Efectos relativistas y otras cuestiones II

La síntesis de la cosmología de los últimos cien años es el “modelo cosmológico estándar.”  Sostiene que el Universo empezó en forma de un estado caliente, denso, compacto hace unos 15.000 millones de años. El Universo era entonces infinitamente, o casi infinitamente, denso, infinitamente, o casi infinitamente, caliente. La descripción “infinito” es incómoda para los físicos; los modificadores son el resultado de la influencia difuminadota de la teoría cuántica. Por razones que quizá no conozcamos nunca, el Universo estalló, y desde entonces ha estado expandiéndose y enfriándose.

Ahora bien, ¿cómo se han enterado de eso los cosmólogos? El modelo de la Gran Explosión (big bang) nació en los años treinta tras el descubrimiento de que las Galaxias (conjuntos de 100.000 millones de estrellas más o menos) se estaban separando entre sí, descubrimiento hecho por Edwin Hubble, que andaba midiendo sus velocidades en 1.929.

Hubble tenía que recoger de las galaxias lejanas una cantidad de luz que le permitiera resolver las líneas espectrales y compararlas con las líneas de los mismos elementos en la tierra. Cayó en la cuenta de que todas las líneas se desplazaban sistemáticamente hacia el rojo. Se sabía que una fuente de luz que se aparta de un observador hace justo eso. El “desplazamiento hacia el rojo” era, de hecho, una medida de la velocidad relativa de la fuente y del observador.

Mas tarde, Hubble halló que las galaxias se alejaban de él en todas las direcciones. Hubble se duchaba regularmente, no había nada personal en esto; era sólo una manifestación de la expansión del espacio. Como el espacio expande las distancias entre todas las Galaxias, la astrónoma Hedwina  knubble, que observase desde el planeta Penumbrio en Andrómeda, vería el mismo efecto o fenómeno: las galaxias se apartarían de ella.

Cuanto más distante sea el objeto, más deprisa se mueve. Esta es la esencia de la ley de Hubble. Su consecuencia es que, si se proyecta la película hacia atrás, las galaxias más lejanas, que se mueven más deprisa, se acercarán a los objetos más próximos, y todo el lío acabará juntándose y se acumulará en un volumen muy, muy pequeño, como, según se calcula actualmente, ocurría hace 15.000 millones de años.

La más famosa de las metáforas científicas te pide que imagines que eres una criatura bidimensional, un habitante del Plano. Conoces el este y el oeste, y el norte y el sur, pero arriba y abajo no existen. Sacaos el arriba y el debajo de vuestras mentes. Vivís en la superficie de un globo que se expande. Por toda la superficie hay residencias de observadores, planetas y estrellas que se acumulan en galaxias por toda la esfera. Todo bidimensional.  Desde cualquier atalaya, todos los objetos se apartan a medida que la superficie se expande sin cesar. La distancia entre dos puntos cualesquiera de este universo crece. Eso es lo que pasa, precisamente, en nuestro mundo tridimensional. La otra virtud de esta metáfora es que, en nuestro universo, no hay ningún lugar especial. Todos los sitios o puntos de la superficie son democráticamente iguales a todos los demás. No hay centro. No hay borde. No hay peligro de caerse del Universo. Como nuestra metáfora del universo en expansión (la superficie del Globo) es lo único que conocemos, no es que las estrellas se precipiten dentro del espacio. Lo que se expande es el espacio que lleva toda la barahúnda. No es fácil visualizar una expansión que ocurre en todo el Universo. No hay un exterior, no hay un interior. Sólo hay este Universo, que se expande. ¿En qué se expande? Pensad otra vez en vuestra vida como habitante del Plano, de la superficie del globo.  En nuestra metáfora no existe nada más que la superficie.

Dos consecuencias adicionales de gran importancia que tiene la teoría del big bang acabaron por acallar la oposición, y ahora reina un considerable consenso.  Una es la predicción de que la luz de la incandescencia original (presuponiendo que fue muy caliente) todavía está a nuestro alrededor, en forma de radiación remanente.  Recordad que la luz está constituida por fotones, y que la energía de los fotones está en relación inversa con la longitud de onda. Una consecuencia de la expansión del Universo es que todas las longitudes se expanden.

Se predijo, pues, que las longitudes de onda, originalmente infinitesimales, como correspondía a unos fotones de gran energía, han crecido hasta pertenercer ahora la región de las microondas, en la que las longitudes son unos pocos milímetros.

En 1.965 se descubrieron los rescoldos del big bang, es decir, la radiación de fondo de microondas.  Esos fotones bañan el Universo entero, y se mueven en todas las direcciones posibles.  Los fotones que emprendieron viaje hacen miles de millones de años cuando el Universo era más pequeño y caliente, fueron descubiertos por una antena de los laboratorios Bell en Nueva Jersey.

Así que el descubrimiento hizo imprescindible medir la distribución de las longitudes de onda, y se hizo. Por medio de la ecuación de Planck, esta medición de la temperatura media de lo que quiera (el espacio, las estrellas, polvo, un satélite, los positivos de un satélite que se hubiese colado ocasionalmente) que haya estado bañándose en esos fotones.

Las mediciones últimas efectuadas por la NASA con el satélite COBE, dieron un resultado de 2’73 grados sobre el cero absoluto (2’73°k).  Esta radiación remanente es una prueba muy potente a favor de la teoría del big bang caliente.

Los astrofísicos pueden hablar tan categóricamente porque han calculado qué distancias separaban a dos regiones del cielo en e momento en que se emitió la radiación de microondas observada por el COBE. Ese momento ocurrió 300.000 años después del Big Bang, no tan pronto como sería de desear, pero sí lo más cerca del principio que podemos.

Resulta que temperaturas iguales en regiones separadas del espacio que nunca habían estado en contacto y cuyas separaciones eran tan grandes que ni siquiera a la velocidad de la luz daba tiempo para que las dos regiones se comunicasen y, sin embargo, si tenían la misma temperatura.  La teoría del big bang no podía explicarlo. ¿Un fallo? ¿Un milagro? Se dio en llamar a eso la crisis de la causalidad, o de la isotropía.

De la causalidad porque parecía que había una conexión causal ente distintas regiones del cielo que nunca debieran haber estado en contacto; de la isotropía porque donde quiera que mires a gran escala verás prácticamente el mismo patrón de estrellas, galaxias, cúmulos y polvo estelar.  Se podría sobrellevar esto en un modelo del big bang diciendo que la similitud de los miles de millones de piezas del Universo que nunca estuvieron en contacto es puro accidente. Pero no nos gustan los “accidentes”. Los milagros están estupendamente si jugamos a la lotería, pero no en la ciencia. Cuando se ve uno, los científicos sospechan que algo más importante se mueve entre bastidores. Me parece que mi inclinación científica me hace poco receptivo a los milagros. Si algo pasa habrá que buscar la causa.

El segundo éxito de gran importancia del modelo de big bang tiene que ver con la composición de nuestro Universo.  Puede parecer que el mundo está hecho de aire, tierra, agua y fuego. Pero si echamos un vistazo arriba y medimos con nuestros telescopios espectroscópicos, apenas si encontraremos algo más que hidrógeno, y luego helio. Entre ambos suman el 98 por 100 del universo que podemos ver. El resto se compone de los otros noventa elementos. Sabemos gracias a nuestros telescopios espectroscópicos las cantidades relativas de los elementos ligeros, y hete aquí que los teóricos del big bang dicen que esas abundancias son precisamente las que cabría esperar.  Lo sabemos así.

El Universo prenatal tenía en sí toda la materia del universo que hoy observamos, es decir, unos cien mil millones de Galaxias, cada una con cien mil millones de soles (¿no estáis oyendo a Carl Sagan?).  Todo lo que hoy podemos ver estaba comprimido en un volumen muchísimo menor que la cabeza de un alfiler. ¡Y habláis de superpoblación! La temperatura era alta, unos 10³²grados kelvin, mucho más caliente que nuestros 2’73°k actuales. Y en consecuencia la materia estaba descompuesta en sus componentes primordiales.

Una imagen aceptable de aquello, es la de una “sopa caliente”, o plasma, de quarks y leptones (o lo que haya dentro, si es que hay algo) en la que chocan unos con otros con energías del orden de 10¹⁸ GeV, o un billón de veces la energía del mayor colisionador que cualquier físico pueda imaginarse construir. La gravedad era rugiente, con su poderoso (pero aún mal conocido) influjo en esta escala microscópica.

Tras este comienzo fantástico, vinieron la expansión y el enfriamiento. A medida que el Universo se enfriaba, las colisiones eran menos violentas. Los quarks, en contacto último los unos con los otros como partes del denso grumo que era el universo infantil, empezaron a coagularse en protones, neutrones y los demás hadrones. Antes, esas uniones se habían descompuestos en los inmediatos y violentos colisiones, pero el enfriamiento no cesaba, aumentaba con la expansión, y las colisiones eran cada vez más suaves.

A los tres minutos de edad, las temperaturas había caído lo bastante para que pudiesen combinarse los protones y los neutrones, y se formaron núcleos estables.  Este fue el periodo de núcleo síntesis, y como se sabe lo suficiente de física nuclear se pueden calcular las abundancias relativas de los elementos químicos que se formaron. Son los núcleos de elementos muy ligeros; los más pesados requieren una “cocción” lenta en las estrellas.

Claro que, los átomos (núcleos más electrones) no se formaron hasta que la temperatura no cayó lo suficiente para que los electrones se organizaran alrededor de los núcleos, lo que ocurrió 300.000 años después, más o menos.

Así que, en cuanto se formaron los átomos neutros, los fotones pudieron moverse libremente, y esta es la razón de que tengamos una información de fotones de microondas tardía.

El núcleo síntesis fue un éxito: las abundancias calculadas y las medidas coincidían ¡Eureka! Como los cálculos son una mezcla íntima de física nuclear, reacciones de interacción débil y condiciones del universo primitivo, esa coincidencia es un apoyo muy fuerte para la teoría del big bang.

En realidad, el Universo primitivo no era más que un laboratorio de acelerador con un presupuesto ilimitado. Nuestros astrofísicos tenían que saberlo todo acerca de los quarks y los leptones y las fuerzas para construir un modelo de evolución del Universo. Los físicos de partículas reciben datos de Su Experimento Grande y único. Por supuesto, para los tiempos anteriores a los 10^-13 segundos, están mucho menos seguros de las leyes de la física. Así que, los astrofísicos azuzan a los teóricos de partículas para que se remanguen y contribuyan al torrente de artículos que los físicos teóricos lanzan al mundo con sus ideas: Higgs, unificación de cuerdas vibrantes, compuestos (que hay dentro de los quarks) y un enjambre de teorías especulativas que se aventuran más allá del Modelo Estándar para construir un puente que nos lleve a la descripción perfecta del Universo, de la Naturaleza.

¿Será posible algún día?

Esperamos a ver qué pasa con la historia que comenzaron Gabrielle Veneziano, John  Schwartz, André Neveu, Pierre Ramona, Jeff Harvey, Joel Sheik, Michael Green,  David Gross y un dotado flautista de Hamelin que responde al nombre de Edgard Witten.

La teoría de cuerdas es una teoría que nos habla de un lugar muy distante. Dice León Lederman que casi tan distante como O_z o la Atlántida. Hablamos del dominio de Planck.  No hay forma de que podamos imaginar datos experimentales en ese tiempo tan lejanos, las energías necesarias (la de la masa de Planck), no está a nuestro alcance. Lo que no significa que no debamos perseverar.

¿Por qué no podemos encontrar una teoría matemáticamente coherente (sin infinitos) que describa de alguna manera O_z?

¡¡ Dejar de soñar, como dejar de reír, no es bueno !!

Pero en verdad, al final de todo esto, el problema es cuánta masa gravitatoria hay en el Universo. Que si la masa crítica, que si el universo abierto, plano o cerrado.

La materia y energía del Universo es más de la que se ve., pasa lo contrario que con nuestra sabiduría (al menos eso décimas nosotros – me incluiré-), que parece mucha y, en realidad, es tan poca como la materia bariónica (el 4-5% del total), creo que nuestra ignorancia (haciendo un símil), es equivalente a la materia oscura, nos queda un 95% de la capacidad del cerebro por descubrir.  Por eso precisamente, debemos tener esperanza de poder alcanzar las teorías soñadas y poder desvelar algún día estos misterios como los de la materia oscura, la masa del neutrino tau, o si los quarks están hechos de objetos más pequeños aún.

¡Todo llegará!

Como siempre me ocurre, me he quedado sin hojas para seguir desarrollando ideas que me llegan a la mente a medida que escribo. Es (al menos para mí) fascinante, ver como me llegan ideas a montones cuando me pongo a pensar en éstas cosas de física, astronomía o cualquier otra rama de la ciencia, en realidad, como dije antes por ahí detrás, todo es lo mismo: “Unidad de la variedad” TODO ESTÁ FORMADO DE PEQUEÑAS PARTES DIFERENTES.

El trabajo se dará aquí por finalizado para esta libreta, quedan muchas más en las que os hablaré de temas de Física o de otras ramas del saber, también de los sentimientos y de la condición humana que no debemos perder de vista.

Un solo ser humano, recordémoslo, por muy pobre que sea su preparación, puede ser el responsable de cambiar el mundo. Cualquiera puede ser padre de un genio. Por si acaso, respetemos a todos por igual, nunca se sabe.

A mis amigos de la Asociación Cultural 137 e/hc, como siempre, los deseo que disfruten con la lectura de este trabajo que, aunque pretendo que sea ameno, no siempre lo consigo.

Cuando una parte les aburra, no lo duden, pasen la hoja y a buscar otra más interesante.  La ciencia, para ser exactos, no siempre es fácil de explicar.

¡Buena lectura!

emilio silvera

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