densas y menos densas en la nube de gas primordial. Pero ¿cómo se formaron, a su vez, esas regiones? A fuerza de hacer preguntas, como Tomás de Aquino, nos remontamos más y más atrás en la vida del universo. Los trabajos de Mujánov, Hawking y otros a principios de los años ochenta nos proporcionaron un mecanismo científico para llegar hasta el fondo de la cuestión.

La idea fundamental es paradójica: el molde para dar forma a las estructuras nos lo pudo dar… el vacío. La física cuántica nos enseña que el vacío es un estado físico: no es solo la ausencia de partículas, sino el estado en el que está la realidad cuando no hay partículas. Como tal estado, almacena energía, y esta energía se puede medir y tiene efectos físicos que hemos observado en el laboratorio. Sin embargo, el vacío distribuye su energía de forma irregular en el espacio: acumula más en algunas zonas, de forma aleatoria, mientras que en otras hay un déficit. A esta disposición aleatoria, que cambia continuamente, la llamamos fluctuaciones del vacío. Cuando simulamos las fluctuaciones en un ordenador el resultado no es tan diferente a lo que observamos en el fondo cósmico de microondas. ¿Podrían ambos fenómenos estar relacionados? En principio no parece probable, porque uno y otro se diferencian por un importante detalle: las regiones del fondo cósmico miden millones de años luz y las regiones que crea el vacío son microscópicas. ¿Hay alguna manera de hacer crecer estas microrregiones que el vacío cuántico nos regala?

Desde luego que la hay: la inflación, que al principio de la vida del universo transformó objetos minúsculos en cosas gigantescas. Así que la secuencia de los hechos debería ser la siguiente: al inicio del universo, antes de la inflación, no sabemos qué partículas habría, pero fueran las que fuesen también tenían un vacío. Este vacío también creaba zonas microscópicas con un poco más de energía y otras con una ligera carencia. Estas zonas, a su vez, creaban un microcampo gravitatorio: donde había más energía el campo era un poco más intenso, donde había menos era un poco más débil. Entonces, de repente, llegó la inflación: las partículas, el vacío y lo que quiera que allá hubiera fue arrastrado por la expansión del espacio-tiempo y dispersado a lo largo de miles de millones de años luz. Los pequeños campos gravitatorios creados por el vacío también fueron agrandados, hasta darles un tamaño mayor que el de una galaxia. Eran campos extremadamente débiles, pero estaban ahí.

Durante un tiempo el universo no se entera de nada de todo esto: la inflación cesa, las partículas de la materia que conocemos aparecen no sabemos muy bien cómo, y llenan el universo. Y entonces, de repente, se dan cuenta de que hay un montón de campos gravitatorios distribuidos por el espacio: son los que el vacío y la inflación les han regalado. Obedientes, las partículas se van moviendo hacia donde el campo gravitatorio es más intenso, y esas zonas empiezan a acumular materia, aunque muy poco a poco porque son campos muy débiles. El tiempo pasa, se forman los átomos de hidrógeno y hay un gran fogonazo: ha llegado el fondo cósmico de microondas, y en él vemos un retrato fiel de lo que había en el universo: una nube de materia bastante homogénea, pero en algunas regiones se acumula un poco más de materia y están un poco más calientes. El escenario ya está dispuesto para el drama. El resto, como suele decirse, es historia.

Una cosa que he aprendido en nuestra conversación de hoy es esta idea de que la relatividad general de Einstein es una teoría de largo alcance, que sirve para describir cúmulos de galaxias, pero también puede llevarnos hasta el inicio del universo. Nunca lo había pensado de esa manera.

Pues así es. Creo que la cosmología nos ha demostrado que la mecánica cuántica y la relatividad general están presentes desde una escala de 10-27 cm, que es una distancia increíblemente pequeña, billones de veces menor que un átomo, hasta una escala mucho mayor que la de las galaxias, comparable al tamaño del universo. De hecho, con estas medidas de las «inhomogeneidades» en el fondo cósmico de microondas lo que estamos haciendo es examinar experimentalmente la validez de relatividad general + mecánica cuántica en un rango de distancias y energías mucho mayor que el que hemos observado para ninguna otra teoría.

Qué irónico, ¿no? Podemos examinar la gravedad y la mecánica cuántica en un rango de escalas descabelladamente grande, pero, sin embargo, seguimos sin poder diseñar una teoría aceptable de gravedad cuántica.

No, cuidado: no tenemos una teoría de lo que llamamos «gravedad cuántica no perturbativa», pero cuando tú «cuantizas» estas fluctuaciones del campo gravitatorio que luego darán lugar a los embriones de las galaxias eso también es hacer gravedad cuántica. Es verdad que es el régimen más simple de gravedad cuántica, pero en cierta manera es también el más útil, porque nos permite explicar el universo en que vivimos. La gravedad cuántica que todavía no tenemos es la que nos permitiría explicar, por ejemplo, qué ocurre en el centro de los agujeros negros, pero esa pregunta no es tan interesante en términos prácticos porque nadie va a viajar hasta un agujero negro para medir qué ocurre en su centro. Otra cosa que tampoco podemos responder es, si tuviéramos un agujero negro que se está evaporando, emitiendo radiación como Hawking predijo, cuál sería el destino final de ese agujero negro. ¿Se evaporará completamente? ¿Dejará un remanente, un objeto compacto pero estable? Todas estas preguntas, que son preguntas sensatas aunque sean hipotéticas, no sabemos responderlas. Pero si nos atenemos a las cosas que podemos observar y medir creo que tenemos respuesta para prácticamente todas las preguntas de gravedad cuántica perturbativa. Así que cuando la gente habla sobre gravedad cuántica creo que deberían pensar para qué la necesitan, porque argumentar que las teorías deberían ser internamente consistentes normalmente no será suficiente. La física siempre tiene, en un lugar o en otro, huecos, aspectos que la teoría no explica, y eso la convierte en mucho más interesante. La manera de llenar esos huecos es hacer experimentos, porque ninguna teoría puede llenarlos basándose solo en el rigor matemático.

En fin, estamos terminando y hemos estado todo este rato hablando de cosas que hiciste hace treinta y cinco años. ¿Qué has estado haciendo en los últimos tiempos?

Pues muchas cosas interesantes. Después de estos trabajos de los que hemos hablado pasé un tiempo desarrollando la teoría que se deducía de ellos. Lógicamente, cuando eres el primero que hace un cálculo luego tienes que explorar todo tipo de posibilidades que emergen de él. Dediqué un tiempo, por ejemplo, a comprobar que la teoría es autoconsistente. También trabajé durante unos tres años en la interpretación de many worlds de la mecánica cuántica, de la que hemos hablado antes. En el año 85 estuve pensando en pasarme a la computación cuántica, pero al final la cosa no terminó de cuajar. Actualmente me estoy concentrando en los aspectos más matemáticos de las teorías: he trabajado en la geometría no conmutativa de Ali Chamseddine y Alain Connes, por ejemplo. Siempre hay cosas interesantes que hacer en física. No es bueno que toda la comunidad se ponga a correr como loca en una sola dirección. Las mejores cosas las terminas encontrando en los sitios a los que nadie quiere ir. Has de ser original, ese es el secreto. En cierto sentido la física teórica es como la pintura: no solo consiste en encontrar tu propio estilo, sino en encontrar uno que sea útil. Y también has de estar pensando todo el tiempo en cómo cambiar tu estilo. En pintura no hay muchos Picasso Goya, que puedan ir de un extremo al otro de su arte. También en esto la buena física teórica es como la buena pintura.


Nota:

[1] Mujánov está pensando en que antes de la teoría cuántica los físicos se imaginaban los electrones como bolitas de masa con carga, y los átomos como pequeños sistemas planetarios en que esas bolitas giraban alrededor del núcleo debido a la fuerza eléctrica. Pero el electromagnetismo de Maxwell, conocido desde el siglo XIX, dejaba bien a las claras que una carga que gira ha de emitir radiación. Es el principio que hay detrás de las antenas: electrones que se mueven arriba y abajo y que emiten ondas de radio. Los átomos, si fuesen sistemas planetarios, no serían otra cosa que una antena muy pequeña, y los electrones deberían emitir radiación, perder velocidad y estrellarse contra el núcleo. En definitiva, según el electromagnetismo los átomos no deberían existir. La mecánica cuántica resolvió esta contradicción cuando nos descubrió que los electrones no son esferas que giran, sino nubes de carga que están abrazando al núcleo desde todas las direcciones, sin necesidad de movimiento.

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2 comentarios

  1. Valhue

    Entrevista apasionante, pero mejoraría si las imágenes a las que hacen constante referencia en el artículo estuviesen incluidas en el artículo.

  2. Estas excelentes divulgaciones no dejan de ser inquietantes, y mi primera reacción tendría que ser… pero dónde diablos vinimos a parar! Y creo que si nuestros gobernantes asumieran esta precariedad en la cual existimos, otras serían sus visiones para la humanidad.
    PD: Me gustaría que esos universos paralelos de los cuales hablan fueran el resultado de las infinitas frecuencias que hacen únicos a sistemas tiempo-espacio-materia como en el que existimos. Si una onda de radio o electromagnética contiene infinidad de otras subordinadas (como cuando escuchamos una sinfonía, sabiendo que si nos adentramos en su frecuencia sonora principal encontraremos otras que la componen, como los arcos, los bronces y las cuerdas. Todas existen a la vez con precisión e independencia) y si como dicen, que el tiempo y el espacio son relativos, nada se opondría para que existan paralelamente. Gracias por lectura.

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