Iván Agulló es licenciado y doctorado en física por la Universidad de Valencia. Además, ha sido el primer investigador español en recibir el primer premio del prestigioso concurso de ensayos sobre gravitación de la Gravity Research Foundation en 2011. Este galardón ha sido otorgado en las dos últimas décadas a investigadores de la talla de Stephen Hawking, Roger Penrose y diversos ganadores del Premio Nobel. En 2017, Agulló volvió a obtener el primer premio, convirtiéndose en uno de los pocos científicos en recibirlo dos veces. En Hipertextuañ hemos hablado con él de su libro *Más allá del Big Bang (Debate, 2020), en el que cuenta de una forma sencilla todo lo que la física sabe de la evolución del universo.En el libro hablas de dos Big Bangs, ¿cuál es la diferencia entre el Big Bang y el Big Bang caliente?*
Son dos conceptos para los que usamos un nombre muy similar y, por tanto, se confunden. Su diferencia se ha ido desarrollando con el tiempo, según la cosmología se ha ido desarrollando la diferencia entre ellos se ha hecho más clara. Por tanto, los libros más antiguos todavía no explican con claridad cuál es la diferencia.
Con el Big Bang, es decir, cuando nos referimos a la singularidad o al origen del universo, se refiere a esta predicción de la Teoría de la Relatividad que es el origen del universo, que antes de ese instante no existía ni el tiempo ni el espacio. Es el lugar más hacia el pasado al que uno puede llegar si extrapolamos la historia del cosmos, llega a una frontera y esa es el Big Bang.
Pero eso no quiere decir que ese sea el instante en el que se desarrolló la materia tal y como la conocemos. La materia, tal y como la conocemos, se creó en el Big Bang caliente. Ese fue el instante en el que universo, que antes era frío desde la singularidad del Big Bang hasta el Big Bang caliente, el universo era esencialmente vacío. No existían partículas que pudiéramos medir tal y como las podemos medir ahora, y si no hay partículas, se puede decir que la temperatura es cero.
Fue al principio de la inflación cuando una energía enorme que había acumulada en el universo debido a esta inflación, de repente se convirtió en partículas tal y conforme las conocemos. El universo pasó de estar frío a estar lleno de partículas y caliente, partículas y radiación aparecieron. Pero ese no es el origen del universo, la inflación ocurre antes del Big Bang caliente.
El mensaje principal que quiero comunicar en esta obra es que la idea de que el universo comenzó hace 14.000 millones de años y ese fue el inicio y antes de ese instante no existía el universo, por mucho que lo hayamos oído, escuchado y leído, no es cierta. La respuesta es que no sabemos si comenzó en un Big Bang o no. No sabemos si el universo tuvo un comienzo o no.
Cuando una persona piensa en el vacío, se lo imagina como la ausencia de cosas, pero ¿qué pasa a nivel cuántico? ¿Eso es así también?
Eso no es así. La noción clásica del vacío -todo lo que no es cuántico, es clásico-. La noción clásica era justamente esa: la Nada. La ausencia de todo. Lo que queda cuando quitas todo lo que hay.
Con la Física Cuántica hemos aprendido que eso es una idealización y no existe realmente en la naturaleza. Pensábamos que era así, pero nos hemos dado cuenta de que no, que en la naturaleza no existe la Nada como tal. Y eso se debe a que la física cuántica nos ha enseñado, primero que dado cualquier sistema físico, por simple que sea, el estado con menos energía -no tiene por qué ser igual al cero, hay veces que la mínima energía no es ni siquiera cero- y, además de eso, fluctuaciones en la energía breves en el tiempo, es decir, pequeños cambios que ocurren en un instante brevísimo de tiempo, también son imposibles de eliminar. Por tanto, el vacío cuántico, que es el vacío real en la naturaleza, es mucho más rico de lo que nos hubiéramos podido imaginar, es mucho más rico y complejo que la idea clásica de Nada que teníamos.
A mi me parece una idea física con un impacto filosófico enorme. Digamos que, solo en tu interior, el llegar a entender que el concepto de Nada no existe, es una idea filosófica profunda. Y hoy en día no estamos completamente seguros de que eso es así, hasta el punto de que lo comprobamos en el laboratorio continuamente, que esas fluctuaciones de energía existen. Y lo que cuento en Más allá del Big Bang es que, en el contexto de la cosmología, tienen un papel fundamental.
¿Cómo explicaría la Teoría de la Relatividad de Einstein de una forma sencilla?
Depende de lo que quieras llamar sencillo (risas). Me voy a ceñir en las ideas principales porque esta teoría incluye muchos fenómenos.
Primero, ¿qué es? La Teoría de la Relatividad General de Einstein es una teoría sobre qué es el espacio y el tiempo y sobre la gravedad. Esas tres cosas. Y, además, las pone juntas de una manera que antes no pensábamos. Antes de Einstein, las ideas que teníamos sobre esos tres conceptos, espacio, tiempo y gravedad, venían de Newton. Él nos dijo que el espacio es un contenedor en el cual la física ocurre, que no se altera por nada ni por nadie. El tiempo, igualmente, es un reloj absoluto que existe en el cosmos, que no se altera por la presencia de otros cuerpos: nunca se modifica y es el que es, nunca se modifica, existe por siempre y existirá por siempre. Y la gravedad es una fuerza que se da entre cuerpo que tienen masa: si yo tengo masa y la Tierra tiene masa, pues nos atraemos.
Einstein introdujo en su teoría una revisión radical de estas ideas. Lo primero, esta teoría de Einstein nos dice que esa idea de espacio es un contenedor inerte, es falsa. El espacio es maleable, se modifica en consonancia con lo que tenga dentro. Para mi esa es otra de las ideas que dan un impacto psicológico enorme. El espacio en sí mismo se adapta o se amolda, cambia con la materia que hay dentro. En particular, la materia curva el espacio. Y lo mismo ocurre con el tiempo, esto es incluso más difícil de imaginar porque el tiempo tiene un contenido filosófico muy fuerte y al ser humano le cuesta muchísimo imaginarse que el tiempo también se modifica, pero es así. De modo que el espacio y el tiempo, su estructura, depende de la cantidad de materia y su distribución en el universo.
Y luego Einstein nos enseñó que la gravedad no es una fuerza, que esa idea de Newton era demasiado simple. La gravedad no es más que esta deformación del espacio, una gran masa como el Sol curva, deforma el espacio. Y otra masa, como la Tierra, cuando se propaga cerca del Sol deja de seguir una línea recta, pero no porque hay una una fuerza sino porque el propio espacio se ha curvado. La Tierra continúa por la línea natural que le brinda el espacio que está curvado. La teoría de Einstein quita de la lista a la gravedad de la lista de fuerzas fundamentales. Ya no es una fuerza sino que la identifica con la geometría del espacio. Es realmente una visión radicalmente nueva que combina de forma brillante y elegante tres nociones que antes se pensaban disconexas y separadas, que es espacio, tiempo y gravedad.
**Para que una de las soluciones de la Teoría de la Relatividad General fuera un universo estático, Einstein añadió la constante cosmológica. Aunque se ha demostrado que el universo está en continua expansión, sí que parece que hay algo que acelera esta expansión, ¿entonces existe la constante cosmológica de Einstein?**
Es una de estas paradojas de la historia. Lo de Einstein es algo que yo nunca he acabado de comprender. Einstein estaba convencido de que su teoría representaba la naturaleza y como tal, aceptó que la forma del universo podía ser esférica en tres dimensiones, plana o curva. Sin embargo, no aceptó que cambiase en el tiempo. Es decir, él aceptó que la forma en el presente del universo fuera diferente de una caja o un espacio tridimensional plano, eso lo aceptó. Pero es que su teoría decía que tenía que cambiar en el tiempo, que iba a expandirse o contraerse… Y eso sus prejuicios no le permitieron aceptarlo. Entonces, modificó su teoría para hacer que un universo que no cambiase se encontrase entre las posibles predicciones. La modificación era simple, aunque a él tampoco le gustó. Él se guiaba muchísimo por la belleza de las ecuaciones y escribió algo como que el nuevo término era horrible y le costaba pensar que la naturaleza tuviera ese término tan horrible, pero no tenía más remedio que ponerlo si quería que el universo fuera estático.
El problema es que esa solución, esa noción de estatividad era equivocada y él no se dio cuenta sino que se dieron cuenta otros y era inestable. Era tan inestable como un huevo puesto en el pico de una montaña, lo puedes poner, pero al mínimo viento que venga, el huevo se va a caer. Aunque matemáticamente la solución existe, físicamente no porque la solución es inestable. Tarde o temprano el universo se va a desplazar de esa situación. Él aceptó su error y que era inestable y que, por tanto, físicamente su solución no era buena. Y luego, además, aceptó que el universo se expandía porque las observaciones así lo mostraban y, como gran científico que fue, dijo bueno, yo pensaba que esto era así, pero las observaciones me han demostrado que no tenía razón y lo acepto.
La constante cosmológica provoca un efecto de gravedad repulsiva, que compensaba en la solución de Einstein exactamente con la atracción de la materia ordinariamente. Hoy nos hemos dado cuenta de que el universo se expande de forma acelerada, como si hubiera algo que produce gravedad repulsiva y, por tanto, hemos de aceptar que esa corrección que introdujo existe, aunque por una razón diferente a la que él creía. Él la quería para compensar exactamente la atracción, pero hoy dia vemos que eso no es así: el universo se expande y lo que está dominando la expansión es esa constante cosmológica o energía oscura, como también la solemos llamar.
Además de la existencia de la energía oscura, hay otra segunda segunda incógnita en la física moderna: la materia oscura
La energía oscura es un nombre genérico a esa sustancia que está haciendo que el universo se expanda aceleradamente y que provoca un efecto gravitario repulsivo. ¿Qué es? No lo sabemos y como tal, le hemos puesto el nombre de energía oscura como genérico. La constante de Einstein es un candidato para explicar la energía oscura y, por tanto, podría ser una solución. Pero no a todo el mundo le convence porque podría ser algún tipo de materia exótica que no conocemos. Por eso lo dejamos con un nombre genérico. A mí, particularmente, me resulta más sencillo explicarlo con la constante cosmológica de Einstein porque una sola constante explicaría lo que vemos.
La materia oscura es una cosa diferente. La materia oscura se ha de postular porque vemos que la forma en la que rotan alrededor de sí mismas, igual que los planetas giran alrededor del Sol, las estrellas giran alrededor de las galaxias. Su movimiento, su velocidad tiene que estar determinada por la masa de las galaxias porque rotan por la fuerza de la gravedad y la gravedad viene de la masa. El tema es que vemos que la rotación es diferente a lo que correspondería dada la masa de la galaxia. Esa rotación no cuadra con lo que vemos. Sin embargo, a alguien se le ocurrió postular que había una materia que no estamos viendo y calculó cómo rotarían las galaxias con esa materia asumida. Y se dieron cuenta de que entonces se explicaba exactamente lo que se ve: lo que vemos se puede explicar por un tipo de materia que actúa de manera atractiva a la gravedad -es diferente a la energía oscura-que está ahí, pero por alguna razón no interactúa con la luz y no la vemos, de ahí el oscura. Eso nos obligamos a postularlo, pero no tenemos evidencia de que esto sea así o de que sea más complejo. A día de hoy qué es la materia oscura es uno de los temas abiertos, ¿está hecha realmente de algún tipo de materia o es algo totalmente diferente? ¿Son agujeros negros que se formaron en el universo temprano y que no los vemos o es otro tipo de partículas que no interaccionan con la luz? No lo sabemos, es una de las grandes incógnitas actuales.
Déjame añadir una cosa: si uno junta la materia oscura y la energía oscura, las dos cosas constituyen el 95% de materia y energía del universo. Es decir, no tenemos ni idea del 95% del contenido material y energético del universo en el presente.
¿Esta falta de masa se da en todas las galaxias?
Pensamos que todas las galaxias están envueltas de un halo de materia oscura. Claro, las observaciones van cambiando. A veces, algunos astrónomos dice que han visto una galaxia en la que creen que no hay materia oscura, pero no está totalmente establecido porque con que un astrónomo lo observe no es suficiente, hay que confirmarlo. Como son cosas tan recientas, pienso que aún no hay certeza. A día de hoy se piensa que todas las galaxias están rodeadas de un halo de materia oscura y veremos lo que el futuro nos depara.
Resuelto el misterio de la galaxia sin materia oscura
Si la materia oscura no interacciona con la luz, ¿cómo podemos buscarla?
La búsqueda de materia oscura va hoy en día en dos direcciones. Una, a nivel de laboratorios de física de partículas, intentar ver si encontramos nuevas partículas que no interaccionen con la luz. La forma en la que vemos algo es justamente porque esa cosa dispersa la luz (la emite o la adsorbe). Si no interacciona con la luz, no la puedes ver. Quizás existan partículas que no conocemos ahora y que estén desacopladas de la luz, que no interaccionen con ella. Los físicos de partículas hacen experimentos para ver si las encuentran, pero hasta ahora no ha sido así.
La otra posibilidad es que sean agujeros negros. Si, por alguna razón, en el universo temprano se crearon muchos agujeros negros pequeños, no tienen por qué ser grande, pero que sí alberguen bastante masa , eso sería como un tipo de materia donde cada partícula fuera un agujero negro, que crearían atracción gravitatoria y no emitirían luz.
¿Cómo en este segundo caso podríamos detectarlo? La respuesta es que tenemos que ver algún tipo de radiación que esos objetos emitan y podamos observar. La luz no nos sirven, pero sí emiten ondas gravitacionales. Sabemos que si dos agujeros negros colisionan, se emiten ondas gravitacionales de su zona más cercana, que nos llegan hasta nosotros. Viendo esas ondas podemos saber si son agujeros negros, qué masa tienen, cómo están girando, etc. Las ondas gravitacionales se descubrieron hace poco y esperamos que en el futuro nos ayude a la tarea de saber qué es la materia oscura.
¿Qué estás haciendo en la actualidad?
Trabajo en la Universidad Estatal de Luisiana. Soy investigador y docente, la mayor parte de mi tiempo es investigador, pero también doy clases, que me gusta mucho para distraerme. Dirijo un pequeño grupo de investigación y trabajo principalmente en cosmología, en cosas del universo temprano. Llevo en Luisiana seis años y medio, aunque antes he estado en otras partes de Estados Unidos. Mi trabajo consiste en intentar ver si existe alguna señal que nos diga si hubo un Big Bang o un gran rebote. Hay unas señales en el fondo cósmico que no terminamos de entender y quizás es la señal que nos explique esto.