¿Qué ocurrió antes del Big Bang? La física computacional puede responder a esta pregunta
Un nuevo artículo presenta cómo los métodos numéricos basados en las ecuaciones de Einstein pueden ayudar a responder preguntas sobre el Big Bang.
Es imposible hablar de lo que ocurrió antes del Big Bang, ya que el concepto de espacio y tiempo surgió con él. Si no hubiera tiempo, no tendría sentido aplicar la noción de "antes" a este momento. Es como si tuviéramos que considerar un tiempo negativo para hablar de momentos previos al surgimiento del universo. Por lo tanto, las preguntas sobre lo que existía previamente terminan chocando con un límite de la propia Física.
Para comprender la evolución del universo desde su origen hasta la actualidad, es necesario utilizar las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. Estas ecuaciones describen cómo se comporta el espacio-tiempo en presencia de masa o energía. Además, describen cómo se expande el espacio-tiempo. Sin embargo, fallan en entornos de densidad y energía extremas, como las singularidades.
Para sortear esta limitación, astrónomos de universidades británicas han propuesto el uso de métodos numéricos para resolver las ecuaciones en estas condiciones extremas. La idea es emplear técnicas computacionales para simular el comportamiento del espacio-tiempo cerca de la singularidad. Esto permitiría explorar diferentes escenarios de los primeros momentos del universo y formular hipótesis sobre qué pudo haber precedido al Big Bang.
Física computacional
La Física Computacional es un campo que combina métodos de la Física, las Matemáticas y la Informática para investigar fenómenos que no pueden resolverse únicamente mediante teoría o experimentos. Mediante simulaciones y modelos computacionales, permite la exploración de sistemas que involucran un gran número de variables, ecuaciones diferenciales no lineales y entornos extremos donde las soluciones analíticas se vuelven inviables.
Un campo que requiere la Física Computacional debido a su complejidad y volumen de datos es la Astrofísica. Aplicada al estudio del universo, la Física Computacional permite comprobar hipótesis sobre el universo, explorar la dinámica de la materia oscura y la energía oscura, e incluso modelar condiciones cercanas a la singularidad del Big Bang. Estas simulaciones ayudan a moldear la teoría mediante observaciones astronómicas.
Simulaciones cosmológicas
Las simulaciones cosmológicas recrean computacionalmente la evolución del universo desde sus inicios hasta las estructuras que observamos hoy. Estas simulaciones resuelven numéricamente ecuaciones como las de la relatividad y la dinámica de fluidos. Permiten estudiar la influencia de componentes como la materia y la energía oscuras en la evolución del universo y permiten probar diferentes escenarios e hipótesis.
Estas simulaciones implican la discretización del espacio en miles de millones de partículas o elementos de la cuadrícula. Estas partículas pueden representar materia bariónica, radiación o materia oscura, y su evolución se calcula numéricamente. Al comparar los resultados con observaciones telescópicas, como la distribución de galaxias y el fondo cósmico de microondas, es posible probar diferentes modelos teóricos.
¿Cómo explicar computacionalmente el Big Bang?
Un área dentro de la Física Computacional es la relatividad numérica, que se basa en las ecuaciones de Einstein aplicadas a escenarios astrofísicos. Los sistemas son generalmente complejos y no existe una solución analítica. El desarrollo de la relatividad numérica cobró impulso en la década de 1980 con la propuesta del experimento LIGO. Uno de los grandes misterios que se pueden explorar con este enfoque es la inflación cósmica.
La inflación ocurrió cuando, momentos después del Big Bang, el universo se expandió rápidamente. Este período es importante para comprender por qué el universo actual es homogéneo e isótropo a gran escala. Aún no está claro cómo ni por qué comenzó esta fase, y el problema radica en que se asume que el universo ya era homogéneo de antemano, y la inflación debería explicarlo. La relatividad numérica puede sortear esta limitación, permitiéndonos simular condiciones iniciales mucho más variadas.
¿Sabremos qué pasó antes del Big Bang?
La idea de los investigadores, publicada en Living Reviews in Relativity, es utilizar la relatividad numérica para simular estos primeros momentos del universo. Argumentan que este método debería aplicarse cada vez más a la cosmología para comprender el origen y la evolución del universo. Permitiría probar condiciones iniciales más generales y menos restringidas.
Una idea sería incluso comprender mejor qué sucedió antes, si vivimos en un multiverso o si nuestro universo se originó a partir de un Big Bang. Sin embargo, analizar los momentos previos al Big Bang queda fuera del alcance de la física tradicional, ya que el concepto mismo de "antes" pierde sentido. En otras palabras, las leyes conocidas de la física no pueden describir el estado del universo a densidades y energías tan extremas, lo que hace especulativa la explicación de lo que sucedió antes del Big Bang.
Referencia de la noticia
Aurrekoetxea et al. 2025 Cosmology using numerical relativity Living Reviews in Relativity