El Universo, sus propiedades, y otras cosas

El principio antrópico

Parece conveniente hacer una pequeña reseña que nos explique que es un principio en virtud del cual la presencia de la vida humana está relacionada con las propiedades del Universo.  Como antes hemos comentado de pasada, existen varias versiones del principio antrópico.  La menos controvertida es el principio antrópico débil, de acuerdo con el cual la vida humana ocupa un lugar especial en el Universo porque puede evolucionar solamente donde y cuando se den las condiciones ademadas para ello.  Este efecto de selección debe tenerse en cuenta cuando se estudian las propiedades del Universo.

Una versión más especulativa, el principio antrópico fuerte, asegura que las leyes de la física deben tener propiedades que permitan evolucionar la vida.  La implicación de que el Universo fue de alguna manera diseñado para hacer posible de la vida humana hace que el principio antrópico fuerte sea muy controvertido, ya que, nos quiere adentrar en dominios divinos que, en realidad, es un ámbito incompatible con la certeza comprobada de los hechos a que se atiene la ciencia, en la que la fe, no parece tener cabida.

El principio antrópico nos invita al juego mental de probar a “cambiar” las constantes de la Naturaleza y entrar en el juego virtual de ¿Qué hubiera pasado si…?

Especulamos con lo que podría haber sucedido si algunos sucesos no hubieran ocurrido de tal a cual manera para ocurrir de ésta otra. ¿Qué hubiera pasado en el planeta Tierra si no aconteciera en el pasado la caída del meteorito que acabó con los dinosaurios? ¿Habríamos podido estar aquí hoy nosotros? ¿Fue ese cataclismo una bendición para nosotros y nos quitó de encima a unos terribles rivales?

Fantasean con lo que pudo ser…. Es un ejercicio bastante habitual, solo tenemos que cambiar la realidad de la historia o de los sucesos verdaderos para pretender fabricar un presente distinto.  Cambiar el futuro puede resultar más fácil, nadie lo conoce y no pueden rebatirlo con certeza ¿Quién sabe lo que pasará mañana?

Lo que ocurra en la Naturaleza del Universo está en el destino de la propia Naturaleza del Cosmos, de las leyes que la rigen y de las fuerzas que gobiernan su mecanismo sometido a principios y energías que, en la mayoría de los casos se pueden escapar a nuestro actual conocimiento.

Lo que le pueda ocurrir a nuestra civilización además de estar supeditado al destino de nuestro planeta, de nuestro Sol y de nuestro Sistema Solar y la galaxia, también está en manos de los propios individuos que forman esa civilización y que, con sensibilidades distintas y muchas veces dispares, hace impredecibles los acontecimientos que puedan provocar individuos que participan con el poder individual de libre albedrío.

Siempre hemos sabido especular con lo que pudo ser o con lo que podrá ser  si….,  lo que, la mayoría de las veces, es el signo de cómo queremos ocultar nuestra ignorancia. Bien es cierto que sabemos muchas cosas pero, también es cierto que son más numerosas las que no sabemos.

Sabiendo que el destino irremediable de nuestro mundo, el planeta Tierra, es de ser calcinado por una estrella gigante roja en la que se convertirá el Sol cuando agote la fusión de su combustible de Hidrógeno, Helio, Carbono, etc.,  para que sus capas exteriores de materia exploten y salgan disparadas al espacio exterior, mientras  que, el resto de su masa se contraerá hacia su núcleo bajo su propio peso, a merced de la Gravedad, convirtiéndose en una estrella enana blanca de enorme densidad y de reducido diámetro.  Sabiendo eso, el hombre está poniendo los medios para que, antes de que llegue ese momento (dentro de algunos miles de millones de años), poder escapar y dar el salto hacia otros mundos lejanos que, como la Tierra ahora, reúna las condiciones físicas y químicas, la atmósfera y la temperatura adecuadas para acogernos.

Pero el problema no es tan fácil, y, se extiende a la totalidad del Universo que, aunque mucho más tarde, también está abocado a la muerte térmica,  el frío absoluto si se expande para siempre como un Universo abierto y eterno, o el más horroroso de los infiernos, si estamos en un Universo cerrado y finito en el que, un día, la fuerza de Gravedad, detendrá la expansión de las Galaxias que, comenzaran a moverse de nuevo en sentido contrario, acercándose las unas a las otras de manera tal que el Universo comenzará, con el paso del tiempo, a calentarse, hasta que finalmente, se junte toda la materia-energía del Universo en una enorme bola de fuego de millones de Grados de Temperatura, el Big Crunch.

El irreversible final está entre los dos modelos que, de todas las formas  que lo miremos es negativo para la Humanidad (si es que para entonces aún existe).  En tal situación, algunos ya están buscando la manera de escapar.

Stephen Hawking ha llegado a la conclusión de que estamos inmersos en un multiuniverso, esto es que, existen infinidad de Universos conectados los unos a los otros.  Unos tienen constantes de la Naturaleza que permiten vida igual o parecida a la nuestra, otros posibilitan formas de vida muy distintas y otros muchos no permiten ninguna clase de vida.

Este sistema de inflación autorreproductora nos viene a decir que cuando el Universo se expande (se infla) a su vez, esa burbuja crea otras burbujas que se inflan y a su vez continúan creando otras nuevas más allá de nuestro horizonte visible.  Cada burbuja será un nuevo Universo, o mini-universo en los que reinarán escenarios diferentes o diferentes constantes y fuerzas.

Gráfico: Inflación eternamente reproductora de otros universos

El escenario que describe el diagrama dibujado antes, ha sido explorado y el resultado hallado es que en cada uno de esos mini-universos, como hemos dicho ya, puede haber muchas cosas diferentes, pueden terminar con diferentes números de dimensiones espaciales o diferentes constantes y fuerzas de la Naturaleza, pudiendo unos albergar la vida y otros no.

El reto que queda para los cosmólogos es calcular las probabilidades de que emerjan diferenta mini-universos a partir de esta complejidad inflacionaria ¿Son comunes o raros los mini-universos como el nuestro? Existen, como para todos los problemas planteados diversas conjeturas y consideraciones que influyen en la interpretación de cualquier teoría cosmológica futura cuántico-relativista.  Hasta que no seamos capaces de exponer una teoría que incluya la relatividad general de Einstein (la Gravedad) cosmos y la Mecánica cuántica de Planck (el cuánto) átomo, no será posible  contestar a ciertas preguntas.

Todas las soluciones que buscamos parecen estar situadas en teorías más avanzadas que, al parecer, solo son posibles en dimensiones superiores, como es el caso de la teoría de supercuerdas situada en 10 ó 26 dimensiones, allí, si son compatibles la relatividad y la mecánica cuántica, hay espacio más que suficiente para dar cabida  a las partículas elementales, las fuerzas gauge de Yang-Mill, el electromagnetismo de Maxwell y, en definitiva, al espacio-tiempo y la materia, la descripción verdadera del Universo y de las fuerzas que en el actúan.

Científicamente, la teoría del Hiperespacio lleva los nombres de teoría de kaluza-klein y súper gravedad.  Pero en su formulación más avanzada se denomina teoría de supercuerdas, una teoría que desarrolla su potencial en nueve dimensiones espaciales y una de tiempo, diez dimensiones.  Así pues, trabajando en dimensiones más altas, esta teoría del Hiperespacio puede ser la culminación que conoce dos milenios de investigación científica: la unificación de todas las fuerzas físicas conocidas.  Como el Santo Grial de la Física, la “teoría de todo” que esquivó a Einstein que la buscó los últimos 30 años de su vida.

Durante el último medio siglo, los científicos se han sentido intrigados por la aparente diferencia entre las fuerzas básicas que mantienen unido al cosmos: la Gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil.  Los intentos por parte de las mejores mentes del siglo XX para proporcionar una imagen unificadora de todas las fuerzas conocidas han fracasado.  Sin embargo, la teoría del Hiperespacio permite la posibilidad de explicar todas las fuerzas de la Naturaleza y también la aparentemente aleatoria colección de partículas subatómicas, de una forma verdaderamente elegante.  En esta teoría del Hiperespacio, la “materia” puede verse también como las vibraciones que rizan el tejido del espacio y del tiempo.  De ello se sigue la fascinante posibilidad de que todo lo que vemos a nuestro alrededor, desde los árboles y las montañas a las propias estrellas, no son sino vibraciones del Hiperespacio.

Antes mencionábamos los universos burbujas nacidos de la inflación, y, normalmente, el contacto entre estos universos burbujas es imposible, pero analizando las ecuaciones de Einstein, los cosmólogos han demostrado que podría existir una madeja de agujeros de gusano, o tubos, que conectan estos universos paralelos.

Aunque muchas consecuencias de esta discusión son puramente teóricas, el viaje en el Hiperespacio puede proporcionar eventualmente la aplicación más práctica de todas: salvar la vida inteligente, incluso a nosotros mismos de la muerte de este Universo cuando al final llegue el frío o el calor.

Esta nueva teoría de supercuerdas, tan prometedora del hiperespacio es un cuerpo bien definido de ecuaciones matemáticas, podemos calcular la energía exacta necesaria para doblar el espacio y el tiempo o para cerrar agujeros de Gusano que unan partes distantes de nuestro Universo.  Por desgracia, los resultados son desalentadores.  La energía requerida excede con mucho cualquier cosa que pueda  existir en nuestro planeta.  De hecho, la energía es mil billones de veces mayor que la energía de nuestros mayores colisionadores de átomos.  Debemos esperar siglos, o quizás milenios, hasta que nuestra civilización desarrolle la capacidad técnica de manipular el espacio-tiempo  utilizando la energía infinita que podría proporcionar un agujero negro para de esta forma poder dominar el Hiperespacio que, al parecer, es la única posibilidad que tendremos para escapar del lejano fin que se avecina. ¿Qué aún tardará mucho? Sí, pero el tiempo es inexorable, la debacle del frío o del fuego llegaría.

No existen dudas al respecto, la tarea es descomunal, imposible para nuestra civilización de hoy ¿Pero, y la de mañana, no habrá vencido todas las barreras? Creo que, el hombre es capaz de plasmar en hechos ciertos todos sus pensamientos e ideas, solo necesita tiempo: Tiempo tenemos mucho.

Necesitaremos paciencia, mucha curiosidad que satisfacer y estar dispuesto a realizar el trabajo necesario.  Cuando en 1.900, Max Planck, el físico alemán escribió un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que él decía emitirse en paquetes discretos, no continuos, a los que llamó “cuantos”, nadie fue capaz de suponer que allí estaba la semilla de lo que más tarde se conocería como la teoría de la Mecánica Cuántica que describía a la perfección el sistema matemático que nos descubrió el Universo del átomo, de lo muy pequeño, infinitesimal.   Por los años de 1.925 y 1.926, Edwin Schrödinger, Werner Heisemberg y otros muchos desarrollaron esta teoría que derribó las barreras de creencias firmes durante siglos.

“Quienquiera que no se sienta conmocionado por la teoría cuántica no la comprende”

Niels Bohr

Aquello fue una auténtica revolución:

1. Las fuerzas son creadas por el intercambio de paquetes discretos de energía denominados cuantos.
   En contraste con la imagen geométrica de Einstein para una “fuerza”, en la teoría cuántica de luz iba a ser dividida en fragmentos minúsculos.  Estos paquetes de luz fueron llamados fotones, y se comportaban de forma muy parecida a partículas puntuales.  Cuando dos electrones chocan, se repelen mutuamente no a causa de la curvatura del espacio, sino debido a que intercambian un paquete de energía, el fotón.
   La energía de estos fotones se mide en unidades del algo denominado constante de Planck (ћ ~10^-27 ergios por segundo).  El tamaño infinitesimal de la constante de Planck significa que la teoría cuántica de correcciones minúsculas a las leyes de Newton. Estas se denominan correcciones cuánticas, y pueden ser despreciadas cuando describimos, nuestro mundo macroscópico familiar y sus fenómenos familiares cotidiano.  Sin embargo, cuando tratamos con el mundo subatómico microscópico las correcciones cuánticas empiezan a dominar cualquier proceso físico, y nos da cuenta de las propiedades extrañas y contraintuitivas de las partículas subatómicas.

   Universos a la deriva como burbujas en la espuma del Río del Tiempo.

   A. C. Clarke

2. Las diferentes fuerzas son causadas por el intercambio de diferentes cuantos.
   La fuerza débil, por ejemplo, es causada por el intercambio de un tipo diferente de cuanto, llamado partícula W (W es la inicial de “weak” [débil]).  Análogamente, la fuerza fuerte que mantiene unidos los protones y neutrones dentro del núcleo del átomo es causada por el intercambio de partículas subatómicas llamados mesones p.  Tanto los bosones W como los mesones p.  Se han visto experimentalmente en los residuos de los colisionadores de átomos, verificando de este modo la conexión fundamental de este enfoque.  Y finalmente, la fuerza subnuclear que mantiene los protones y neutrones e incluso los mesones p juntos se debe al intercambio de partículas llamadas gluones (Glue en Inglés es pegamento).
   De este modo, tenemos un nuevo “principio unificador” para las leyes de la física.  Podemos unir las leyes del electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte postulando una variedad de cuantos diferentes que sirven de vehículo para las mismas.  Tres de las cuatro fuerzas (excluyendo la Gravedad) están así unidas por la teoría cuántica, dándonos unificación sin geometría.
3. Nunca podremos conocer simultáneamente la velocidad y la posición de una partícula subatómica.
   Ese es el principio de incertidumbre de Heisemberg, que es con mucho el aspecto más controvertido de la teoría,  aunque ha resistido todos los desafíos en el laboratorio durante más de medio siglo.  No hay desviación experimental conocida de esta regla.
   El principio de incertidumbre significa que nunca podemos estar seguros de donde se encuentra un electrón o cuál es su velocidad.  Lo más que podemos hacer es calcular la probabilidad de que el electrón aparezca en un cierto lugar con una cierta velocidad.  La situación no es tan desesperada como uno pudiera sospechar, porque podemos calcular con rigor matemático la probabilidad de encontrar dicho electrón.  Aunque el electrón es una partícula puntual, está acompañado de una onda que obedece a una ecuación bien definida, la ecuación de ondas de Schrödinger con su función de onda (y) que nos dirá con mucha probabilidad el lugar en el que aparecerá el electrón.
4. Existe una posibilidad finita de que las partículas puedan “tunelear” o hacer un salto cuántico a través de barreras impenetrables.
   Esta es una de las predicciones más desconcertantes de la teoría cuántica.  En el nivel atómico, esta predicción no ha tenido otra cosa que éxitos espectaculares.  El “efecto túnel” o salto cuántico a través de barreras, ha sobrevivido a cualquier desafió experimental.   De hecho, un mundo sin efecto túnel es ahora inimaginable.

La mecánica cuántica, es el resultado de una idea iniciada pro Max Planck con su cuanto de acción h, que fue posteriormente desarrollada por otros como Werner Heisemberg, Edwin Schrödinger, Paul Dirac, Richard Frynman, y muchos más, incluso el mismo Einstein, en 1.905 (el mismo año que dio a conocer su relatividad especial), inspirado en el artículo de más Planck sobre la radiación de cuerpo negro, publicó un trabajo conocido como el “efecto fotoeléctrico” que le valió el Nóbel de Física.

La mecánica cuántica es la suma de mucho ingenio, conocimiento, matemáticas y trabajo que ha permitido tener una poderosa herramienta que nos explica el mecanismo de las partículas elementales en el Universo microscópico del átomo.

Mientras que Einstein conjeturó el marco entero de la relatividad general con sólo intuición física, los físicos de partículas se estaban ahogando en una masa de datos experimentales y como comentaba el gran físico Enrico Fermi “Si yo pudiera recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido botánico”. Tal era el número de partículas que surgían de entre los restos de los átomos tras las colisiones en los aceleradores que las hacían chocar a velocidades cercanas a c.

Toda la materia consiste en quarks y leptones, que interaccionan intercambiando diferentes tipos de cuantos, descritos por los campos de Maxwell y de Yang-Mills.

El Modelo Estándar nos describe todas las familias de partículas subatómicas que componen la materia y como actúan las fuerzas al interaccionar con ellas, incluyendo la teoría de Maxwell del electromagnetismo que gobierna la interacción de los electrones y de la luz y que se conoce por electrodinámica cuántica, cuya corrección ha sido verificada experimentalmente dentro de un margen de error de una parte en 10 millones, lo que la hace ser la teoría más precisa en la historia de la física.

Llegar al Modelo Estándar de la Física costó el esfuerzo de más de un siglo de investigación y trabajo teórico de muchos en el descubrimiento del dominio subatómico.

La fuerza débil que gobierna las propiedades de los”leptones”, tales como el electrón, el muón y el mesón tan y sus neutrinos asociados.  Al igual que las otras fuerzas, los leptones interaccionan intercambiando cuantos, llamados bosones W y Z.  Estos cuantos también se describen matemáticamente por el campo de Yang-Mills.  A diferencia de la  fuerza gluónica, la fuerza generada  por el intercambio de bosones W y Z es demasiado débil para mantener los leptones en una resonancia, de modo que no vemos un numero infinito de leptones emergiendo de nuestros colisionadores de átomos.

De la fuerza fuerte, el Nóbel Steven Weinberg, uno de los creadores del Modelo Estándar, escribió: “Existe una larga tradición de la física teórica que no afectó a todos, ni mucho menos, pero ciertamente me afectó a mí: la que decía que las interacciones fuertes [eran] demasiado complicadas para la mente humana”

Las características más interesantes del Modelo Estándar es que está basado en la simetría, podemos ver su señal inequívoca dentro de cada una de estas interacciones.  Los quarks y los leptones no son aleatorios, sino que se presentan en pautas definidas en el Modelo.

Este modelo de la física que explica las fuerzas que interaccionan con las partículas creadoras de materia, no incluye la fuerza de la Gravedad.

El Modelo Estándar es práctico y ha sido y es una poderosa herramienta para todos los físicos, sin embargo, al no incluir la gravedad es incompleta.  Cuando se intenta unir el Modelo Estándar con la teoría de Einstein, la teoría resultante da respuestas absurdas.

emilio silvera

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