Ilustración a escala logarítmica del universo observable con el Sistema Solar en el centro, los planetas interiores, el cinturón de asteroides, los planetas exteriores, el cinturón de Kuiper, la nube de Oort, Alfa Centauri, el brazo de Perseus, la Vía Láctea, Andrómeda y las galaxias cercanas, la telaraña cósmica de cúmulos galácticos, la radiación de fondo de microondas y el plasma invisible del Big Bang en el borde. Imagen artística de Pablo Carlos Budassi. [1]
Ahora finalmente sabemos de dónde venimos tras haber andado a tientas desde los orígenes más remotos. Todo comenzó con el Big Bang hace 13.800 millones de años [2], desde un punto de singularidad en el que el espacio y el tiempo surgen tal como lo experimentamos –nada nuevo– pero se trata de una teoría joven, con muchos matices ocultos y enigmáticos. En los últimos 100 años la física se ha adentrado en el mundo subatómico y se han desarrollado grandes proyectos tecnológicos que puedan alumbrar el origen de lo existente. Para construir el nuevo relato será también necesaria la inspiración filosófica de los mitos ancestrales, ningún campo del pensar es ajeno a la magnitud de tema.
La imagen del universo observable que recrea Pablo Budassi necesita de cierta intencionalidad interpretativa. Lo primero que llama la atención es que el Sol aparece en el centro. Otras cuestiones son: ¿por qué en lugar de un punto original el momento del Big Bang se corresponde con el perímetro de la circunferencia?, ¿qué podría haber más allá de ese límite?
Dado que no existe un centro en el Universo es que es lícito fijar el que nos parezca. El surgimiento del universo no resulta –desde la perspectiva de Budassi– un punto, ya que podemos observar su radicación inicial mirando –desde aquí y desde el ahora– en cualquier dirección del firmamento. El punto original está implícito, no representado.
En cuanto a la segunda cuestión, no podemos ver más allá de esta radiación porque, o bien no había nada más allá (sin espacio ni tiempo), o bien no tenemos modo de registrar el mundo cuántico anterior a la formación de los átomos.
La teoría del Big Bang fue propuesta originalmente por George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman en 1948. Posteriormente, durante los años 60 varios astrofísicos retomaron las investigaciones. Arno Penzias y Robert Wilson obtuvieron el Premio Nobel de Física de 1978 por el descubrimiento de la radiación del fondo cósmico de microondas. Después de aumentar un millón de veces la imagen que habían obtenido se podía captar claramente que había una estructura emergente de densidad de materia en transformación.
La imagen corresponde a un Universo casi recién nacido, cuando tenía sólo 380.000 años.
La señal del fondo de microondas envuelve a nuestro planeta; las antenas de televisión captan todavía un 5% de radiación de luz de aquel tiempo original al sintonizar un canal.
En las primeras fracciones de segundo del Big Bang se estaba creando una dimensión espacio-temporal que surgía de la nada. El primer tiempo se conoce como tiempo de Planck (una unidad de tiempo, considerada como el intervalo temporal más pequeño que puede ser medido) –después– a los ~10-43 segundos todo el Universo tenía 10-33 cm (100 trillones de veces más pequeño que un átomo)[3]. A los ~10-35 segundos un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. Continuaron las fluctuaciones cuánticas y pasados 300.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). La radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Esta es la radiación de fondo de microondas de aquel pasado remoto que podemos captar debido a que las ondas han tardado millones de años en llegar a nuestro tiempo actual.
Desde hace muy pocos días contamos con una nueva imagen del cielo proporcionada por telescopio de rayos X eROSITA (es aproximadamente 4 veces más profunda que la obtenida por el anterior sondeo de todo el cielo realizado hace 30 años).
«Esta imagen de todo el cielo cambia por completo la forma en que vemos el universo energético», en palabras de Peter Predehl, investigador principal de eROSITA en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre. Alzando la vista más allá de nuestra galaxia, la mayoría de fuentes detectadas por el telescopio son núcleos galácticos activos en los que se ubican agujeros negros supermasivos. Entre ellos, se ubican cúmulos de galaxias que aparecen como halos de rayos X y que brillan gracias al gas caliente confinado por sus enormes concentraciones de materia oscura.
Algunos cosmólogos afirman que las últimas medidas astronómicas, unidas a problemas de carácter teórico, ponen en duda el arraigado modelo inflacionario del universo primitivo y plantean la necesidad de nuevas ideas. Los disidentes abogan por un Universo oscilante, que no empezó con una gran explosión, sino que es el fruto de un cosmos que antes se contrajo. Estos físicos son de la opinión de que tanto la inflación como la energía oscura, son grandes parches para resolver los problemas que plantea la teoría del Big Bang.
Desde el més de febrero encontramos esta imagen en wikimedia commons que propone un modelo híbrido entre los dos tipos de modelos alternativos al Big Bang convencional.
Ilustración de un Universo espejo: desde el punto de Jano emergen dos universos, cada uno con su flecha del tiempo correspondiente. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Universe_Antiuniverse_model.png
Para poder avanzar en la comprensión de lo existente la ciencia necesita fundamentar las leyes de la física cuántica. ¿Cuál es la naturaleza de lo más pequeño?
Los científicos del siglo XX establecieron la idea de campo, como el constituyente más básico, frente a la anterior física de partículas. De modo que las partículas, con el tiempo, pasaron a ser fluctuaciones cuánticas de campos. No obstante, la física no ha desterrado a las partículas, sino que les ha otorgado una forma vibrante en diversas dimensiones.
Se nos ha presentado el reto de reconsiderar a la realidad con una representación en la que el espacio vacío juega un papel esencial. Según sostiene la ciencia actualmente, una piedra, una silla, una persona es esencialmente fluctuación de campos, los cuales se encuentran en dimensiones del vacío.
Trataremos de poner metáforas…
“Supongamos que ponemos paredes de plomo a una habitación para que no entre ninguna radiación del exterior, ponemos un sistema de refrigeración hasta alcanzar -273º K, imaginamos una bomba de vacío que sea capaz de extraer todo el aire… Logramos estar plenamente oscuros, fríos y sin ninguna radiación. Aun así, ese vacío tiene una estructura o un cierto nivel de energía latente”.[4]
Imaginemos que en el vacío hay campos, que son como una balsa de agua donde las partículas son pequeñas olas que se propagan. Ahora supongamos que, en uno de esos campos, el campo electrónico, aparecen dos electrones (dos paquetes de ondas) que van a colisionar. Los electrones no pueden colisionar porque tienen la misma carga y se repelen, pero ¿cómo lo hacen? Lo que ocurre es que se intercambian información a través de un fotón (partícula mínima de la energía lumínica) en el campo electromagnético. Se trata de una ola que se mueve entre los dos electrones y como resultado de esta señal se produce la repulsión de los dos electrones. El intercambio de información se produce a través de luz sin que los electrones lleguen a establecer contacto físico.
Lo hemos escuchado cientos de veces: “somos luz” y esta poética idea tiene consistencia científica. Nos encontramos a los electrones girando alrededor de los protones y lo hacen justamente por este principio de intercambio de fotones. La materia –de un ser humano, por ejemplo– se mantiene unida gracias a ese intercambio de luz.
Los nuevos paradigmas nos llevaron a un mundo de gran abstracción que sólo pudo resolverse parcialmente a través de concebir dimensiones paralelas.
Entre otras consecuencias la segunda ley de la termodinámica empezó a ser cuestionada, tal vez la flecha del tiempo sí era reversible.
A partir del concepto de campo, que originalmente propuso Paul Dirac en 1930, los electrones son ondas causadas por el campo electrónico. De ahí surge la sugestiva idea de que los fotones son los portadores de la fuerza electromagnética, tienen ese cometido.
Este es el punto fundamental en el que se basa la teoría cuántica de campos que finalmente estableció Richard Feynman en la década de los 80. Para el ingenioso científico un electrón que retrocede en el tiempo es un positrón (electrón con carga positiva). Es una posibilidad real (experimentalmente) tras el choque de nuestros dos electrones después de haber emitido un fotón.
Lo normal, según la termodinámica, es que el universo avance hacia el desorden y en esa percepción se sustenta nuestra idea de un tiempo absoluto. Sin embargo, esa ley no es inviolable, el proceso inverso resulta también posible, aunque los neófitos vamos a tener que poner fe en este punto, dada la complejidad matemática del cálculo del proceso. [5]
Toda la física cuántica se reduce a la idea de Feynman de comunicación entre partículas y fuerzas (que son otro tipo de partículas). Las primeras son los fermiones y las segundas son los bosones. La comunicación entre ellas se realiza a través de un vértice en la línea del tiempo.
Aquí está la tabla de todas las partículas esenciales que conocemos.
En el grupo de los fermiones encontramos a los leptones y a los quarks que son los que componen la materia que vemos y, a la derecha, en el grupo de los bosones (fotón, gluon, bosón W y Z, gravitón y Higgs) a los portadores de fuerzas: fuerte, electromagnética, débil y gravedad.
El campo de Higgs sería una especie de continuo que se extiende por todo el espacio. Igual que el fotón es el componente fundamental de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga: el bosón de Higgs.
Para explicar por qué unas partículas tienen masa y otras no, se postuló en los años 60 el mecanismo del campo de Higgs. El bosón de Higgs es una propagación en el campo de Higgs y en la fricción con el campo se obtiene la masa de las partículas, por lo que las partículas que tienen una mayor fricción con este campo tienen una masa mayor. Su papel es por lo tanto esencial; si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos. Ésta era la última pieza que faltaba para completar el modelo estándar de física de partículas.
El bosón de Higgs no puede ser detectado directamente, ya que una vez que se produce se desintegra casi instantáneamente dando lugar a otras partículas elementales más habituales. Lo que se pueden ver son sus huellas, esas otras partículas que sí son detectadas en el acelerador de partículas LHC (artículo III).
Con estas características resulta ser una partícula a la carta, que ofrece justo aquello que el modelo estándar necesita para sostenerse. ¿Por qué no? En el extraño mundo de la física cuántica se encuentra precisamente aquello que se busca. Otra de sus propiedades es que puede quedar como congelado.
Esto abre la posibilidad de una pre-visión del Big Bang antes de ocurrir. Esta idea es la que plantea Alan Guth, un Universo que estaba estático y que se manifiesta a partir de una fluctuación cuántica. Todo el Universo posterior hereda la estructura de las fluctuaciones cuánticas.
Según esta teoría lo previo al Big Bang es denominado inflatón, de ahí surgen multitud de universos como el nuestro, aunque no necesariamente con las mismas leyes físicas.
No es la única explicación; otra posibilidad es que cuando una estrella suficientemente grande colapsa se forma una supernova y, tras ello se genera un agujero negro. En su interior se produce una singularidad, un punto en el que las soluciones de las ecuaciones de la teoría de la relatividad de Einstein y todas las leyes de la física dejan de tener sentido. La densidad de la materia se vuelve infinita y el tiempo se detiene (la flecha del tiempo deja de ser unidireccional). En su seno se podría estar generando un nuevo Universo, lo cual ocurriría en otra dimensión del espacio-tiempo.
Existen muchos otros planteamientos. El problema aquí es que la imaginación va por delante de los descubrimientos. La mecánica cuántica es ineludible, no obstante, resulta incómoda desde el momento en que no se puede predecir el resultado de un experimento sino tan solo su probabilidad.
El propio Feynman dijo: “si uno cree que ha entendido la mecánica cuántica es que no la ha entendido”. Tampoco a Einstein le gustaba. Gerardus ‘t Hooft, premio Nobel de Física en 1999, expresa así el problema: “Podría ser perfectamente que la mecánica cuántica sea solo una herramienta y no una teoría que describa la naturaleza fundamental de la realidad. Cuando hablamos de partículas que exhiben comportamientos cuánticos sorprendentes, estamos hablando de conceptos creados por la mente humana. Puede ser que el concepto de partícula no se corresponda con la naturaleza última del mundo.” Según esta interpretación, cercana a la visión de Einstein, la teoría cuántica representaría una visión incompleta del mundo, cuyas misteriosas consecuencias serían producto de nuestra falta de conocimiento de la verdadera naturaleza fundamental de la realidad.
Entonces, como para captar en qué estamos respecto al conocimiento de lo existente, tras este veloz vistazo a la física cuántica…
De una parte, resulta impresionante haber sido capaces de captar un origen del Universo –supuestamente– conocido, pero de otra, la explicación de lo existente sigue pareciéndose al mito de Gilgamesh, en el que tras diversas hazañas el héroe regresa a su mundo cotidiano con profundas enseñanzas éticas, pero sin la flor de la inmortalidad en sus manos.
Tal vez debamos evocar aquellos mitos primigenios y desde aquellas inspiraciones profundas de los primeros tiempos, seguir desarrollando el fin inconcluso del sentido del mundo; fuera de dogmas y fundamentos obsoletos, lejos del fárrago de confusión a que se llegó posteriormente. Al menos la historia ya no tendrá que lidiar en adelante con los estamentos religiosos, sumidos en un deplorable nivel intelectual y ético.
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[2] Según los datos de la sonda Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA), el Cosmos tiene 13.820 millones de años. El dato se basa en las observaciones de la radiación cósmica de fondo de microondas y los movimientos de las galaxias. En 2017 se calculó nuevamente esta datación, a partir de una onda gravitacional, obteniendo el resultado de entre 11.900 y 15.700 millones de años, estimación que coincide con la media aritmética de la datación de la ESA.
[3] Los átomos son diminutos, con diámetros de aproximadamente una diezmillonésima de centímetro. Para hacernos una idea del tamaño de un átomo, en 3 gotas de agua habría un número de ellos equivalente al de las estrellas en el Universo Observable.
[4] Extracto de una charla de Benjamin Montesinos, Investigador del Centro de Astrobiología 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).
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Máquinas del tiempo II: Bajo los astros
Máquinas del tiempo III: La incertidumbre
Máquinas del tiempo IV: Desajustes en el transcurrir
