Y… ¡Seguiremos imaginando! Cómo es, el Universo

Desde Ptolomeo con su modelo del universo de esferas cristalinas, hasta el más reciente modelo de los universos burbujas. Desde los modelos geocéntrico, estacionario, infinito, inflacionario… Siempre hemos tenido modelos de universos que nuestras mentes han creado según nos han ido dictando los siempre escasos conocimientos que del universo hemos tenido y, a medida que estos conocimientos fueron avanzando, el modelo se hizo mejor pero…,  no definitivo.

Precisamente por eso me choca ver y escuchar como pretendidos “expertos” en la materia, dicen que ellos conocen lo que es el Universo, o,  lo que pasó en los primeros tres minutos a partir del supuesto Big Bang. Hablan con desparpajo y “seguridad” de todo ello a la audiciencia que, no siempre en posesión del conocimiento requerido para ello, es receptora de las palabras que pretenden ser esa verdad que, en realidad, nadie ha tenido nunca. Lo cierto es que, se están refiriendo a que tienen un modelo del Universo temprano, y que este modelo encaja con los resultados que hasta el momento han obtenido mediante observaciones y diversas comprobaciones.

            Tycho Brahe

Está claro que el modelo de universo de los sumerios, babilónios y otros pueblos antiguos, era muy diferente al que ya nos dibujó Copérnico, Tycho Brahe o el mismo Einstein. Los modelos han ido evolucionando y, de la misma manera, el modelo que hoy tenemos y que denominamos Big Bang, será mejorado a medida que nuevos descubrimientos y nuevos conocimientos incrementen nuestro saber del mundo y, para ello, creamos esos modelos que nos ayudan para poder alcanzar ese saber que incansables perseguimos.

Los Modelos empíricos: Se sustentan en la identificación de  relaciones estadísticamente significativas entre ciertas variables que se asumen como esenciales y suficientes para modelar el comportamiento del sistema. Con tal motivo, debe disponerse previamente de una base de datos de tamaño adecuado. Pueden subdividirse en tres categorías diferentes:

De Caja Negra: Sólo se analizan los datos de entrada y de salida del modelo.

De Caja Gris: Se explican algunos detalles del conocimiento existente sobre el comportamiento del sistema.

De Caja Blanca: Se conocen y explican todos los detalles del comportamiento del Sistema.

ESTOCÁSTICOS: Consisten en la generación de series de datos sintéticas a partir de las propiedades estadísticas de las poblaciones de datos existentes. Son muy útiles con objeto de generar secuencias de datos que alimenten a modelos empíricos o a los basados sobre leyes físicas, cuando tan sólo se dispone de información recogida durante periodos de observación breves.

DE SOPORTE FÍSICO: Elaborados con ecuaciones matemáticas al objeto de describir los procesos involucrados en el modelo, teniendo en cuenta las leyes de conservación de masas y energía, etc.

DIGITALES: Modelos estocásticos, de soporte físico, etc. Basados en el uso de ordenadores digitales capaces de procesar una gran cantidad de datos que desembocan en la recreación de Sistema que tratamos de descubrir.

 

                      Hoy podemos crear modelos para todo

No siempre los modelos científicos son una fiel imagen de la realidad. Los átomos y las moléculas que componen el aire que respiramos, por ejemplo,  se pueden describir en términos de un modelo en el que imaginamos cada partícula como si fuera una pequeña esfera perfectamente elástica, con todas las pequeñas esferas rebotando unas contra otras y contra las paredes del recipiente que las contiene.

Esa es la imagen mental, pero es sólo la mitad del modelo; lo que lo hace modelo científico es describir el modo como se mueven las esferas y rebotan unas contra otras mediante un grupo de leyes físicas, escritas en términos de ecuaciones matemáticas. En este caso, éstas son esencialmente las leyes del movimiento descubiertas por Newton hace más de trescientos años. Utilizando estas leyes matemáticas es posible predecir, por ejemplo, que le pasará a la presión ejercida por un gas si se aplasta hasta la mitad de su volumen inicial. Si hacemos el experimento, y, el resultado que se obtiene encaja con la predicción del modelo, este será un buen modelo.

En la década de 1930, los físicos teóricos, en particular, Einstein, consideró la posibilidad de un modelo cíclico para el universo como una alternativa a la del Big Bang. Sin embargo, el trabajo de Richard Tolman reveló que estos primeros intentos fracasaron debido al problema que la entropía encumbra, que según la mecánica estadística, ésta aumenta debido a la segunda ley de la termodinámica. Esto implica que en sucesivos ciclos el universo crece más y más en cada ciclo. Y extrapolando hacia atrás en el tiempo, los ciclos antes de convertirse en el presente ciclo eran menores y más cortos, y en un punto hubo un ciclo iniciado por un Big Bang, no pudiendo eliminarlo de la teoría cíclica. Esta situación siguió siendo desconcertante para muchos, hasta las primeras décadas del siglo 21 cuando la recién descubierta energía oscura sembró una nueva esperanza para la cosmología cíclica.

Un nuevo modelo cíclico es el modelo basado en la cosmología de branas sobre la formación del universo, derivado del anterior modelo ecpirótico. Se propuso en 2001 por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y Neil Turok de la Universidad de Cambridge. La teoría describe un universo emergiendo hacia la existencia no sólo una vez, sino en repetidas ocasiones a través del tiempo. La teoría podría explicar por qué una misteriosa forma repulsiva de energía conocida como la “constante cosmológica” está acelerando la expansión del universo, que es de varios órdenes de magnitud menor que la predicha por el modelo estándar del Big Bang.

El modelo Steinhardt–Turok

En este modelo cíclico basado en la cosmología de branas, rival del modelo inflacionario, dos láminas tridimensionales o 3-branas colisionan periódicamente. Según esta teoría la parte visible del universo de cuatro dimensiones representa una de esas branas, quedando la otra brana oculta a todas las fuerzas de la naturaleza excepto la gravedad. Cada ciclo consiste en que cada una de las branas dentro de un espacio-tiempo tetradimensional y separadas por una dimensión espacial muy corta y seis enrolladas chocan con cierta periodicidad creando condiciones parecidas a las del big bang del modelo inflacionario.

Según la teoría, después de millones de años, al aproximarse el final de cada ciclo la materia y la radiación se diluyen a casi cero debido a una expansión acelerada del universo alisando las dos branas pero con pequeños rizos o fluctuaciones cuánticas aún presentes que imprimirán en el próximo choque con no uniformidades que crearán grumos o cúmulos que generarán estrellas y galaxias.

Otro modelo: El Big Bounce ( gran rebote) es un modelo científico teórico relacionado con la formación del Universo conocido. Se deriva del modelo cíclico o Universo oscilante e interpreta el Big Bang como el primer evento cosmológico resultado del colapso de un universo anterior.

Según algunos teóricos de Universo oscilante, el Big Bang fue simplemente el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción. Desde este punto de vista, se podría hablar de un Big Crunch seguido por un Big Bang, o, más sencillamente, un Big Bounce. Esto sugiere que podría se estar viviendo en el primero de todos los universos, pero se tiene la misma probabilidad de estar viviendo en el universo 2 mil millones (o cualquier otro de una secuencia infinita de otros universos).

La idea principal detrás de la teoría cuántica del “gran rebote” es que, a medida que se acerca la densidad a lo infinito, el comportamiento de la espuma cuántica cambia. Todas las llamadas constantes físicas fundamentales, incluida la velocidad de la luz en el vacío, no eran tan constantes durante el Big Crunch, especialmente en el intervalo de estiramiento 10^-43 segundos antes y después del punto de inflexión. (Una unidad de Tiempo de Planck es de aproximadamente 10^-43 segundos.)

 

Si las constantes físicas fundamentales se determinaron en un quantum de forma mecánica durante el Big Crunch, entonces sus valores aparentemente inexplicables en este universo no serían tan sorprendentes, entendiendo que aquí un universo es lo que existe entre un Big Bang y su Big Crunch. Como podeis comprobar, por falta de modelos no podemos quejarnos. Sin embargo, todo esto nos lleva a plantear una pregunta: ¿Será alguno de estos modelos el que refleje la realidad?

La respuesta a la pregunta anterior es ¡NO! De hecho, todos los modelos científicos tienen aplicabilidad limitada. Ninguno de ellos es “la verdad”. Cuando un científico afirma, por ejemplo, que el núcleo de un átomo está compuesto por partículas denominadas protones y neutrones, lo que en realidad debería decir es que el núcleo de un átomo se comporta, bajo determinadas circunstancias, como si estuviera formado de protones y neutrones. Los mejores científicos toman el “como sí “, pero entienden que sus modelos son, efectivamente, sólo modelos; científicos menores a menudo olvidan esta diferencia crucial.

Los científicos menores, y muchos no-científicos, tienen otra idea equivocada. A menudo piensan que el papel de los científicos hoy en día es llevar a cabo experimentos que probarán la exactitud de sus modelos con una precisión cada vez mayor (hacia posiciones con más y más decimales). ¡En absoluto! La razón para llevar a cabo experimentos que demuestren predicciones previas no comprobadas es descubrir dónde fallan los modelos. Encontrar defectos en sus modelos es la esperanza abrigada por los mejores científicos, porque esos defectos destacarán los lugares donde necesitamos una nueva comprensión, con modelos mejores, para progresar.

El arquetípico ejemplo de esto es la gravedad. La ley de la gravedad de Isaac Newton se consideró la pieza clave de la física durante más de doscientos años, desde la década de 1680 hasta comienzos del siglo XX. Pero había unas pocas, aparentemente insignificantes, cosas que el modelo newtoniano no podía explicar o predecir, referente a la órbita del planeta mercurio y al modo como la luz se curva cuando pasa cerca del Sol. El modelo de gravedad de Albert Einstein, basado en su teoría general explica lo mismo que el modelo de Newton pero también explica esos detalles sutiles de órbitas planetarias y curvatura de la luz. En ese sentido, es un modelo mejor que el anterior, y hace predicciones correctas (en particular, sobre el Universo en general) que el viejo modelo no hace. Pero el modelo de Newton todavía es todo lo que se necesita si se está calculando el vuelo de una sonda espacial desde la Tierra a la Luna.

¿SABEMOS COMO COMENZÓ EL UNIVERSO?

Está ahora ampliamente aceptado -de manera provisional- que el Universo donde habitamos surgió a partir de una singularidad con densidad y energía “infinitas” que dio lugar a una bola de fuego caliente y densa a la que llamamos Big Bang. En los años veinte y treinta, los astrónomos descubrieron por primera vez que nuestra Galaxia es simplemente una isla de estrellas dispersa entre muchas galaxias similares, y que grupos de estas galaxias se están apartando las unas de las otras a medida que el espacio se expande. Esta idea del Universo en expansión fue realmente predicha por la teoría general de la relatividad de Einstein, terminada en 1916 pero no se tomó en serio hasta que los observadores hicieron sus descubrimientos. Cuando se tomó en serio los matemáticos descubrieron que las ecuaciones describían exactamente el tipo de expansión que observamos, con la implicación de que si las galaxias se van alejando con el tiempo entonces deberían haber estado más juntas en el pasado, y hace mucho tiempo toda la materia en el Universo debería estar acumulada en una densa bola de fuego.

Es la combinación de la teoría y de la observación la que hace que la idea del Big Bang sea tan convincente; en los años sesenta llegó una clara evidencia, con el descubrimiento de un siseo débil de ruído de radio, la radiación cósmica de fondo, que viene de todas las direcciones del espacio y se interpreta como la radiación restante del mismo Big-Bang.

El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo (RCF) por Penzias y Wilson en 1965 fue definitivo para “probar” el origen caliente del universo. Sin embargo, después de estas mediciones aun permanecían algunas dudas por resolver. Si la radiación detectada por Penzias y Wilson proviene realmente del universo recién formado hace 14 mil millones de años, ésta debe mostrar ciertas características. Para poder afirmar con certeza que el origen de la RCF es cósmico se deben verificar las siguientes observaciones:

Como la expansión del Universo, la existencia de esta radiación de fondo fue predicha por la teoría antes de ser observada experimentalmente. A finales del siglo XX, la combinación de teoría y observaciones había establecido que el tiempo que ha pasado desde el Big Bang es de unos 14 mil millones de años, y que existen cientos de miles de millones de galaxias como la nuestra dispersas de un extremo al otro del Universo en expansión.

La pregunta a la que se están enfrentando ahora los cosmólogos es ¿cómo empezó el mismo Big Bang?

El punto de partida para enfrentarnos a esta pregunta es el modelo estándar propio de los cosmólogos, que combina todo lo que han aprendido de las observaciones del universo en expansión con el entendimiento teórico del espacio y el tiempo incorporado a la teoría general de Einstein. El establecimiento de este modelo se ha visto favorecido por el hecho de que cuanto más lejos miramos del Universo, más tiempo atrás vemos. Debido a que la luz viaja a una velocidad finita, cuando miramos galaxias alejadas millones de años luz, la vemos como si estuvieran presentes como eran millones de años antes, cuando salió la luz que llega ahora a nuestros telescopios.

Con telescopios potentes, los astrónomos pueden ver qué aspecto tenía el Universo cuando era más joven (y la radiación cósmica de fondo nos permite “ver”-con radiotelescopios- la última etapa de la bola de fuego que fue el Big bang).

Lo más atrás que hemos visto, el origen de la radiación de fondo corresponde a un tiempo unos pocos cientos de miles de años después del momento del Big Bang, cuando todo el Universo estaba lleno de gas caliente (conocido técnicamente como plasma) a aproximadamente la misma temperatura que la que tiene la superficie del Sol hoy en día, unos pocos miles de grados Celsius. En ese momento, lo que ahora es el Universo visible entero era solo una milésima parte de su tamaño actual y no había objetos individuales en la escala de las estrellas o galaxias en el remolino de material caliente.

Moviéndonos hacia delante en el tiempo, las irregularidades observadas en la radiación de fondo son justamente del tamaño y estructura correctos que podrían explicar el origen de las galaxias y de los grupos de galaxias, pudieran ser las semillas a partir de las cuáles  creció la estructura que vemos en el Universo hoy.

Yendo hacia atrás en el tiempo, la estructura de las pequeñas irregularidades vistas en la radiación de fondo nos habla sobre el tipo de irregularidades que había en el Universo cuando era incluso más joven, justo hasta ese momento atrás en que la teoría general por sí misma se rompe y, no nos deja pasar más allá del Tiempo de Planck.

Lo primero, y más importante, que hay que decir sobre estas irregularidades en la radiación de fondo es que son diminutas. Son tan pequeñas que al principio era imposible medirlas, y la radiación parecía que viniera perfectamente uniforme desde todas las direcciones en el espacio (isotropía). Si la radiación fuera perfectamente uniforme, todo el modelo estándar del Universo se desbarataría, ya que si no hubiera habido irregularidades en la bola de fuego del Big Bang no habría habido semillas desde donde las galaxias pudieran crecer, y nosotros al no haberse formado las estrellas y fabricado en sus núcleos los materiales complejos de los que estamos hechos, no estaríamos aquí. El hecho de que los científicos estén tratando de resolver estas preguntas han convencido a los astrónomos de que debería haber irregularidades en la radiación de fondo, sólo había que desarrollar instrumentos sensibles para medirlas.

En este sentido podríamos citar el satélite de la NASA COBE  que fue capaz de hacer medidas suficientemente sensibles para demostrar que había efectivamente minúsculas ondulaciones en la radiación de fondo. Las dos preguntas clave derivadas del descubrimiento son: ¿por qué la radiación de fondo es casi lisa?, ¿Qué crea las ondulaciones?

La primera pregunta es más profunda de lo que se pueda pensar, porque incluso hoy, 14 mil millones de años después, el Universo es todavía casi liso. Esto no es obvio si contrastamos la luminosidad de una galaxia como nuestra Vía Láctea con la oscuridad del espacio entre las galaxias pero enseguida se hace evidente a mayores escalas. El Universo no es exactamente uniforme, pero incluso en términos de distribución de las galaxias es uniforme en cierto sentido. Si tomamos una fotografía de las galaxias vistas en una pequeña zona del cielo se parecerá mucho a otra fotografía de una zona del mismo tamaño de otra parte del cielo. La radiación de fondo es incluso más uniforme, y parece exactamente la misma desde todos los puntos del espacio dentro de una fracción del 1 por ciento. La profundidad de esta observación descansa en el hecho de que no ha pasado el tiempo suficiente desde el Big Bang para que todas las diferentes partes del Universo interactúen unas con otras y deje de ser liso.

Esta homogeneidad está relacionada con otra característica extraña del Universo denominada subplanitud. La teoría general de la relatividad nos dice que el espacio (en sentido estricto, el espacio-tiempo) se puede curvar y deformar por la presencia de materia. Localmente, cerca de un objeto como el Sol o la Tierra, esta deformación del espacio-tiempo produce el efecto que llamamos gravedad. Cósmicamente, en el espacio entre las estrellas y las galaxias el efecto combinado de toda la materia en el universo puede producir una curva gradual en el espacio en uno de los dos sentidos.

Aquí tendríamos que continuar hablando de la densidad crítica y de la clase de universo que tendríamos en función de la cantidad de materia que este contenga. Sin embargo, dejaremos ese punto del universo cerrado, abierto o plano, ya que, en uno de los comentarios muy recientes de esta colaboración ya quedaron explicados de manera suficiente.

Sonda Planck – Crédito ESA

El explorador Planck fue una misión propuesta por la ESA que se puso en órbita en el año 2007 y operando en las bandas infrarroja y submilimétrica, tomó imágenes de las anisotropías de la radiación cósmica de fondo en todo el cielo con resolución y sensibilidad excepcionales.

Estudios cada vez más sofisticados de la radiación de fondo, que culminaron con las observaciones hechas por el satélite WAP de la NASA a principios de éste siglo XXI y del Planck Explorer de ESA un poco más tarde, mostraron que el Universo efectivamente está indistinguiblemente cerca de la plenitud, de modo que su densidad debería estar indistinguiblemente cerca de la Densidad crítica. Esto dio lugar al rompecabezas  de donde estaba la masa “desaparecida” (esa que llamamos materia oscura que, nunca se ha visto, ni produce radiación, ni sabemos como se pudo formar, de qué clase de partículas está conformada -si es que son partículas- y, un sin fin de interrogantes más que, de momento, no sabemos contestar).

En realidad, la teoría de la inflación es todavía un trabajo en progreso, y, como en el caso de la GUT, existen diferentes variaciones o modelos sobre el tema. Lo que está claro de todo esto es que, no se puede negar, ni el esfuerzo realizado, ni el éxito alcanzado que, sin ser aún lo que se desea, sí es un paso importante en el conocimiento del Cosmos. Ahora sabemos de él muchísimo más que se sabía en los tiempos de Galileo, y, tanto la técnica, como las matemáticas y la física, han desarrollado la Astronomía y la Astrofísica, hasta unos niveles encomiables, teniendo en cuenta que estamos estudiando una cosa muy, muy grande y cuyos objetos están muy, muy lejos.

     Estas galaxias están a más de 13.000 Millones de años-luz de nosotros

Sin embargo, podemos obtener imágenes de galaxias lejanas y de nebulosas que se encuentran a miles y miles de millones de años-luz de la Tierra y, mediante técnicas del estudio del espectro, saber, de que materiales están formados esos objetos cosmológicos que pueblan nuestro universo en regiones tan remotas que nuestras mentes, no pueden asimilar.

Es aún muy grande el espacio oscuro que tenemos que alumbrar para conocer en plenitud nuestro vasto Universo, son muchas las zonas que están en la penumbra, y, debemos y tenemos la obligación de continuar profundizando en el saber del Universo que nos acoge.

Yo, que me considero un simple aficionado -eso sí-, muy enamorado del Universo y apasionado de todas las maravillas que encierra y que producen en mi esa fascinación que me inunda de asombro y, también, de maravilla.  A veces pienso que todo el vasto Universo podría haber surgido de una fluctuación cuántica del “vacío”, ese lugar misterioso que resulta estar lleno a rebosar y que, gracias a la combinación de inflación y a una curiosa propiedad de la gravedad, dio lugar a la creación de un nuevo universo de los muchos que podrían ser.

Esta curiosa propiedad de la gravedad es que guarda energía negativa. Cuando algo (¡cualquier cosa!) cae hacia debajo de un campo gravitacional (como el agua que se precipita desde la montaña) la energía es liberada………Pero eso, será otra historia que ya contaremos. Ahora, para no cerrar en falso el comentario, diré que, no existe ningún límite, en principio, en cuanta masa (en sentido estricto masa-energía, teniendo en mente E=mc2) puede tener una fluctuación cuántica, aunque cuanto más masiva sea una fluctuación, menos probable es que suceda.

Las ondas de luz normalmente tienen una densidad de energía positiva o cero en diferentes puntos del espacio (arriba). Pero en un estado comprimido, la densidad de la energía, en un instante determinado en el tiempo, puede llegar a ser negativa en algunos lugares (abajo). Para compensar esto, el pico de densidad positiva debe aumentar.

                            ¡Son tántas, las cosas que no sabemos!

El cosmólogo americano Ed Tyron señaló que en principio una fluctuación cuántica que contiene la masa-energía de todo el Universo visible podría salir de la “nada”, y que aunque la masa-energía de tal fluctuación sería enorme, en las circunstancias correctas la energía gravitacional negativa del campo gravitacional asociado a toda esta masa equilibraría perfectamente esto, de modo que la energía total de la fluctuación sería cero.

La implicación, naturalmente, es que nuestro Universo nació (o brotó) de este modo desde el espacio-tiempo de otro universo, y que no hubo principio y no habrá final. Sólo un mar infinito de universos burbujas interconectados como han propuestos algunos.

emilio silvera