Una nueva teoría cuántica redefine el big bang: así pudo surgir la expansión del universo
Una nueva propuesta teórica sugiere que la expansión inicial del cosmos no fue un fenómeno añadido, sino una consecuencia inevitable de la propia gravedad cuántica. El descubrimiento podría cambiar nuestra comprensión del big bang y acercar, por primera vez, la física del origen del universo a observaciones medibles.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Ilustración conceptual del universo primitivo: la expansión tras el Big Bang podría surgir de forma natural de una teoría cuántica de la gravedad, sin necesidad de añadir nuevos elementos. Crédito: IA-DALL-E-RexMolón Producciones
Qué propone la nueva teoría del big bang basada en gravedad cuántica
En los primeros instantes del universo, cuando todo estaba comprimido en una densidad y temperatura inimaginables, las leyes de la física que hoy conocemos dejan de ser fiables. La teoría de la relatividad general de Einstein, que describe con precisión la gravedad a gran escala, se rompe ante ese límite extremo.
Desde hace décadas, los físicos buscan una teoría más fundamental que permita entender qué ocurrió realmente en ese origen: el llamado big bang. Como todo el mundo sabe, este es el modelo cosmológico que describe el origen del cosmos como una expansión a partir de un estado extremadamente denso y caliente hace unos 13.800 millones de años. Fue propuesto en las primeras décadas del siglo XX por el sacerdote y físico belga Georges Lemaître, quien planteó que el universo se había originado a partir de lo que llamó un átomo primigenio. Posteriormente, observaciones como la expansión de las galaxias y la detección del fondo cósmico de microondas consolidaron esta teoría como el marco estándar para explicar la evolución del universo.
Pues bien, un nuevo trabajo teórico propone ahora una vía sugerente para responder al misterio de la creación: la expansión inicial del cosmos podría surgir directamente de una versión cuántica de la gravedad, sin necesidad de ingredientes adicionales.
El estudio, firmado por Ruolin Liu, Jerome Quintin y Niayesh Afshordi, plantea un escenario en el que la inflación —la fase de expansión acelerada del universo que habría tenido lugar justo después de la gran explosión— emerge de manera natural a partir de una teoría conocida como gravedad cuadrática cuántica. Según los autores, esta aproximación no solo evita algunos problemas conceptuales de modelos anteriores, sino que además encaja mejor con ciertos datos cosmológicos recientes.
Por qué la relatividad general no basta para explicar el big bang
La relatividad general ha sido extraordinariamente exitosa para describir el universo, desde la órbita de los planetas hasta la dinámica de las galaxias o la existencia de los agujeros negros. Pero tiene límites claros. Es, en palabras de los propios investigadores, una teoría efectiva: funciona bien a ciertas escalas, pero deja de ser válida cuando las energías son extremadamente altas, como en el instante inicial del cosmos.
En ese régimen, aparecen problemas como las singularidades —puntos donde las magnitudes físicas se vuelven infinitas— y la imposibilidad de combinar de forma coherente la gravedad con la mecánica cuántica. Para superar estas dificultades, los físicos han explorado teorías de gravedad cuántica que modifican la propia estructura de la gravedad.
Una de esas propuestas consiste en añadir términos más complejos a las ecuaciones de Albert Einstein, en particular aquellos que dependen del cuadrado de la curvatura del espacio-tiempo. Esta extensión, conocida como gravedad cuadrática, tiene una propiedad clave: puede ser renormalizable, es decir, permite tratar las interacciones cuánticas de manera consistente sin generar infinitos incontrolables.
Una gravedad que cambia con la energía
El trabajo de Liu, Quintin y Afshordi, que aparece publicado en el Physical Review Letters, va un paso más allá al considerar la versión cuántica de esta teoría. En este marco, las constantes que describen la gravedad no son fijas, sino que cambian con la energía, un fenómeno conocido como running cuántico o corrimiento. Este comportamiento se describe mediante las llamadas funciones beta, que indican cómo evolucionan los parámetros de la teoría al variar la escala física.
El resultado es una imagen dinámica de la gravedad: en el universo primitivo, a energías extremadamente altas (el llamado régimen ultravioleta), la gravedad cuadrática se comporta de forma libre, o sea, las interacciones son débiles. A medida que el universo se expande y la energía disminuye, las interacciones se vuelven más intensas hasta dar lugar, finalmente, a la gravedad que conocemos hoy.
Esta transición recuerda a lo que ocurre en la cromodinámica cuántica —la teoría de las fuerzas nucleares— donde los cuarks—son partículas fundamentales que forman los protones y neutrones, es decir, los componentes básicos de los átomos— se comportan como partículas libres a altas energías, pero quedan confinados a bajas energías.
De manera análoga, la relatividad general emergería como una descripción efectiva de la gravedad cuando la teoría cuántica entra en un régimen de acoplamiento fuerte.
Niayesh Afshordi, físico de la Universidad de Waterloo, durante una explicación en pizarra de los modelos que exploran el origen cuántico de la expansión del universo. Cortesía: Universidad de Waterloo
Cómo surge la inflación del universo sin añadir nuevas hipótesis
Uno de los aspectos más interesantes del estudio es que la inflación cósmica no se introduce a mano, como en muchos modelos cosmológicos, sino que surge de forma natural del propio comportamiento cuántico de la gravedad.
En los modelos tradicionales, como el famoso escenario de Starobinsky, la inflación se obtiene añadiendo términos específicos a las ecuaciones o introduciendo campos adicionales; el escenario de Starobinsky es un modelo de inflación del cosmos temprano que explica la expansión rápida inicial añadiendo un término extra (R²) a las ecuaciones de la gravedad de Einstein, sin necesidad de introducir nuevas partículas.
En cambio, en esta nueva propuesta, la inflación aparece como consecuencia directa de cómo evolucionan los parámetros de la gravedad cuadrática cuántica con la energía.
En términos sencillos, el universo primitivo estaría gobernado por una forma pura de esta teoría. A medida que la escala de energía cambia, las correcciones cuánticas rompen una simetría inicial y generan un estado casi estable —similar a un espacio de De Sitter— que impulsa la expansión acelerada del universo.
🗣️«Este trabajo muestra que el crecimiento explosivo inicial del universo puede surgir directamente de una teoría más profunda de la propia gravedad. En lugar de añadir nuevos elementos a la teoría de Einstein, descubrimos que la expansión rápida emerge de forma natural cuando la gravedad se trata de una manera que sigue siendo consistente a energías extremadamente alta», explica Afshordi, del Departamento de Física y Astronomía, en la Universidad de Waterloo (Canadá).
Este proceso da lugar a una fase de inflación lenta en la que el universo se expande de forma exponencial durante un breve periodo. Luego, el sistema abandona esa fase y entra en un régimen dominado por la energía cinética, antes de evolucionar hacia el universo observable caliente y lleno de radiación que describen los modelos estándar.
El papel de los campos invisibles
Para que este mecanismo funcione, el modelo requiere la presencia de un gran número de campos de materia, incluso si estos no están excitados en el universo primitivo. Sus fluctuaciones cuánticas influyen en la evolución de la gravedad y, por tanto, en la dinámica cosmológica.
Los cálculos sugieren que podrían ser necesarios entre cien mil y un millón de estos campos para reproducir las observaciones actuales.
Aunque esta cifra puede parecer desmesurada, no es necesariamente incompatible con algunas teorías más amplias de la física de partículas, como ciertos enfoques holográficos o modelos más allá del estándar.
Predicciones observables: cómo se puede comprobar esta teoría
Una teoría cosmológica no solo debe ser elegante, sino también contrastable con los datos. En este sentido, los autores comparan sus predicciones con las observaciones del fondo cósmico de microondas, la radiación fósil del big bang. Recordemos que la radiación de fondo de microondas es la radiación más antigua del universo, una luz fósil que se originó unos 380.000 años después del big bang y que hoy llena todo el espacio como un tenue resplandor en microondas.
Dos parámetros clave son el índice espectral y la relación tensor-escalar, ambos fundamentales para conectar las teorías del universo temprano con las observaciones actuales:
1️⃣ El índice espectral (ns) describe cómo se distribuyen las fluctuaciones primordiales de densidad, es decir, las pequeñas variaciones en la materia y la energía que existían justo después del big bang y que dieron lugar a galaxias y estructuras cósmicas. En términos sencillos, indica si esas irregularidades son iguales a todas las escalas o si predominan más en tamaños grandes o pequeños. Un valor cercano a 1 significa que las fluctuaciones son casi uniformes, algo que encaja muy bien con lo que observamos en el universo.
2️⃣ Por su parte, la relación tensor-escalar (r) mide la proporción entre dos tipos de perturbaciones generadas durante la inflación: las escalares, que están asociadas a la distribución de la materia (y que vemos reflejadas en el fondo cósmico de microondas); y las tensoriales, que corresponden a ondas gravitacionales primordiales, es decir, ondulaciones del propio espacio-tiempo producidas en los primeros instantes del universo. Cuanto mayor es este valor, mayor sería la intensidad de esas ondas gravitacionales, lo que permitiría detectarlas con instrumentos cada vez más precisos.
En conjunto, estos dos parámetros actúan como una huella digital del universo primitivo: permiten distinguir entre distintos modelos de inflación y poner a prueba teorías como la gravedad cuántica a partir de datos observacionales.
El modelo de gravedad cuadrática cuántica predice valores ligeramente distintos a los de los escenarios clásicos de inflación, acercándose en algunos casos a las tendencias que sugieren los datos más recientes. En particular, implica que la relación tensor-escalar no puede ser arbitrariamente pequeña y debería ser, como mínimo, del orden de 0,01, un rango que podría ser accesible a futuras observaciones.
🗣️ «Aunque este modelo trata con energías increíblemente altas, conduce a predicciones claras que los experimentos actuales pueden realmente buscar. Ese vínculo directo entre la gravedad cuántica y los datos reales es poco común y emocionante», añade Afshordi.
Comparación entre distintos modelos del universo temprano: la nueva teoría de gravedad cuántica (en color) frente al modelo clásico de Starobinsky (en negro), junto a las regiones donde coinciden con las observaciones actuales del cosmos. Crédito: Physical Review Letters (2026).
Un puente entre lo cuántico y lo cosmológico
Más allá de los detalles técnicos, el trabajo apunta a una idea de gran alcance: es posible conectar de forma directa una teoría cuántica de la gravedad con la evolución del universo a gran escala.
En lugar de tratar la inflación como un fenómeno añadido o independiente, este enfoque la integra en una narrativa más amplia donde el Big Bang, la expansión temprana, el recalentamiento del universo y la aparición de la relatividad general forman parte de un mismo proceso físico.
Este tipo de propuestas buscan precisamente lo que durante décadas ha sido uno de los grandes objetivos de la física teórica: unificar la descripción del universo en todas sus escalas, desde lo más pequeño hasta lo más grande.
Preguntas abiertas
Como suele ocurrir en la frontera del conocimiento, el modelo plantea también numerosas incógnitas. Entre ellas, cómo se comporta la teoría cuando se incluyen efectos más complejos, como correcciones de orden superior, o cómo se resuelven algunos problemas asociados a ciertas partículas fantasma que aparecen en estas formulaciones.
Además, será necesario estudiar con más detalle la transición entre el régimen cuántico inicial y la física conocida, así como el proceso de recalentamiento que da lugar al universo observable.
En paralelo, los próximos experimentos cosmológicos, como nuevas mediciones del fondo cósmico de microondas o la detección de ondas gravitacionales, podrían poner a prueba estas ideas.
Qué cambia en nuestra comprensión del big bang
El big bang sigue siendo, en muchos sentidos, un misterio. Sabemos que el universo se expandió desde un estado extremadamente denso y caliente, pero desconocemos qué leyes regían ese instante inicial.
La propuesta de la gravedad cuadrática cuántica ofrece una perspectiva renovada: quizá no haga falta añadir nuevos ingredientes exóticos, sino entender mejor cómo se comporta la gravedad cuántica cuando se combina con la mecánica cuántica.
Si esta línea de investigación se confirma, podría cambiar la forma en que concebimos el nacimiento del cosmos. No como un punto inexplicable donde las leyes se rompen, sino como una fase coherente de una teoría fundamental del cosmos que, poco a poco, empieza a desvelarse.▪️(30-marzo-2026)
ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA
PREGUNTAS&RESPUESTAS: Universo y Big Bang
🌌 ¿Qué es la inflación del universo?
Es una fase de expansión extremadamente rápida que ocurrió justo después del Big Bang y explica la estructura actual del cosmos.
🌌 ¿Qué es la gravedad cuántica?
Es un intento de unificar la gravedad con la mecánica cuántica para describir fenómenos extremos como el origen del universo.
🌌 ¿Se puede comprobar esta teoría?
Sí. Predice señales como ondas gravitacionales primordiales que podrían detectarse en próximos experimentos.
🌌 ¿Sustituye a la relatividad general?
No directamente. La relatividad general seguiría siendo válida como teoría efectiva a escalas normales.
Información facilitada por laUniversidad de Waterloo
Fuente: Ruolin Liu, Jerome Quintin and Niayesh Afshordi. Ultraviolet Completion of the Big Bang in Quadratic Gravity. Physical Review Letters (2026). DOI: https://doi.org/10.1103/6gtx-j455
