Física teórica: ¿es posible que la función de onda única que existía antes del Big Bang fuera altamente compleja?

La respuesta a esta pregunta es tan simple como profunda. La respuesta corta es absolutamente no. El hecho de que observemos una Flecha del Tiempo, asociada con la Segunda Ley de la Termodinámica, significa que el universo comenzó en un estado de entropía o desorden increíblemente pequeño. La conexión moderna con la teoría de la información dice que el pequeño volumen que se convirtió en nuestro universo contenía muy pocos bits de información. Dependiendo del modelo, el universo puede haber sido una fluctuación cuántica de 0 a 1 bit, apagado y encendido. Otros modelos basados ​​en la gravedad cuántica tienen el universo rebotando como máximo con unos pocos cientos de bits. Piensa lo que esto significa. El universo no contenía ninguna ‘instrucción’ sobre cómo evolucionaría. El universo tiene que crear nueva información, nueva complejidad en cada etapa. El universo crea su propio “significado” a medida que avanza. Este es un gran reclamo, por eso hay una respuesta larga.

Sal afuera por la noche y mira hacia el cielo. ¿Que ves? Estrellas de diferentes magnitudes a diferentes distancias en nuestra galaxia. Use un telescopio para mirar áreas de cielo cada vez más pequeñas. El Campo Profundo del Hubble muestra millones de galaxias aún contra un fondo oscuro. Pregúntate, ¿por qué está oscuro el cielo? Esta pregunta se hizo conocida como la paradoja de Olber después del astrónomo alemán del siglo XIX. Si el universo fuera estático, muy grande y muy viejo, entonces cada punto del cielo sería tan brillante como el sol. La radiación total del cielo sería casi infinita. El polvo y el gas sugeridos por Olber reducirían la luz en el camino. Pero el polvo se calentaría a la misma temperatura y volvería a irradiarse. El problema pareció resolverse cuando Hubble descubrió la recesión de las galaxias, conocida como la ley de Hubble. Unos años antes, Georges Lemaitre había encontrado una solución a la Teoría general de la relatividad de Einstein, que era un universo finito y en expansión, y predecía las velocidades de recesión observadas por Hubble. Un avance rápido hasta 1964, cuando los ingenieros Penzias y Wilson descubrieron un misterioso silbido en sus sensibles antenas. Después de que se rechazaron todas las demás expansiones, concluyeron que el universo estaba lleno de radiación uniforme de microondas, conocida ahora como CMB o Fondo de microondas cósmico. La temperatura de la radiación es casi exactamente 3K en todas las direcciones. El espectro es un cuerpo negro casi perfecto, y se ha medido como 2.72548 ± 0.00057 K.

Sabemos que el Big Bang sucedió en un momento finito en el pasado estimado en 13.8 mil millones de años. Teniendo en cuenta las tasas de expansión conocidas, esto da el radio del universo observable de aproximadamente 46 mil millones de años luz. No se sabe si el universo entero es de tamaño finito, pero se cree que es mucho más grande que el universo observable, que continúa expandiéndose. Estos hechos “explican” la paradoja de Olber en un sentido histórico. El CMB tiene variaciones u homogeneidades, que ahora han sido mapeadas por COBE, WMAP y los nuevos telescopios espaciales PLANCK. Según la teoría “estándar”, las variaciones en el CMB son las fluctuaciones de densidad originales que sembraron las galaxias. Pronto se reconoció que la uniformidad planteaba un problema de horizonte. Es decir, puntos en lados opuestos del cielo se habrían desconectado causalmente (ninguna luz o calor podrían recorrer la distancia) en épocas anteriores, pero estaban cerca del equilibrio térmico. Esto condujo a la modificación conocida como inflación. La inflación dice que el universo observable se expandió exponencialmente poco después del Big Bang, inflando una pequeña región conectada a un tamaño masivo. (La relatividad general dice que el espacio puede expandirse a cualquier velocidad, la velocidad de la luz limita la velocidad de los objetos en el espacio). A pesar de su aparente éxito, los modelos de inflación han sido criticados por simplemente barrer el problema de las inhomogeneidades debajo de la alfombra. El estado inicial también debería haber sido increíblemente suave, mucho más suave que el equilibrio térmico, para que el estado expandido fuera uniforme. Las soluciones que ajustan el tipo de inflación para producir el resultado tienen lo que se conoce como el problema de ajuste. Fue alrededor de esto lo que condujo a una especulación salvaje como la inflación ‘eterna’ y el callejón sin salida metafísico, conocido como el Multiverso.

Donald Page y Roger Penrose han señalado un problema mucho más profundo. Argumentan que el problema es uno de entropía y la segunda ley de la termodinámica. Esto se relaciona con el cielo nocturno oscuro (2.7K) en comparación con la superficie del sol (~ 6000K). La suavidad del CMB solo, dice que el universo primitivo tenía una entropía muy baja. La inflación simplemente cambia el problema de entropía a lo que se conoce como gravedad cuántica o escala de Planck. Penrose ha calculado que para tener un universo con grandes agujeros negros y una complejidad emergente como la vida, como se observó hoy, el Big Bang requiere un ajuste fino de 1 parte en 10 ^ (10 ^ 123)). Eso es 1/100 … 0 (1o ^ 123) ceros, que Penrose señala es un número extraordinariamente pequeño. Propone un mecanismo conocido como la hipótesis de la curvatura de Weyl, que esencialmente dice que no hay grados gravitacionales de libertad excitados ante la singularidad del Big Bang. Esto difiere de las singularidades finales dentro de los agujeros negros, donde la curvatura tiende al infinito. Los agujeros negros y los horizontes en general, contienen la mayor parte de la entropía en el universo hoy. ¿Y qué hay del oscuro cielo nocturno? Solo es oscuro en relación con la superficie del sol. Las fluctuaciones extremadamente pequeñas en el Big Bang son en última instancia responsables de un sistema solar en su mayoría vacío, con una gran gota caliente de átomos de hidrógeno fusionados en el centro. Cuando el sol irradia a 6000K, emite principalmente luz en el espectro visible. La termodinámica se trata de utilizar fuentes de energía de baja entropía para realizar un trabajo útil, expulsando el calor residual de alta entropía. La luz solar es luz de baja entropía, que ha estado aterrizando en una pequeña roca durante 4.500 millones de años. La roca mantiene una temperatura casi constante gracias a una atmósfera de vapor de agua y dióxido de carbono. Para hacer esto, emite radiación de calor a aproximadamente 300K hacia el espacio en el lado nocturno. Si el cielo nocturno no estuviera oscuro, esto no ocurriría. La luz solar no proporciona energía neta, pero es una fuente de muy baja entropía. Entonces, ¿qué sucede durante 4.500 millones de años? Los químicos en la superficie de la roca forman estructuras cada vez más complejas, porque la baja entropía se relaciona con el contenido de la información. Desde moléculas simples, hasta la capacidad computacional del ADN, pasando por la selección natural, hasta grandes cerebros y cultivos, somos el resultado de la acumulación de información que describe cómo construir las estructuras más complejas que crecen en cada una de las variadas condiciones ambientales existentes en la Tierra durante 4.5 billones de años. Esto nos conecta íntimamente con el sol, el cielo oscuro, la edad del universo, a pesar del contenido de información extremadamente pequeño presente en el Big Bang.

Terminaré con Roger Penrose sobre la Segunda Ley: