Il·lustració a escala logarítmica de l’univers observable amb el Sistema Solar en el centre, els planetes interiors, el cinturó d’asteroides, els planetes exteriors, el cinturó de Kuiper, el núvol d’Oort, Alfa Centauri, el braç de Perseu, la Via Làctia, Andròmeda i les galàxies pròximes, la teranyina còsmica de cúmuls galàctics, la radiació de fons de microones i el plasma invisible del Big bang en la vorada. [1]
Ara finalment sabem d’on venim, després d’haver caminat a les palpentes des dels orígens més remots. Tot va començar amb el Big bang, fa 13.800 milions d’anys[2], des d’un punt de singularitat en el qual l’espai i el temps sorgeixen tal com els experimentem –res nou– però es tracta d’una teoria jove, amb molts matisos ocults i enigmàtics. En els últims 100 anys la física s’ha endinsat en el món subatòmic i s’han desenvolupat grans projectes tecnològics per comprendre l’origen de l’existent. Per construir el nou relat també serà necessària la inspiració filosòfica dels mites ancestrals, cap camp del pensar és aliè a la magnitud de tema.
La teoria del Big bang fou proposada originalment per George Gamow, Ralph Alpher i Robert Herman, el 1948. Posteriorment, durant els anys 60, diversos astrofísics van reprendre les recerques. Arno Penzias i Robert Wilson van obtenir el Premi Nobel de Física de 1978 pel descobriment de la radiació del fons còsmic de microones. Després d’augmentar un milió de vegades la imatge que havien obtingut es podia captar, clarament, que hi havia una estructura emergent de densitat de matèria en transformació.
La imatge correspon a un Univers gairebé nounat, quan tenia només 380.000 anys.
El senyal del fons de microones envolta el nostre planeta; les antenes de televisió, en sintonitzar un canal, capten encara un 5% de la radiació de llum d’aquell temps original.
En les primeres fraccions de segon del Big bang s’estava creant una dimensió espaitemps que sorgia del no-res. El primer temps es coneix com a temps de Planck (una unitat de temps, considerada com l’interval temporal més petit que pot ser mesurat) –després– al cap de ~10-43 segons tot l’Univers tenia 10-33 cm (100 trilions de vegades més petit que un àtom)[2]. Als ~10-35 segons un canvi de fase va causar que l’Univers s’expandís de manera exponencial durant un període anomenat inflació còsmica.
Les fluctuacions quàntiques van continuar i, passats 300.000 anys, els electrons i els nuclis es van combinar per formar els àtoms (majoritàriament d’hidrogen). La radiació es va desacoblar dels àtoms i va continuar per l’espai, pràcticament sense obstacles. Aquesta és la radiació de fons de microones d’aquell passat remot, que podem captar pel fet que les ones han trigat milions d’anys en arribar al nostre temps actual.
Per poder avançar en la comprensió del que és existent la ciència necessita fonamentar les lleis de la física quàntica. Quina és la naturalesa d’allò més petit?
Els científics del segle XX van establir la idea de camp, com el constituent més bàsic, enfront de l’anterior física de partícules. De manera que les partícules, amb el temps, van passar a ser fluctuacions quàntiques de camps. No obstant això, la física no ha exiliat les partícules, sinó que els ha atorgat una forma vibrant en diverses dimensions.
Se’ns ha presentat el repte de reconsiderar la realitat amb una representació en la qual l’espai buit juga un paper essencial. Segons sosté la ciència actualment, una pedra, una cadira, una persona són essencialment fluctuació de camps, els quals es troben en dimensions del buit.
Si us plau, no desconnectis encara de la lectura… tractarem de posar metàfores.
“Suposem que posem parets de plom a una habitació perquè no entri cap radiació de l’exterior, posem un sistema de refrigeració fins a aconseguir -273º K, imaginem una bomba de buit que sigui capaç d’extreure tot l’aire… Aconseguim trobar-nos a les fosques del tot, freds i sense cap radiació. Així i tot, aquest buit té una estructura o un cert nivell d’energia latent.[4]”
Imaginem-nos que en el buit hi ha camps, que són com una bassa d’aigua on les partícules són petites ones que es propaguen. Ara suposem que, en un d’aquests camps, el camp electrònic, apareixen dos electrons (dos paquets d’ones) que col·lidiran. Els electrons no poden col·lidir perquè tenen la mateixa càrrega i es repel·leixen, però com ho fan? El que ocorre és que s’intercanvien informació a través d’un fotó (partícula mínima de l’energia lumínica) en el camp electromagnètic. Es tracta d’una ona que es mou entre els dos electrons i com a resultat d’aquest senyal es produeix la repulsió dels dos electrons. L’intercanvi d’informació es produeix a través de la llum sense que els electrons arribin a establir contacte físic.
Ho hem escoltat centenars de vegades: “Som llum” i aquesta poètica idea té consistència científica. Ens trobem els electrons que giren al voltant dels protons i ho fan, justament, per aquest principi d’intercanvi de fotons. La matèria –d’un ésser humà, per exemple– es manté unida gràcies a aquest intercanvi de llum.
Els nous paradigmes ens van dur a un món de gran abstracció que només va poder resoldre’s parcialment mitjançant concebre dimensions paral·leles.
Entre altres conseqüències la segona llei de la termodinàmica va començar a ser qüestionada, tal vegada la fletxa del temps sí que era reversible.
A partir del concepte de camp, que originalment va proposar Paul Dirac el 1930, els electrons són ones causades pel camp electrònic. D’aquí sorgeix la suggestiva idea que els fotons, els portadors de la força electromagnètica, tenen aquesta comesa.
Aquest és el punt fonamental en el qual es basa la teoria quàntica de camps que, finalment, va establir Richard Feynman en la dècada dels 80. Per a l’enginyós científic un electró que retrocedeix en el temps és un positró (electró amb càrrega positiva). És una possibilitat real (experimentalment) després del xoc dels nostres dos electrons, després d’haver emès un fotó.
El normal, segons la termodinàmica, és que l’univers avanci cap al desordre i en aquesta percepció se sustenta la nostra idea d’un temps absolut. No obstant això, aquesta llei no és inviolable, el procés invers resulta també possible, encara que, tenint en compte la complexitat matemàtica del càlcul del procés, els neòfits haurem de posar fe en aquest punt.[5]
Tota la física quàntica es redueix a la idea de Feynman de comunicació entre partícules i forces (que són un altre tipus de partícules). Les primeres són els fermions i les segones són els bosons. La comunicació entre elles es realitza mitjançant un vèrtex en la línia del temps.
Aquí hi ha la taula de totes les partícules essencials que coneixem.
En el grup dels fermions trobem els leptons i els quarks que són els que componen la matèria que veiem i, a la dreta, en el grup dels bosons (fotó, gluó, bosó W i Z, gravitó i Higgs) els portadors de forces: forta, electromagnètica, feble i gravetat.
El camp de Higgs seria una espècie de continu que s’estén arreu de l’espai. Igual que el fotó és el component fonamental de la llum, el camp de Higgs requereix l’existència d’una partícula que el compongui: el bosó de Higgs.
Per explicar per què unes partícules tenen massa i d’altres no, es va postular en els anys 60 el mecanisme del camp de Higgs. El bosó de Higgs és una propagació en el camp de Higgs i en la fricció amb el camp s’obté la massa de les partícules, per la qual cosa les partícules que tenen una fricció més gran amb aquest camp tenen una massa més gran. El seu paper és per tant essencial; si l’electró no tingués massa, no hi hauria àtoms, amb la qual cosa no existiria la matèria com la coneixem. Aquesta era l’última peça que faltava per completar el model estàndard de la física de partícules.
El bosó de Higgs no pot ser detectat directament, ja que una vegada es produeix es desintegra gairebé instantàniament i dona lloc a altres partícules elementals més habituals. El que sí que podem veure són les seves petjades, aquestes altres partícules que sí que són detectades en l’accelerador de partícules LHC (article III).
Amb aquestes característiques resulta ser una partícula a la carta, que ofereix just allò que el model estàndard necessita per sostenir-se. Per què no? En l’estrany món de la física quàntica es troba precisament allò que es busca. Una altra de les seves propietats és que pot quedar com a congelat.
Això obre la possibilitat d’una pre-visió del Big bang abans d’ocórrer. Aquesta idea és la que planteja Alan Guth, un Univers que era estàtic i que es manifesta a partir d’una fluctuació quàntica. Tot l’Univers posterior hereta l’estructura de les fluctuacions quàntiques.
Segons aquesta teoria el fet previ al Big bang és anomenat inflatón, d’aquí sorgeixen multitud d’universos com el nostre, encara que no necessàriament amb les mateixes lleis físiques.
No és l’única explicació; una altra possibilitat és que quan una estrella prou gran col·lapsa es forma una supernova i, després d’això es genera un forat negre. En el seu interior es produeix una singularitat, un punt en el qual les solucions de les equacions de la teoria de la relativitat d’Einstein i totes les lleis de la física deixen de tenir sentit. La densitat de la matèria es torna infinita i el temps s’atura (la fletxa del temps deixa de ser unidireccional). En el seu si es podria estar generant un nou Univers, la qual cosa ocorreria en una altra dimensió de l’espaitemps.
Existeixen molts altres plantejaments. El problema aquí és que la imaginació va per davant dels descobriments. La mecànica quàntica és ineludible, no obstant això, resulta incòmoda des del moment que no es pot predir el resultat d’un experiment sinó tan sols la seva probabilitat.
El mateix Richard Feynman deia que “si un creu que ha entès la mecànica quàntica és que no l’ha entès”. Tampoc a Einstein li agradava. Gerardus ‘t Hooft, premi Nobel de Física el 1999, expressa així el problema: “Perfectament podria ser que la mecànica quàntica sigui només una eina i no una teoria que descrigui la naturalesa fonamental de la realitat. Quan parlem de partícules que exhibeixen comportaments quàntics sorprenents, estem parlant de conceptes creats per la ment humana. Pot ser que el concepte de partícula no es correspongui amb la naturalesa última del món.” Segons aquesta interpretació, pròxima a la visió d’Einstein, la teoria quàntica representaria una visió incompleta del món, les misterioses conseqüències del qual serien producte de la nostra falta de coneixement de la veritable naturalesa fonamental de la realitat.
Llavors, com captar en quin punt ens trobem respecte al coneixement del que és existent, després d’un veloç cop d’ull a la física quàntica…?
D’una part, resulta impressionant haver estat capaces de captar un origen de l’Univers –suposadament– conegut, però d’una altra, l’explicació del que és existent continua semblant-se al mite de Gilgamesh, en el qual, després de diverses gestes, l’heroi torna al seu món quotidià amb profunds ensenyaments ètics, però sense la flor de la immortalitat a les seves mans.
Tal vegada hem de lliurar-nos de nou a la inspiració d’aquells mites primigenis i, des d’aquelles inspiracions profundes dels primers temps, continuar desenvolupant la fi inconclusa del sentit. Fora de dogmes, lluny del fardam de confusió al qual es va arribar posteriorment. Almenys la història ja no haurà de bregar d’ara endavant amb els estaments religiosos sumits en un deplorable nivell intel·lectual i ètic.
—
[2] Segons les dades de la sonda Planck de l’Agència Espacial Europea (ESA), el Cosmos té 13.820 milions d’anys. La dada es basa en les observacions de la radiació còsmica de fons de microones i els moviments de les galàxies. El 2017 es va calcular de nou aquesta datació, a partir d’una ona gravitacional, i es va obtenir el resultat d’entre 11.900 i 15.700 milions d’anys, estimació que coincideix amb la mitjana aritmètica de la datació de l’ESA.
[3] Els àtoms són diminuts, amb diàmetres d’aproximadament una deumilionèsima de centímetre. Per fer-nos una idea de la grandària d’un àtom, en 3 gotes d’aigua hi hauria un número equivalent al de les estrelles en l’Univers i, com diu la famosa frase de Carl Sagan, “El nombre d’estrelles en l’univers és major que tots els grans de sorra en totes les platges i deserts del planeta Terra“.
[4] Extracte d’una xerrada de Benjamin Montesinos, Investigador del Centre d’Astrobiologia del CSIC
[5] Lesovik, G.B., Sadovskyy, I.A., Suslov, M.V. et al. Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer. Sci Rep 9, 4396 (2019).
