La cosmología cuántica es la rama de la cosmología que describe los primeros instantes del universo, durante los cuales el universo se considera como un objeto de comportamiento cuántico. La física cuántica explica el comportamiento de la materia a escala atómica y subatómica, donde la física clásica no es válida. La aplición de la física cuántica a la cosmología atañe a los primeros instantes del universo ya que en ellos éste era de tamaño subatómico. La razón para esto se encuentra en la relatividad general, la actual teoría de la gravitación que nos describe un universo en constante expansión. En el pasado, las distancias en el universo fueron más pequeñas y a medida que imaginamos pasados más distantes debemos considerar distancias aún más pequeñas. Con ello, la densidad de materia y la radiación fueron mayor y el universo por tanto más caliente y con mayor energía por unidad de volumen.

Se llega así a un instante inicial predicho por la teoría en el cual las distancias debieron ser nulas y la densidad de energía infinita. A este instante se lo denomina usualmente big-bang. La relatividad general, una teoría clásica de la gravitación, predice su propia incapacidad de describir estados como los agujeros negros o el big-bang, denominados singularidades, en los que la densidad de energía es infinita. Esto hace que el campo gravitatorio sea igualmente infinito en la singularidad.

Estríctamente, la relatividad general resulta ser la herramienta inadecuada para describir la evolución del universo en una época ya anterior al tiempo de Planck. Se cree que toda interacción ha de estar sometida a los principios de la física cuántica ahí donde la física cuántica es aplicable (a escala atómica y subatómica). La gravitación no ha de ser una excepción, lo cual significa que la relatividad general no puede ser una teoría completa para todo el rango de fenómenos gravitatorios. Antes del tiempo de Planck las energías involucradas son tan grandes y las distancias tan pequeñas que los efectos cuánticos del campo gravitatorio dejan de ser despreciables y se conviertan en ingrediente necesario para cualquier descripción consistente y completa de la física del universo.

Aunque ambos tienen una relación muy íntima con el tiempo
no es de buen gusto confundir al violento big bang con el elegante big ben

Para formular una cosmología cuántica es necesaria por tanto una teoría de gravedad cuántica que unifique la relatividad general con la mecánica cuántica. Existen diferentes propuestas para teorías de gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de lazos, entre otras. Estas teorías se formulan en base a postulados diferentes y aplicandolas a las condiciones que observamos en el universo para crear modelos sencillos, dan lugar a diferentes modelos de cosmología cuántica.

Por el momento, ninguno de las teorías de gravedad cuántica ni ninguno de los modelos de cosmología cuántica tiene soporte experimental, aunque la verificación de ciertas propiedades de algunos modelos de cosmología cuántica podría estar al alcance de la tecnología dentro de unos años.

La valoración actual de los modelos sólo posible en base a argumentos teóricos. Como hemos visto, la descripción física antes del tiempo de Planck requiere de una física nueva de altas energías. Precisamente uno de los pilares fundamentales sobre los que se asienta la cosmología clásica estándar es la existencia de una fase inflacionaria de expansión acelerada con orígen en una física de altas energías. La razón de esta fase es que el universo debe ser grande ya muy temprano y debe serlo tras expandir violentamente. Esto debe ser así porque el fondo cósmico de microondas que observamos hoy es muy homogeneo, cosa que nos indica que debió estár en contacto térmico en el pasado. El contacto de todo él en el pasado debió requerir de una fase de expansión violenta, ya que el universo observable (que podemos observar en el cielo) actual es sorprendentemente grande, más grande de lo que un modelo sin fase inflacionaria predice. La fase inflacionaria también tiene otras razones de ser, como la curvatura del espacio, aspecto cuya relación con la cosmología cuántica mencionaremos aquí.

Esta fase inflacionaria se inicia tras el tiempo de Planck o quizás ya antes de él, y es esencial en el marco de la cosmología estándar porque da lugar a (i) la homogeneidad observada hoy en el fondo cósmico de microondas así como en la distribución de estructuras materiales de gran escala, (ii) la curvatura nula del espacio observada hoy, (iii) la aparición de primeras inhomogeidades dentro de la homogeneidad que crea, las cuales serán el orígen de las grandes estructuras materiales observadas hoy. No obstante, una explicación convincente sobre el orígen de esta fase, así como de sus condiciones iniciales, quedan difuminados y ocultos en la física de altas energías. La cosmología cuántica ha de proporcionar un marco adecuado en el que una fase inflacionaria aparezca de forma natural.