El inicio del espacio y el tiempo a partir del Big Bang, así como su constante expansión desde ese momento, es una teoría ampliamente aceptada.

Algunos cosmólogos, sin embargo, no están muy convencidos, y sostienen que quizás nuestro universo no se formó exactamente como nos han contado.

Uno de ellos es Neil Turok, físico teórico sudafricano, director emérito del Instituto Perimetral de Física Teórica, en Canadá.

“El Big Bang es el mayor enigma de la ciencia”, dice Turok en conversación con BBC Mundo.

“Creo que hay suficiente evidencia para convencernos de que hubo un Big Bang, pero es profundamente misterioso…no conocemos su mecanismo”.

Según él, el Big Bang, tal como lo conocemos, “está incompleto”.

Turok trabajó junto a Hawking tratando de descifrar el inicio del universo, pero reconoce que los cálculos en los que trabajaron juntos “fallaron y eran inconsistentes”.

El físico sudafricano reconoce que es parte de una minoría, pero propone una visión distinta del Big Bang.

Turok, además, va en contravía de las teorías y los experimentos que sugieren que vivimos en un universo complejo.

Cuestiona las teorías y los experimentos que, para poder explicar cómo funciona el universo, añaden cada vez más teorías sobre partículas, dimensiones extras o campos invisibles.

Su visión, en cambio, es que el universo es “extremadamente simple”, y que no es necesario sugerir nuevas teorías, ni nuevas partículas para explicarlo.

“Nos estamos ahogando en teorías”, dice.

“El universo es increíblemente económico. Tiene unos cuantos principios y los usa una y otra vez”.

Las ideas de Turok, además de cuestionar el trabajo de varios de sus colegas, conlleva preguntas existenciales que van más allá de la cosmología.

Universo espejo

La historia tradicional de Big Bang nos dice que el tiempo y el espacio se formaron cuando tras la poderosa explosión, el universo se expandió miles de millones de veces su tamaño original, mediante un proceso conocido como “inflación”.

Luego, a medida que se siguió expandiendo y enfriando, el universo fue dejando de ser una sopa densa e hirviente de partículas y se fueron formando los cúmulos de materia de la que están hechas las estrellas y las galaxias.

Desde entonces, según el modelo de la inflación, el universo se ha seguido expandiendo, y lo seguirá haciendo hasta que un día muy lejano esté todo tan disperso que se volverá un espacio frío e inactivo.

Según esta explicación, el tiempo avanza inevitablemente hacia adelante, y vemos siempre más materia que antimateria.

A Turok, sin embargo, no le convence mucho esta visión.

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El problema, según su teoría, es que esta concepción del universo viola un principio de simetría que dice que la física permanece invariable cuando el tiempo, el espacio y la materia-antimateria se invierten.

Entonces, la propuesta de Turok es que el Big Bang dio origen también a un “universo espejo”, donde rigen nuestras mismas leyes de la física, pero a la inversa.

Es un “antiuniverso” donde el tiempo corre hacia atrás y lo dominante es la antimateria. De esa manera se cumpliría la simetría.

Este mecanismo, aunque parece más complejo, según Turok es una explicación más sencilla sobre lo que ocurrió en los primeros instantes del universo.

Por ejemplo, elimina la posibilidad de que existan multiuniversos o dimensiones extra, que son hipótesis hasta ahora no comprobadas, de lo que pudo ocurrir como producto del Big Bang, y que se utilizan para explicar varios fenómenos cosmológicos.

El modelo del universo espejo también ofrece una respuesta a la materia oscura.

La materia ordinaria, la que podemos ver y tocar, constituye solo cerca del 5% de la materia del universo. El resto corresponde a una misteriosa materia oscura de la que poco se sabe.

La respuesta podría ser que esa materia oscura está hecha de una partícula hasta ahora desconocida.

Turok, sin embargo, dice que no es necesario pensar en nuevas partículas hipotéticas para explicar la materia oscura.

Su teoría predice que el Big Bang produjo una gran cantidad de “neutrinos diestros”, un tipo de partícula que aunque aún no se ha observado, los físicos están bastante seguros de que existe.

Según el modelo del universo espejo, la materia oscura está hecha de “neutrinos diestros”.

“Demostramos que en este universo doble que pasa por el Big Bang, se puede calcular cuántos de estos neutrinos diestros debería haber en el universo actual, y ese número concuerda con la materia oscura”, dice Turok.

“De esta manera se nos ocurrió la explicación más simple hasta ahora para la materia oscura, que no requiere ninguna física nueva”.

Simpleza y economía

“El universo es la cosa más simple del universo”, dijo Turok en una charla en la que presentaba su teoría.

Con esto se refiere a que no es partidario de añadir nuevas partículas, nuevos campos, nuevas dimensiones en el estudio de la física y la cosmología.

“El área en el que trabajo ha sido responsable de miles de modelos y conceptos, pero ahora quedamos como tontos, porque resulta que la naturaleza nos está mostrando que es extremadamente simple”, dice el físico.

“No hay evidencia de estas nuevas adiciones que gente como yo hemos estado haciendo durante los últimos 30 años”.

Por ejemplo, es escéptico ante los recientes anuncios del Gran Colisionador de Hadrones y el Fermilab, dos aceleradores de partículas que han mostrado el resultado de experimentos, que, según sus investigadores, apuntan a la existencia de nuevas partículas o fuerzas que hasta ahora no se conocen.

“Si bien estos hallazgos se promocionan como señales de nueva física, esta afirmación no puede justificarse por el momento”, dice, y añade que esos descubrimientos se pueden explicar con principios que ya se conocen.

A Turok le preocupa que cada vez que los investigadores de su área se encuentran con un misterio, lo que hacen es añadir un nuevo ingrediente para resolver el problema.

“La teoría de cuerdas, la teoría M, membranas, dimensiones extra, toda clase de complicaciones”, dice.

“Por ese camino llegamos a la invención del multiuniverso… el multiuniverso es el ejemplo perfecto de una teoría desperdiciada”, sentencia.

La ‘desordenada mitad’

Para Turok, en vez de añadir ingredientes, la clave para entender los misterios del universo está en fijarse en “la asombrosa sencillez, belleza, elegancia y economía”, de la naturaleza.

Para el físico, el universo es tremendamente simple en las más pequeñas y las más grandes escalas, pero a medio camino entre ellas, donde se ubican los seres humanos, sí que está la complejidad.

“A mi me gusta llamarlo la ‘desordenada mitad‘ de la escala”, dice.

“No estamos en el Big Bang que es bastante aburrido y uniforme, no hay nada interesante en el Big Bang”.

“Nosotros somos probablemente lo más complejo del universo, y me parece inspirador que la gente se dé cuenta de que estamos rodeados de simplicidad”.

“Somos complicados e impredecibles, pero somos capaces de descubrir la increíble simpleza y economía del universo”.

“Somos el medio que tiene el universo para conocerse a sí mismo“.

En 2012, el físico teórico Frank Wilczek propuso un polémico concepto para describir un nuevo estado de la materia que desafiaba las leyes de la física.

“Cristales de tiempo”, los llamó Wilczek, quien en 2004 ganó el Premio Nobel de física.

Al principio, varios de sus colegas dijeron que era simplemente imposible crear cristales de tiempo, pero luego, varias investigaciones, incluyendo un reciente estudio de la Universidad de Granada en España, han comenzado a mostrar que quizás sí es posible crear este extraño material.

Producir estos cristales nos permitiría medir el tiempo y la distancias con una “precisión exquisita”, como escribió Wilczek en un artículo en la revista Scientific American.

Pero el conocimiento en esta materia es tan incipiente que los científicos apenas son capaces de soñar cómo los cristales de tiempo podrían revolucionar áreas como la tecnología cuántica, las telecomunicaciones, la minería o la comprensión misma del universo.

“Las aplicaciones más interesantes seguramente serán las que aún no conozco“, le dice a BBC Mundo el físico Pablo Hurtado, profesor en la Universidad de Granada y coautor de una reciente investigación en la que encontraron un método para crear cristales de tiempo.

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¿Qué son los cristales de tiempo, por qué resultan tan extraños y cómo podrían ser una gran avance para la tecnología?

Patrones que se repiten

Primero debemos tener claro qué es un cristal.

En física, un cristal se define como un objeto cuyos átomos están ordenados de tal manera que crean un patrón que se repite.

En un líquido, por ejemplo, las moléculas se distribuyen de manera simétrica, como un enjambre uniforme.

En un cristal, en cambio, las moléculas se agrupan formando redes y estructuras que van creando una secuencia.

Por eso, Wilczek dice que “los cristales son las sustancias más organizadas de la naturaleza”.

Si miras bajo un microscopio, podrás ver, por ejemplo, las estructuras de los cristales de sal o de la nieve.

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Entonces, si ya sabemos que un cristal está formado por patrones que se repiten en el espacio, surge la pregunta con la que el asunto se vuelve más interesante: ¿es posible crear un cristal cuyos patrones no se repitan cada cierta distancia, sino cada cierto tiempo?

Romper la simetría

Como dijimos antes, un líquido es simétrico, es decir, sus propiedades son iguales en cualquiera de sus puntos.

Si de alguna manera se logra romper esa simetría, el líquido deja de ser líquido y se convierte, por ejemplo, en un cristal.

Piensa por ejemplo en el agua. En su estado líquido es simétrica, pero al congelarse sus partículas se convierten en cristales que rompen esa simetría, creando un patrón que se repite a lo largo de su estructura.

En su investigación, Hurtado y su equipo querían romper la simetría de un fluido, pero no a lo largo de su espacio, sino del tiempo.

Para ello, en una súpercomputadora simularon aplicarle al fluido algo llamado “campo externo de empaquetamiento”.

Ese campo lo que hace es empujar algunas de las partículas del fluido y frenar a otras, con lo cual se produce una acumulación de partículas que a su vez produce una onda que viaja de manera constante por el sistema.

El resultado fue que el paquete de partículas comenzó a viajar incesantemente por el sistema.

Es como si, paradójicamente, su estado de reposo fuera el movimiento constante a lo largo el tiempo.

“El sistema forma un paquete compacto de partículas que lo hace viajar en el tiempo“, dice Hurtado.

De esa manera surge un estado de la materia que no se comporta como un fluido, pero tampoco como un cristal sólido de los que vemos habitualmente.

¿Para qué pueden servir?

En 2017 algunos trabajos ya habían mostrado de manera experimental la posibilidad de crear otros tipos de cristales de tiempo a nivel cuántico.

El trabajo de Hurtado fue teórico, pero ya no a nivel cuántico, sino en un sistema clásico, es decir, macroscópico.

Samuli Autti, investigador del departamento de física de la Universidad de Lancaster en Reino Unido, quien no estuvo involucrado en esta investigación, le dice a BBC Mundo que el trabajo de Hurtado “es un gran paso” para comprender mejor los cristales del tiempo que en 2012 comenzó a sugerir Wilczek.

Los cristales del tiempo son un área de estudio que está en sus inicios, pero desde ya permiten soñar con impresionantes usos en la ciencia y la tecnología.

Este estado de la materia permite especular, por ejemplo, con la posibilidad de que en un futuro existan máquinas de movimiento perpetuo.

Wilczek también menciona que los cristales de tiempo podrían servir para fabricar relojes mucho más precisos y estables que los poderosos relojes atómicos que ya existen.

“Serían capaces de realizar medidas exquisitas de la distancia y el tiempo”, escribió el físico en Scientific American.

También se refiere a la posibilidad de desarrollar GPS mejorados, nuevos métodos para descubrir depósitos mineralesmediante la interacción con la gravedad, o la detección de ondas gravitacionales.

Finalmente, Wilczek comenta que descubrir nuevas formas en las que se puede organizar la materia puede llevarnos a entender mejor los agujeros negros y el espacio-tiempo en el cosmos.

Todo eso aún pertenece al terreno de la especulación, pero quizás algún día llegue el momento en que un cristal de tiempo sea más útil y valioso que el más fino de los diamantes.