El origen de la materia: ¿eterna o surgida de la nada?

Hay preguntas que arrastro desde hace años y que no encajan en ningún proyecto, ninguna factura ni ninguna campaña. Esta es una de ellas, quizá la que más me ocupa: ¿de dónde ha salido la materia? No el polvo de estrellas, no el hidrógeno que se fusiona en helio dentro de las estrellas; esa parte de la historia la conozco. Me refiero al escalón anterior, al fondo del fondo: que exista algo en lugar de nada.

Que la materia existe es una evidencia. Estamos aquí, hay planetas, galaxias, este texto y la pantalla en la que lo lees. El problema aparece cuando uno intenta cerrar el círculo hacia atrás, porque solo veo dos salidas y las dos me resultan igual de incomprensibles:

• La materia ha existido siempre. No hubo un principio. Pero un pasado infinito, sin primer instante, se escapa a cualquier intuición.
• La materia surgió de la nada. En algún momento no había nada y después había todo. Y esto es igual de difícil de digerir: ¿cómo sale el universo entero de la nada absoluta?

He pasado bastante tiempo dándole vueltas a esta disyuntiva, y mi conclusión provisional es que está mal planteada, no porque la pregunta sea ingenua, sino porque la física del último siglo no la ha resuelto: la ha desplazado. Y entender ese desplazamiento es, para mí, lo más interesante que se puede decir hoy sobre el tema. Pedí una investigación a fondo sobre las teorías cosmológicas vigentes y este artículo es el resultado de cruzarla con lo que llevo años leyendo. Como siempre, separo lo que es hecho verificado, lo que es hipótesis científica seria y lo que es especulación de frontera.

El truco escondido en la palabra «nada»

El primer malentendido es creer que «nada» significa lo mismo para un físico que para nosotros en una conversación. No es así. Cuando un cosmólogo dice que el universo pudo surgir de una fluctuación cuántica del vacío, no está hablando de la nada filosófica —ausencia total de ser—, sino del vacío cuántico, que es una cosa muy distinta.

[VERIFICADO] El vacío de la física cuántica no está vacío. Los campos que llenan el espacio poseen una energía de punto cero que nunca se anula. Por el principio de incertidumbre de Heisenberg, en intervalos de tiempo suficientemente cortos pueden aparecer y desaparecer parejas de partículas y antipartículas —las llamadas partículas virtuales— que normalmente se aniquilan casi al instante. Esto no es metáfora: el efecto Casimir, la atracción medible entre dos placas conductoras muy próximas en el vacío, es una manifestación física de esa energía. Y la producción de pares, la conversión de un fotón muy energético en un electrón y un positrón, demuestra que la materia puede emerger directamente de la energía de un campo.

Aquí está la trampa, y conviene verla con claridad: cuando alguien resume todo esto como «el universo salió de la nada», lo que en realidad está diciendo es que salió de un sustrato que ya tenía propiedades, leyes y energía. Y entonces mi pregunta original no desaparece, simplemente retrocede un paso: ¿de dónde salió ese sustrato, con esas leyes? El misterio no se cierra; cambia de domicilio.

Las tres respuestas serias que da la ciencia

Dicho esto, la cosmología no se queda callada. Hay tres familias de modelos que intentan responder, cada una con su mecanismo físico, sus apoyos experimentales y sus puntos débiles. Las repaso sin adornos.

1. La materia emergió de la efervescencia cuántica

Es el modelo con el mecanismo físico más robusto. [HIPÓTESIS SÓLIDA] Durante la inflación cósmica —un periodo de expansión exponencial en una fracción de segundo tras el inicio del tiempo— las fluctuaciones cuánticas microscópicas del vacío fueron «estiradas» por la propia expansión del espacio antes de poder aniquilarse. Esas diminutas irregularidades se convirtieron en variaciones reales de densidad, las semillas gravitatorias que con el tiempo atrajeron materia y formaron estrellas y galaxias.

Lo notable es que esto no es solo elegante sobre el papel: deja huella observable. [VERIFICADO] Las anisotropías de la radiación de fondo de microondas (el CMB), esas minúsculas variaciones de temperatura captadas por satélites como Planck, son la fotografía fósil de aquellas fluctuaciones primordiales. Y el bosón de Higgs, detectado en el LHC en 2012, valida el mecanismo por el que las partículas de aquella «sopa» inicial de quarks y gluones adquirieron masa. Desde la teoría cuántica de campos, la materia no es algo que se «añada» al espacio: es lo que percibimos cuando esos campos reciben energía suficiente para pasar a estados excitados.

El punto débil es serio y tiene nombre dramático: la catástrofe del vacío. [VERIFICADO] Cuando se calcula la densidad de energía del vacío con la teoría cuántica de campos y se compara con el valor que realmente observamos en la constante cosmológica, el desajuste es de unos 120 órdenes de magnitud —según el método de cálculo, la cifra baja a unos 60, pero sigue siendo descomunal—. Se la considera la mayor discrepancia entre teoría y observación de toda la física. Traducido: tenemos un mecanismo que funciona para explicar la formación de estructuras, pero no entendemos cómo encaja la energía cuántica con la gravedad. Y, sobre todo, este modelo no explica qué causó el estado inicial de altísima energía ni por qué las leyes ya estaban ahí. Otra vez la pregunta desplazada.

2. La materia es eterna: universos sin principio

La segunda familia elimina de raíz el problema del «instante cero»: si el universo siempre ha existido, no hay que explicar ninguna creación.

La versión clásica fue la teoría del estado estacionario (Hoyle, Bondi y Gold, 1948). Como las observaciones de Hubble mostraban un universo en expansión —lo que debería diluir la materia—, Hoyle postuló una creación continua de materia, a un ritmo absurdamente pequeño: del orden de un átomo de hidrógeno por kilómetro cúbico y por año, indetectable en cualquier laboratorio. [VERIFICADO] Este modelo quedó esencialmente refutado en 1965 con el descubrimiento del CMB, que es justo lo que predice un Big Bang caliente y no un universo estacionario.

La idea de eternidad renació en versiones modernas y más sofisticadas, ya como modelos cíclicos:

• [HIPÓTESIS] El modelo ecpirótico de Steinhardt y Turok, basado en la física de branas: nuestro universo sería una membrana tridimensional, y cada «Big Bang» sería la colisión periódica con otra brana paralela. Su problema: exige dimensiones extra no comprobadas.
• [HIPÓTESIS] La Cosmología Cíclica Conforme de Roger Penrose: en un futuro lejanísimo, cuando toda la masa se haya evaporado y solo queden fotones, el tiempo y la escala pierden sentido, y ese estado puede «reescalarse» matemáticamente hasta convertirse en el Big Bang de un nuevo «eón».

El gran obstáculo de cualquier universo eterno es la segunda ley de la termodinámica. Si la entropía siempre crece y el universo llevara existiendo un tiempo infinito, ya deberíamos haber alcanzado la muerte térmica: el desorden máximo, sin estrellas ni estructura. Tanto Steinhardt (diluyendo la entropía con el crecimiento exponencial del volumen en cada ciclo) como Penrose (proponiendo que los agujeros negros borran físicamente la información antes de cada transición) intentan sortearlo, pero ambas soluciones son objeto de debate intenso y no resuelto.

3. Creación ex nihilo: el universo como túnel cuántico

La tercera vía se atreve con la opción aparentemente imposible: que el espacio, el tiempo y la materia surgieran realmente de la «nada» física.

[HIPÓTESIS] El físico Alexander Vilenkin propuso que el universo pudo aparecer por tunelización cuántica: igual que una partícula puede atravesar una barrera que la física clásica le prohíbe, el universo habría «tunelizado» desde un estado de radio cero hasta convertirse en una burbuja diminuta de espacio-tiempo en expansión. Lo que hace esta idea físicamente plausible —y no mera especulación— es el concepto de universo de energía neta cero: en relatividad general la energía gravitatoria es negativa, mientras que la de la materia y la radiación es positiva. Si ambas se cancelan exactamente, la energía total del universo es cero, y entonces su aparición no violaría la conservación de la energía. No hace falta «crear» una cantidad neta de nada: el balance cuadra.

Hawking y Hartle reforzaron esta visión con su propuesta de no-frontera: si al retroceder hacia el origen el tiempo se comporta como una dimensión más del espacio, entonces no hay un «punto de creación» concreto que explicar. El universo sería autocontenido, sin borde. Aquí es donde tu pregunta de «qué había antes» se disuelve en lugar de responderse: es como preguntar qué hay al sur del Polo Sur. La pregunta tiene gramática correcta pero no tiene referente.

Y aun así —esto es importante para no engañarnos— el debate sigue abierto en el punto exacto donde empezamos. [VERIFICADO como estado del debate] Si el universo surgió de leyes físicas preexistentes, esas leyes son algo. De modo que la pregunta se desplaza una última vez, hacia el origen de las propias leyes de la naturaleza. Lawrence Krauss sostiene que la «nada» de la física es inherentemente inestable y tiende a producir «algo» sin necesidad de causa externa; el viejo argumento cosmológico (en su versión del Kalam, revitalizada por William Lane Craig) replica que todo lo que empieza a existir requiere una causa. No es casualidad que el debate científico desemboque aquí en filosofía pura: es la señal de que hemos llegado al borde de lo que el método puede tocar.

Entonces, ¿Dónde nos deja esto?

Si ordeno honestamente lo que sabemos por niveles de certeza, queda así:

• [Hecho] La materia y la energía existen y tienen una historia rastreable con enorme precisión hasta fracciones ínfimas de segundo después del Big Bang.
• [Hipótesis científica seria] El origen como fluctuación de un vacío cuántico con energía total cero es coherente y no contradice nada de lo conocido, pero hoy no es verificable.
• [Frontera filosófica] El porqué último —por qué hay leyes, por qué hay un sustrato en vez de absolutamente nada— probablemente no sea una pregunta científica, sino metafísica. Y quizá no tenga respuesta accesible a una mente que opera dentro del propio sistema que intenta explicar.

Mi posición personal, después de años con esto, es que tu disyuntiva inicial esconde un tercer supuesto invisible que falla en ambas ramas: las dos —«siempre existió» y «surgió de la nada»— dan por hecho que el tiempo es un contenedor previo dentro del cual algo existe o no existe. Pero si el tiempo mismo empieza con el universo, las dos formulaciones pierden parte de su sentido a la vez. No es que tengamos la respuesta; es que la pregunta, tal como la hacemos, lleva incrustada una intuición temporal que puede no aplicar al objeto que estamos interrogando.

¿Es esto uno de los mayores misterios del universo? En mi opinión, sí, sin matices. Pero es importante precisar de qué tipo. No es un misterio como la materia oscura o la energía oscura, que son enigmas dentro de la física y que probablemente se resolverán con mejores datos e instrumentos. El origen último de la existencia es un misterio de otra categoría: vive en la frontera donde la física entrega el testigo a la filosofía. Y eso no lo hace menos fascinante; lo hace distinto.

¿Puede la IA arrojar luz sobre esto?

Aquí tengo que ser crítico, porque es fácil vender humo y prefiero no hacerlo. La inteligencia artificial no va a resolver la pregunta metafísica del origen de la existencia. Ningún modelo, por potente que sea, va a deducir por qué hay algo en lugar de nada, por la misma razón que tampoco lo haremos nosotros: la pregunta podría estar fuera del alcance de cualquier inteligencia que opere dentro del sistema. Si alguien te dice lo contrario, desconfía.

Lo que sí está haciendo la IA —y esto es real, concreto y verificable— es transformar la cosmología observacional y computacional, que es donde se libra la batalla por discriminar entre los modelos que acabo de describir. Aquí el cambio es genuino:

• [VERIFICADO] Clasificación de galaxias primitivas. Herramientas de IA como Morpheus clasifican galaxias píxel a píxel en las imágenes del James Webb, ayudando a identificar las primeras estructuras formadas tras el Big Bang. Encontrar esas galaxias tempranas es justo lo que pone a prueba los modelos de formación de estructura.
• [VERIFICADO] El fin de la «caja negra». Técnicas de IA interpretable como LIME permiten entender qué características físicas usa una red neuronal para distinguir, por ejemplo, entre la relatividad general y teorías de gravedad modificada, detectando patrones sutiles en la distribución de materia que la estadística clásica no captura.
• [VERIFICADO] Simulaciones masivas. Superordenadores orientados a IA —el MareNostrum 5 del Barcelona Supercomputing Center, por citar uno cercano— ejecutan simulaciones del colapso del gas primordial para formar las primeras estrellas, contrastando los modelos contra las observaciones de ALMA y el JWST.
• [HIPÓTESIS / frontera] Simulación cuántica. Procesadores cuánticos de Google han simulado teorías gauge observando cómo las fluctuaciones generan materia. La promesa —todavía lejana— es poder «recrear» condiciones del universo temprano en un chip para observar directamente los mecanismos de creación.

Y hay una capa más especulativa, que reflejo como lo que es. Hay físicos —Stephen Wolfram con su proyecto del Ruliad, o quienes trabajan en teoría de la información algorítmica— que proponen invertir la jerarquía: que el universo no esté regido por leyes matemáticas continuas sino por reglas computacionales discretas, y que la materia sea una consecuencia inevitable de esa estructura lógica. [ESPECULACIÓN] Es una idea seductora y minoritaria, sin validación experimental. La menciono porque conecta con algo que sí me parece sólido: el verdadero papel de la IA aquí no es darnos respuestas, sino cambiar las preguntas que somos capaces de formular y de poner a prueba. La transición de una cosmología que solo observa a una cosmología que además simula y genera hipótesis es real, y en las próximas décadas permitirá testear ideas que hasta ahora vivían solo en el terreno de la especulación.

Pero el fondo permanece intacto. Podemos rastrear el universo hacia atrás con una precisión asombrosa, simular su evolución en un superordenador, clasificar sus primeras galaxias con redes neuronales. Y al final de todo ese trabajo magnífico seguirá esperándonos, idéntica a como estaba al principio, la pregunta que abre este artículo. Vivir el momento en que herramientas como la IA empiezan a empujar esa frontera —sabiendo que probablemente no la cruzaremos— es, para mí, parte de lo que hace que la pregunta valga la pena.

Este artículo separa deliberadamente hecho verificado, hipótesis científica y especulación. Donde la ciencia entrega el testigo a la filosofía, lo digo. Si detectas un error o quieres discutir alguno de los modelos, los comentarios están abiertos.