El físico holandés Willem de Sitter también examinó otros casos. Se dio cuenta de que el universo podría evolucionar de la misma manera. Entre 1916 y 1917 publicó varios artículos en los que examinaba las posibilidades que ofrecía la teoría de la relatividad. De esta manera, presentó a muchos expertos de habla inglesa las teorías de Einstein, que fueron escritas originalmente en alemán y que permanecieron en gran medida inaccesibles debido al intercambio científico interrumpido durante la Primera Guerra Mundial.
De Sitter descubrió que un universo vacío -sin materia pero con una constante cosmológica- sólo puede adoptar tres formas posibles, dependiendo del signo de la constante cosmológica: puede ser plano, como predijo Einstein, curvado positivamente o curvado negativamente.
Si la constante cosmológica es positiva, el espacio-tiempo tiene una curvatura positiva y corresponde al llamado espacio de De Sitter. Una constante cosmológica negativa curva negativamente el espacio-tiempo, conocido como espacio anti-de Sitter. Y con una constante cosmológica de cero, el espacio-tiempo es plano.
Estas diferentes formas se pueden ilustrar mediante el comportamiento de dos objetos en su interior. Imagínese anotar dos puntos en un globo; A medida que lo inflas, los dos puntos se alejarán con el tiempo. Esto corresponde al comportamiento en el espacio-tiempo con curvatura positiva. En el espacio-tiempo con curvatura negativa, los objetos se acercan unos a otros con el tiempo, como si el globo estuviera perdiendo aire.
En el espacio de De Sitter con curvatura positiva, el espacio se expande a un ritmo exponencial. Para el observador, en su interior se dibuja un «horizonte», una frontera más allá de la cual no es posible ninguna comunicación. Si intentas enviar un mensaje a alguien fuera de tu horizonte, nunca lo recibirá debido al espacio demasiado dilatado. Es como una corriente demasiado fuerte para un nadador. «El espacio se está expandiendo tan rápido que hay áreas que, incluso si esperas una eternidad, nunca verás», explica la física teórica Monica Pate de la Universidad de Nueva York.
© Equipo científico de NASA/WMAP; Editar: Espectro de la ciencia (extracto)
Universo Anti-De Sitter | Un cosmos vacío tiene una curvatura positiva (arriba), una curvatura negativa (medio) o una curvatura plana (abajo).
La sala Anti-de Sitter, en cambio, parece una caja cerrada. Sólo la luz puede llegar al borde de esta caja, que sin embargo contiene, como un marco, un universo anti-de Sitter. Todo está reportado en el centro de este recuadro. Si envía una señal a la sala Anti-de Sitter, se la devolverá. «Se puede considerar como una gravedad omnipresente», explica Pate.
No vivimos en ninguno de estos universos idealizados. En nuestro mundo real vivimos entre una cantidad desequilibrada de materia y energía oscuras. Durante la inflación cósmica, es decir, inmediatamente después del Big Bang, el espacio se expandió exponencialmente y, por tanto, se parecía al espacio de De Sitter. Posteriormente adquirió una forma más plana debido a la presencia de materia y luz.
Pero desde entonces el espacio se ha expandido cada vez más rápido, hasta el punto de que el cosmos se parece cada vez más al espacio de De Sitter. «La gente piensa que tarde o temprano volveremos a vivir en el espacio puro y durante mucho tiempo», dice el cosmólogo Daniel Green de la Universidad de California en San Diego.
Desafortunadamente, el espacio de De Sitter plantea enormes dificultades si se quiere comprender el universo a menor escala. El problema reside, como suele ocurrir, en las extrañas reglas de la mecánica cuántica.
Fotones, que consisten en partículas masivas.
No hay certezas en la mecánica cuántica. Debido a las fluctuaciones aleatorias de la mecánica cuántica, no existe una respuesta exacta ni siquiera a preguntas fundamentales, como la posición de una partícula o el número de partículas en un área pequeña.
Sin embargo, debemos examinar este nivel micro para comprender cómo se relaciona el mundo cuántico con nuestro mundo en el nivel macroscópico. Cuanto más precisamente se quiera medir las partículas cuánticas, más energía se necesitará para ver a través de las fluctuaciones. Esta es esencialmente la razón por la que los expertos empujan las partículas a enormes energías en aceleradores de kilómetros de longitud.
Sin embargo, existe un límite en la cantidad de energía que se puede utilizar para una sola medición. Si liberas demasiada energía en un área pequeña del espacio, creas un agujero negro. Todavía estamos lejos de acercarnos a este rango de energía en experimentos, pero esto también impone límites a los cálculos teóricos. Por tanto, los expertos deben encontrar otras formas de reducir las fluctuaciones cuánticas.
En un espacio plano, las mediciones deben realizarse desde una distancia (efectivamente) infinitamente grande, lo suficientemente alejada para proteger los instrumentos de medición de fluctuaciones. En el espacio Anti-de Sitter es aún más sencillo: las fluctuaciones cuánticas desaparecen en el borde del universo cerrado, por lo que, en teoría, se pueden realizar mediciones perfectas mediante experimentos en el borde.
Sin embargo, existe un problema con el espacio para sentarse. Cuanto más nos alejamos de los objetos a medir, mayores se vuelven las fluctuaciones cuánticas. «La gravedad debería fluctuar en todas partes debido a los efectos de la mecánica cuántica», explica Green. «No hay lugar para protegerse de ello». Sin un límite accesible desde el cual realizar una medición precisa, es como si un experimentador en el espacio de De Sitter estuviera siempre atrapado en su propio experimento.
«Toda la mecánica cuántica se basa en la idea de que existe un sistema cuántico y un experimentador externo macroscópico que mide este sistema», dice Green. En el espacio de De Sitter, donde no existe una separación clara entre sistema y observador, la teoría colapsa.
Los problemas en el espacio De Sitter van aún más lejos. Gran parte de aquello en lo que se basa nuestra intuición física pierde su validez en un universo en expansión exponencial. Por ejemplo, no se aplica la ley de conservación de la energía. “La expansión literalmente bombea energía al universo y lo transforma”, observa João Penedones, de la EPFL en Lausana.
Esto cambia el concepto de partícula en el espacio en expansión exponencial. Generalmente pensamos en una partícula como un objeto ubicado en algún lugar y que se mueve en el espacio. «No hay nada parecido en el universo de De Sitter», afirma el físico Manuel Loparco de la Universidad de Turín. El flujo constante de energía garantiza que una partícula, por así decirlo, fluya o se desintegre.
«El caso De Sitter demuestra que nuestra intuición, que se basa en un espacio plano, no es válida en todos los espacios»João Penedones, físico
En un artículo publicado en mayo de 2025, Penedones y Loparco plantearon una pregunta sencilla: ¿Cómo se ve un fotón, un cuanto de luz, en un espacio en expansión exponencial? La respuesta fue impactante: sus cálculos demostraron que los fotones sin masa en el espacio de De Sitter podrían estar compuestos de partículas masivas.
Esto lleva a extrañas consecuencias. Los fotones sin masa son estables porque las partículas sólo se descomponen en otras más ligeras. Pero los fotones masivos en el espacio de De Sitter podrían transformarse espontáneamente en materia y luego volver a ser luz. “Todavía estamos intentando entender las consecuencias físicas”, admite Penedones. Los expertos apenas empiezan a tener una visión general de los desafíos técnicos y los conceptos fundamentales del espacio De Sitter. Según Green, todavía se encuentran en las primeras etapas y sólo gradualmente entenderán lo que realmente pueden calcular.
Penedones cree que es de gran valor examinar diferentes versiones de universos -de Sitter, anti-de Sitter, plano- para comprender mejor la propia mecánica cuántica: «El caso de De Sitter muestra que nuestra intuición, que se basa en un espacio plano, no se cumple en todos los espacios».
Los agujeros negros como campo de pruebas
Para comprender la mecánica cuántica del propio espacio de De Sitter, algunos expertos recurren a los agujeros negros: objetos ultradensos de los que ni siquiera la luz puede escapar. Si bien no es posible estudiar los agujeros negros directamente, sí es posible abordarlos matemáticamente. Ha habido algunos avances en este sentido en los últimos años.
Muchos de ellos se basan en el principio holográfico, la idea de que la superficie bidimensional de un agujero negro contiene toda la información sobre el espacio tridimensional que contiene. Por tanto, el volumen del agujero negro es algo así como un holograma. Sin embargo, la idea no se basa originalmente en un universo modelo de De Sitter, sino más bien en un universo modelo anti-de Sitter. Aquí los físicos buscan una teoría de la gravedad cuántica.
Los agujeros negros son un punto de partida para explorar una posible teoría cuántica de la gravedad porque su gravedad extrema también afecta en gran medida a las partículas cuánticas. En los últimos años, los expertos también han observado que los agujeros negros son sorprendentemente similares al espacio de De Sitter.
Cerca de un agujero negro, la zona desde la cual la luz ya no puede escapar de la fuerza gravitacional forma el llamado horizonte de sucesos. En el espacio de De Sitter también se forma una especie de horizonte alrededor de cada observador, porque el espacio se expande demasiado rápido para que la luz llegue a la persona más allá de una cierta distancia. Si, como sospechan los físicos, nuestro universo se expandiera más y más rápido, sería como si viviéramos en un agujero negro: todo lo que estuviera más allá de nuestro horizonte de De Sitter permanecería para siempre inaccesible.
Sagitario A* | El agujero negro en el centro de la Vía Láctea, capturado por el Telescopio Event Horizon.
«Consideramos los agujeros negros como una especie de banco de pruebas para comprender los efectos de la mecánica cuántica en la cosmología», dice el físico Tom Hartman de la Universidad de Stanford. “Cada vez que avanzamos con los agujeros negros, nos preguntamos: ¿esto también se aplica al Asentado?”
Sin embargo, hasta ahora los físicos no han logrado transferir sus avances de la investigación de los agujeros negros al espacio de De Sitter. Un agujero negro tiene un único horizonte, mientras que el espacio de De Sitter tiene muchos, cada uno centrado en un observador. Sin un límite único para anclar los cálculos, el universo de De Sitter parece inadecuado para contener algo de mecánica cuántica. «Hay algo vacío en ello», dice Hartman. «Si intentas formular una teoría cuántica del espacio de De Sitter, parece que no contiene estados».
Esto está en marcado contraste con el mundo que observamos. Después de todo, contiene innumerables partículas cuánticas, pero cada vez se parece más a un universo de De Sitter. «Probablemente estemos interpretando estos cálculos incorrectamente», sospecha Green.
Sin embargo, los físicos esperan que algún día el principio holográfico pueda aplicarse de manera más general en el espacio de De Sitter y responder preguntas sobre la gravedad cuántica. «Siempre lo hemos creído, pero en los últimos años esta hipótesis se ha vuelto cada vez más convincente», afirma Hartman.
