La idea de crear un universo entero de la nada suena absurda porque en la vida cotidiana vemos que la materia se conserva. Puede cambiar de forma, pero no se crea ni se destruye. Los físicos saben desde hace tiempo que la energía también se conserva. La famosa ecuación de Einstein E = mc2 mostró que la masa y la energía son intercambiables, por lo que en realidad solo hay una ley: la conservación de la energía.
Esta ley parecería ser un argumento hermético contra la creación de un universo. Si se conserva la energía, entonces el universo que claramente tiene montones de masa y energía nunca podría haber venido de “nada”, que no tiene ninguno. Sorprendentemente, casi cada parte de esa última declaración es incorrecta. La energía no siempre se conserva, el universo podría haber comenzado con poca o ninguna energía total, y “nada” puede tener energía.
Primero, la energía y su conservación no son absolutas en la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe el espacio, el tiempo y la estructura del universo como un todo, o en la mecánica cuántica, la teoría de lo muy pequeño. Por ejemplo, en la relatividad general, la energía de una partícula como un fotón se conserva solo si la geometría de su espacio circundante no cambia (lo que explica la conservación de energía que experimentamos cerca de la Tierra relativamente estática). Pero debido a la expansión cósmica, un fotón que viaja entre las galaxias pierde energía y cambia a longitudes de onda más largas y rojas: el desplazamiento al rojo de los astrónomos de luz que ven desde galaxias distantes.
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En la mecánica cuántica, la energía de un objeto puede fluctuar en un tiempo extremadamente corto, como se ejemplifica en la radiactividad. Aunque un átomo de uranio tiene una barrera de energía para romperse, una fluctuación cuántica puede permitir que una partícula adquiera suficiente energía temporalmente para romper esta barrera y escapar a través de un proceso conocido como túnel cuántico.
Segundo, poca o ninguna energía no implica poca o ninguna materia, porque la energía puede ser tanto negativa como positiva. Por ejemplo, la gravedad proporciona una contribución negativa a la energía de cualquier par de objetos, que se vuelve más negativa a medida que disminuye su separación. Cuando una piedra cae, gana energía cinética (energía de movimiento), pero también recoge una cantidad compensatoria exacta de energía gravitacional negativa. Y debido a E = mc2, la energía negativa es equivalente a la masa negativa. Si pesa un par de rocas grandes en una escala extremadamente precisa, pesarán un poco menos que la suma de las dos rocas pesadas individualmente y muy separadas. Tercero, la teoría cuántica predice que el espacio vacío transporta energía de vacío, como lo demuestra experimentalmente el efecto Casimir. Durante la última década, las observaciones de supernovas distantes y el fondo cósmico de microondas han revelado que la energía de vacío (o algo que se comporta de manera similar) parece comprender tres cuartos del impactante universo actual.
En la teoría de Einstein, la energía del vacío implica una fuerza antigravedad repulsiva. Si hay suficiente energía de vacío para dominar la atractiva gravedad de la materia, el universo se expandirá exponencialmente duplicando su escala, una y otra vez, en un intervalo fijo que depende de la cantidad de energía de vacío. Con la aceleración cósmica, los astrónomos observan este tipo de expansión exponencial que comienza en nuestro universo.
El espacio “vacío” puede transportar energía, conocida como energía de vacío. Muchos físicos piensan que un pequeño nivel de energía de vacío constituye la “energía oscura” que está causando la aceleración cósmica. En la inflación, la misma expansión acelerada ocurrió a una tasa mucho más alta, impulsada por la energía de vacío de alta densidad. La inflación puede explicar las propiedades de nuestro universo si hace que el universo se duplique en escala al menos 85 veces, después de lo cual la energía del vacío se transforma en materia y radiación, allanando el camino para las galaxias, las estrellas y los planetas. Al final de la inflación, el universo observable podría haber sido del tamaño de una pelota de golf.
