Penrose plantea un nuevo modelo cosmológico

A lo largo de la historia de la ciencia del siglo XX han existido diferentes modelos cosmológicos cíclicos. El original modelo de Friedmann propuso que nuestro universo es un estadio más de una sucesión ilimitada de universos cerrados que nacen y colapsan en extrañas singularices físicas. Animado por Einstein, Tolman relacionó ideas relativistas con leyes termodinámicas para formar un nuevo modelo cíclico del universo con una flecha temporal definida, sin incluir los grados de libertad de la gravedad.

El modelo de Smolin ofrece una visión más reciente acerca de múltiples universos bebés originados en las singularidades de los agujeros negros. La amplísima gama de tipos universos explica el origen de la vida en términos de probabilidad. Otras tentativas en teoría de cuerdas como el modelo de Veneziano se basan en nuevas geometrías sin lograr evitar las irregulares singularidades. Hawking consiguió eliminarlas en sus modelos cosmológicos sin fronteras. Ashtekar y Bojowald han conseguido el mejor modelo sin singularidad inicial, usando novedosas aproximaciones a la gravedad cuántica. Sin embargo, ningún modelo cosmológico ha incluido aún los grados de libertad gravitatorios. ¿Es posible un nuevo modelo mejorado?

La Mecánica de Newton y la Relatividad General de Einstein son teorías físicas locales con simétrica temporal. En contra de la experiencia psíquica fenomenológica, no admiten una dirección temporal: pasado y futuro son simétricos. No existe, pues, un flujo del tiempo desde el pasado hacia el futuro. Por simetría, tampoco existe un flujo hacia el pasado; simplemente, el tiempo no fluye. No fluye porque no tiene por donde hacerlo. El espacio-tiempo de Einstein es una única estructura de cuatro dimensiones donde espacio y tiempo son finitos y están predeterminados.

Las actuales teorías físicas constituyen un conjunto completo de leyes físicas locales, en referencia a un espacio-tiempo que permite describir la historia del Universo hasta el mismo Big Bang. El Big Bang como singularidad geométrica primordial no pertenece en sí mismo al canon del conocimiento físico, pues las vigentes leyes físicas no pueden aplicarse a algo que no pertenece al espacio-tiempo: no es posible predecir lo que sucede en una singularidad.

La segunda ley de la Termodinámica afirma que todos los procesos irreversibles en el Universo conllevan un incremento global de la entropía, es decir, de la magnitud que cuantifica el grado de desorden o desinformación de un sistema termodinámico. Este aumento de entropía nos permite diferenciar el antes y el después de todo proceso irreversible. Todo estado posterior se corresponde con una mayor cantidad de entropía o desorden, distinto del antes con menor desorden. El aumento de la entropía nos permite, pues, diferenciar un sentido positivo del flujo temporal. Es decir, definir una flecha del tiempo coherente con la experiencia subjetiva.

De acuerdo con la Termodinámica, todo sistema en equilibrio termodinámico tiene un nivel máximo de entropía. Parece existir entonces una contradicción entre la flecha del tiempo termodinámica y las observaciones cosmológicas que conducen a un estado primordial de máxima entropía. Si, realmente, el Universo partió de un estado termalizado máximamente desordenado, entonces no es posible explicar el origen de las actuales estructuras materiales y la Segunda Ley queda sin explicación lógica plausible. Sencillamente, toda la energía del universo en equilibrio térmico es inútil.

La energía funcional precisa de variaciones en la entropía que, a su vez permiten la emergencia de las estructuras físicas para originar la vida. El Big Bang no pudo ser un estado primigenio en absoluto equilibrio térmico. La interacción física dominante, la gravedad, debió de desempeñar un papel relevante.

La vida en la Tierra depende del sol. No es del todo cierto que el sol sea una fuente de energía para la tierra, pues la potencia recibida de la luz solar es similar a la emitida por la Tierra de vuelta al cosmos. La clave es la diferencia de energía entre el sol y el cosmos. Los fotones procedentes del sol poseen mayor energía-frecuencia que los fotones reflejados por la tierra debido a un corrimiento al rojo por dispersión.

En consecuencia, para mantener el equilibrio radiativo, debe haber un mayor número de fotones reflejados por la Tierra que el número de fotones recibidos. Este aumento del número de fotones supone mayor posibilidad de desorden y, por ende, un incremento de entropía en la energía devuelta al cosmos.

Los seres vivos se sirven de este proceso a través de la fotosíntesis. Toma la energía ordenada del sol y la devuelven con mayor entropía, beneficiándose de un estado vital ordenado que consigue oxígeno a partir de dióxido de carbono. Herbívoros y carnívoros aprovechan el oxígeno para controlar su entropía vital. La energía ordenada del sol, que hace emerger las estructuras complejas de la vida, procede de procesos nucleares en el interior solar que, en última instancia, dependen de la interacción gravitatoria.

De nuevo la gravedad se entrelaza con la Segunda Ley en los procesos evolutivos que desembocan en el origen de la complejidad material, las estructuras conformocionales de los seres vivos y, en definitiva, en la dinámica psíquica que permite la sensibilidad y la conciencia en el mundo físico. La activación de los grados de libertad gravitatorios, latentes en el comienzo del universo, permiten explicar la evolución temporal de la materia hacia la emergencia de la gran diversidad psicobiofísica presente en nuestro universo. Pero, ¿podemos saber más acerca del mismísimo Big Bang?

Las principales evidencias de la expansión del universo se basan en la velocidad de recesión de las galaxias observada por Hubble, la radiación de fondo de microondas descubierta accidentalmente por Penzias-Wilson y las recientes observaciones de los grupos de Perlmutter y Schimdt sobre la creciente aceleración de la expansión cósmica.

La radiación de fondo presenta un ajustadísimo espectro de cuerpo negro, que revela una radiación procedente de un estado universal en equilibrio termodinámico muy próximo al Big Bang. En sintonía con la Segunda Ley, este estado de equilibrio termodinámico se correspondería con una entropía máxima, contrariamente a lo razonablemente esperable: un universo inicialmente ordenado que evoluciona temporalmente hacia estados globales de mayor entropía.

Penrose propone que la gravedad incrementa la entropía de un estado de materia uniforme al formarse cúmulos de alta densidad derivados de la formación de agujeros negros. La entropía de los sistemas gravitatorios intensos supera la elevada entropía de la radiación de fondo. En las primeras etapas del universo, dominado por la radiación, la gravedad era una interacción secundaria debido a la alta homogeneidad del universo primitivo. La enorme entropía potencial, asociada a latentes grados de libertad gravitatorios, haría posteriormente emerger estructuras complejas. La cosmología de Penrose se desvía de los modelos cíclicos clásicos al incluir estos grados de libertad gravitatorios. De este modo el universo surgió de un estado primordial extraordinariamente ordenado.

Una singularidad es una obstrucción del continuo espacio-tiempo. Así como el Big Bang se asocia con la singularidad física que origina el tiempo, los agujeros negros representan el final del tiempo. Son el problema simétrico temporal del Big Bang. Cualquier trayectoria causal en el universo estirada hacia el pasado comienza en el Big Bang. Análogamente, la inevitable singularidad espaciotemporal del agujero negro es el futuro final de cualquier objeto atrapado por el agujero negro.

Sin embargo, el razonamiento de Penrose sobre la diferencia de entropía entre estos dos sucesos establece una asimetría. El Big Bang es una singularidad de una extraordinaria baja entropía comparada con la elevadísima entropía que caracteriza a las singularidades en los agujeros negros.

En el Big Bang el universo estaba tan caliente que la energía cinética de las partículas superaba su energía en reposo. Por tanto, la materia podría considerarse con masa despreciable o, sencillamente, sin masa efectiva. También el bosón de Higgs, que dota de masa a las demás partículas salvo a sí misma, tendría una masa efectiva nula como los fotones de la radiación. Las partículas sin masa son independientes de la métrica del espacio-tiempo. Necesitan y les basta una parte denominada geometría conforme, que es insensible a los cambios de escala locales.

Los fotones son partículas sin masa que median entre los campos electromagnéticos. La electromagnética teoría de campos es invariante bajo transformaciones de la métrica conforme. Esto quiere decir que las soluciones de las ecuaciones de Maxwell en una determinada escala conforme se corresponden exactamente con las soluciones para otra elección cualquiera de escala. Los fotones sólo necesitan que el espacio-tiempo tenga estructura de cono nulo (estructura espaciotemporal conforme) sin necesidad de un factor de escala que distinga una métrica de otras.

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