En el espacio de Sitter en expansión la mecánica cuántica se vuelve aún más esquiva

La forma básica que mejor describe nuestro universo en expansión (de Sitter) es también la más difícil de entender para los físicos.

Un artículo de Shalma Wegsman. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

En teoría, un universo puede tener cualquier forma o tamaño, pero los científicos prefieren pensar en tres tipos básicos de universos: uno que se expande, uno que se contrae y uno que permanece igual. De estos tres modelos simplificados, el universo en expansión es el más difícil de entender para los físicos. Sin embargo, es precisamente al que más se parece nuestro mundo real.

Cuando los físicos calculan qué ocurre con las partículas en las escalas cuánticas más pequeñas en un universo que se contrae o que es estático, consiguen que los resultados tengan sentido. Por desgracia, nuestro universo real no se contrae ni es estático, sino que se expande, impulsado por la energía oscura.

Cuando los científicos intentan dar sentido a la teoría cuántica en un universo en expansión, se encuentran con una paradoja desconcertante tras otra. En un espacio en expansión, los físicos no logran reconciliar el mundo que experimentamos con la forma en que funcionan las cosas en las escalas más pequeñas.

Ahora, los físicos que tratan de entender cómo funciona el mundo cuántico dentro de nuestro universo en expansión esperan aprender de una fuente inesperada: los agujeros negros.

Las formas del espacio-tiempo

En 1915, la teoría de la gravedad de Albert Einstein, llamada relatividad general, introdujo la idea de que el espacio y el tiempo están indisolublemente unidos.

El espacio y el tiempo reaccionan al contenido del universo: si el universo está lleno de materia, con el tiempo la atracción gravitatoria de esa materia debería hacer que el espacio se contraiga. Si el universo contiene suficiente energía oscura —o lo que en tiempos de Einstein se llamaba una constante cosmológica—, entonces con el tiempo su empuje debería hacer que el espacio se expanda.

Cuando Einstein escribió por primera vez su teoría general de la relatividad, creía que nuestro universo debía ser eterno e inmutable. En términos geométricos, pensaba que el universo debía ser infinito y plano, y que las fuerzas que empujan y tiran del espacio-tiempo debían cancelarse exactamente.

Pero un físico neerlandés llamado Willem de Sitter tenía una mentalidad más abierta. Se dio cuenta de que era una consecuencia natural de la relatividad que el universo evolucionara. Entre 1916 y 1917, de Sitter publicó tres artículos en los que exploraba las posibilidades de la relatividad. (En el proceso, dio a conocer a muchos lectores anglófonos las teorías de Einstein, que, escritas originalmente en alemán, habían quedado aisladas por la interrupción de las comunicaciones científicas durante la Primera Guerra Mundial).

de Sitter descubrió que un universo vacío —sin materia, pero que aún conserva una constante cosmológica— podía adoptar solo una de tres formas, según el signo de la constante cosmológica: podía ser plano, como predijo Einstein, tener curvatura positiva o tener curvatura negativa.

Si la constante cosmológica es positiva, entonces el espacio-tiempo tiene curvatura positiva y forma lo que hoy se llama espacio de Sitter. Si la constante cosmológica es negativa, entonces el espacio-tiempo tiene curvatura negativa y forma un espacio anti-de Sitter. Y si la constante cosmológica es cero, entonces el espacio-tiempo es plano.

Se puede reconocer la forma del universo en el que estás observando cómo evolucionan dos objetos, por lo demás inmóviles, a medida que avanza el tiempo. Imagina que marcas dos puntos en un globo; si inflas el globo, los dos puntos se alejarán entre sí a medida que el globo se expande. Eso es lo que ocurre en un espacio-tiempo con curvatura positiva. En un espacio-tiempo con curvatura negativa, las partículas estacionarias se acercan unas a otras, como si el globo se estuviera desinflando.

En el espacio de Sitter con curvatura positiva, el espacio se expande a un ritmo exponencial. Si eres un observador que vive dentro de un espacio de Sitter, esta expansión crea un horizonte más allá del cual es imposible comunicarse. Si intentas enviar un mensaje a alguien situado más allá de tu horizonte, la expansión del espacio hará que nunca llegue, casi como una corriente demasiado fuerte para que un nadador pueda vencerla. “Se está expandiendo tan rápido que hay partes del espacio-tiempo que, si esperas eternamente, nunca podrás ver”, explica Monica Pate, física teórica de la Universidad de Nueva York.

El espacio anti-de Sitter, en cambio, actúa como una caja. El borde de esta caja no es algo que puedas tocar —solo la luz puede alcanzarlo—, pero delimita un universo anti-de Sitter como si fuera el marco de un cuadro. Todo es atraído de vuelta hacia el centro de la caja. Si emites un mensaje en un espacio anti-de Sitter, o lanzas una piedra, con el tiempo volverá hacia ti como un bumerán.

No vivimos exactamente en ninguno de estos universos idealizados; vivimos en un universo con una cantidad desequilibrada tanto de materia como de energía oscura. Sin embargo, es probable que nuestro universo se pareciera mucho al espacio de Sitter en el pasado remoto, durante un periodo de expansión rápida llamado inflación. Después, durante un tiempo, pareció más plano gracias a la presencia de materia y luz. Pero, a medida que el espacio sigue expandiéndose hoy y la materia se vuelve más dispersa, el universo vuelve a parecerse cada vez más al espacio de Sitter.

“La gente piensa que, con el tiempo, viviremos en el espacio de de Sitter puro, o algo parecido, durante muchísimo tiempo”, apunta Daniel Green, cosmólogo de la Universidad de California en San Diego.

Preguntas cuánticas

Por desgracia, el espacio de Sitter plantea enormes problemas a los físicos que intentan comprender el universo en las escalas más pequeñas. El problema, como sucede tan a menudo, reside en las extrañas reglas de la mecánica cuántica.

En mecánica cuántica no existe la certeza. Debido a las fluctuaciones cuánticas aleatorias, incluso preguntas sencillas sobre dónde está una partícula o cuántas partículas hay en una pequeña región no tienen respuestas bien definidas.

Y, sin embargo, necesitamos sondear esos fragmentos diminutos del espacio para entender cómo se relaciona el mundo cuántico con nuestra experiencia macroscópica. Cuanto mayor sea la precisión que se busca, más energía hay que emplear para superar el fondo de fluctuaciones cuánticas. Básicamente, esta es la razón por la que los físicos utilizan colisionadores de partículas de kilómetros de longitud que aceleran partículas hasta energías enormes.

Pero hay un límite a la cantidad de energía que se puede usar en una sola medición. Si concentras demasiada energía en un espacio pequeño, crearás un agujero negro. Para realizar mediciones precisas sin alcanzar ese límite, los físicos necesitan encontrar otra manera de reducir las fluctuaciones cuánticas.

En un espacio plano, los físicos pueden hacerlo tomando mediciones desde una distancia (prácticamente) infinita, lo bastante lejos como para proteger sus instrumentos de medida de las fluctuaciones. En el espacio anti-de Sitter es incluso más fácil: las fluctuaciones cuánticas se anulan en la frontera de un universo con forma de caja, de modo que se pueden interpretar perfectamente las mediciones cuánticas situando el experimento en el borde del universo.

En el espacio de Sitter hay un problema. A medida que te alejas de las partículas que estás midiendo, las fluctuaciones cuánticas no se hacen más pequeñas. Sin una frontera accesible desde la que efectuar una medición, es como si un experimentador en el espacio de Sitter estuviera siempre atrapado dentro de su propio experimento.

Toda la maquinaria de la mecánica cuántica está construida sobre la idea de que existe un sistema cuántico y luego llega un experimentador externo que mide ese sistema. En el espacio de Sitter, donde no hay línea divisoria entre el sistema cuántico y el observador, esa maquinaria se viene abajo.

A través del espejo

Los problemas con el espacio de Sitter empeoran. Gran parte de la intuición de los físicos deja de ser útil en un universo en expansión. La energía, por ejemplo, no se conserva. «La expansión está literalmente bombeando energía, transformando el universo», explica João Penedones, del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana.

Incluso el concepto de partícula es diferente. Solemos pensar en una partícula como un objeto que tiene una ubicación y se mueve por el espacio. En de Sitter no existe tal cosa. La entrada constante de energía en el espacio de Sitter acabará haciendo que una partícula se disperse o decaiga.

En un artículo publicado por primera vez en el servidor de preprints científicos arXiv en mayo de 2025, Penedones y Loparco plantearon una pregunta sencilla: ¿qué aspecto tiene un fotón, o partícula de luz, en un espacio en expansión exponencial? La respuesta, surgida de unas matemáticas minuciosas, los dejó atónitos. Los fotones, que no tienen masa, podrían estar formados por partículas masivas en el espacio de Sitter.

El hallazgo tiene implicaciones extrañas. Por ejemplo, si los fotones no tienen masa, deberían ser estables, porque las partículas solo pueden decaer en otras más ligeras. Pero los fotones masivos en el espacio de Sitter podrían decaer espontáneamente en materia, que después podría volver a decaer en luz.

Este es el tipo de cálculos que los físicos están tratando de entender en el espacio de Sitter. Su objetivo es separar los problemas técnicos difíciles de los problemas conceptuales difíciles, preguntándose qué podemos calcular y qué no. La esperanza es que este trabajo deje a los científicos en una posición mucho mejor para resolver algunos de esos otros problemas mayores, porque no los confundirán con problemas más pequeños y manejables.

Penedones sigue encontrando valor en el desafío de intentar comprender distintas versiones del universo —de Sitter, anti-de Sitter, plano—, aunque solo sea para entender mejor la teoría cuántica. El espacio de Sitter muestra que la intuición que desarrollas en un espacio plano no es válida en todos los espacios.

Llevando los límites más allá

Para intentar entender la mecánica cuántica del espacio de Sitter, algunos físicos han recurrido a los agujeros negros. Los agujeros negros son objetos ultradensos de los que la luz no puede escapar. Aunque no se puede explorar físicamente un agujero negro, los físicos han estudiado teóricamente su interior. Y en los últimos años han hecho grandes progresos.

Los avances en la comprensión de los agujeros negros se basan en la holografía, la idea de que la superficie bidimensional del agujero negro capta de algún modo todo lo que hay en el espacio tridimensional de su interior. Los físicos tratan el volumen del agujero negro como algo ilusorio, como un holograma.

Los agujeros negros han sido entornos útiles para estudiar la gravedad cuántica, ya que la gravedad extrema de un agujero negro actúa con fuerza incluso en la escala cuántica. Pero en los últimos años los físicos han observado que los agujeros negros también se parecen sorprendentemente al espacio de Sitter.

Alrededor de un agujero negro, la región en la que la luz ya no puede vencer la atracción gravitatoria del agujero forma lo que se llama un horizonte. En el espacio de Sitter, alrededor de un observador se forma una especie de horizonte porque el espacio se expande demasiado rápido para que la luz le alcance desde más allá de cierta distancia. Si nuestro universo sigue expandiéndose eternamente, como predicen los físicos, será como si estuviéramos atrapados en un agujero negro; todo lo que quede más allá de nuestro horizonte de Sitter permanecerá siempre fuera de nuestro alcance.

“Consideramos la cosmología de los agujeros negros como una especie de problema de entrenamiento para comprender los efectos cuánticos y la cosmología”, comenta Tom Hartman, físico de la Universidad de Stanford. “Así que cada vez que avanzamos en el estudio de los agujeros negros, volvemos a preguntarnos: ¿Podemos aplicar esto al agujero negro de de Sitter?”.

Hasta ahora, cuando Hartman y otros han intentado aplicar sus avances en la comprensión de los agujeros negros al espacio de Sitter, no parecen conseguir que los resultados tengan sentido. Un agujero negro tiene un único horizonte, mientras que el espacio de Sitter tiene muchos, centrados en distintos observadores. Sin una única frontera sobre la que anclar los cálculos, un universo de Sitter parece incapaz de albergar nada cuántico.

Esto contrasta claramente con el mundo que observamos, que está lleno de partículas cuánticas y cada vez se parece más a de Sitter.

Aun así, los físicos confían en que la holografía se aplique algún día de forma más general al espacio de Sitter y responda a algunas de nuestras mayores preguntas sobre la gravedad cuántica.

Qué otras sorpresas guarda de Sitter está aún por verse, pero el terreno parece especialmente fértil para obtener nuevas ideas.

El artículo original, In Expanding de Sitter Space, Quantum Mechanics Gets Even More Elusive, se publicó el 30 de marzo de 2026 en Quanta Magazine. Cuaderno de Cultura Científica tiene un acuerdo de distribución en castellano con Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López