El pensamiento asombroso: ¡Las ideas!

Ludwig Boltzmann será el protagonista de hoy

Hay ecuaciones que son aparentemente insignificantes por su reducido número de exponentes que, sin embargo, ¡dicen tantas cosas…! En la mente de todos están las sencillas ecuaciones de Einstein y de Planck sobre la energía-masa y la radiación de cuerpo negro. Esa es la belleza de la que hablan los físicos cuando se refieren a “ecuaciones bellas”.   ¿Qué decir de la maravillosa fórmula de la entropía de Boltzman?

S = k log W

              A nuestro alrededor pasan muchas cosas a las que no prestamos atención

         Tarde de domingo en la isla de la Grande Jatte  – Georges Pierre Seurat, 1884

El Art Institute de Chicago tiene una de las mejores colecciones del mundo de pintura de finales del siglo XIX francés, reunida durante la época en que la ciudad era realmente “un matarife para el mundo, jugando con los ferrocarriles de una nación”. Una de las obras más populares es un gran lienzo de George Seurat. Su título formal es La Grande Jatte, pero se conoce coloquialmente como Domingo por la tarde en el parque.

Muestra a un grupo de parisinos paseando por un parque junto al Sena. La pintura incluso inspiró una revista en Broadway llamada Domingo el el parque con George. Saurat utilizó una técnica pictórica que era bastante poco usual en su época. En lugar del pasar el pincel sobre el lienzo en la forma habitual, tocaba el lienzo sólo con la punta.

El resultado es una pintura formada por un gran número de pequeñas motas de color. Este estilo de Pintura se llama puntillismo. A causa de esa técnica, el mirar esa pintura resulta una experiencia extraña. Desde lejos se ve lo que pretendía el pintor, la escena de un parque con figuras en él. Sin embargo, si nos acercamos mucho, la escena desaparece y lo que se verá será una colección de puntos de color sobre un lienzo. La uniformidad, que es aparente cuando miramos a la “imagen grande”, oculta la apariencia real de lo que allí está presente.

¿Nos pasará a nosotros otro tanto cuando miramos el Universo? Seguro que sí, ya que, si tuviéramos las narices pegadas a cualquiera de esas galaxias, no veríamos nada excepto un borrón de luz y de color. ¡Qué extraño es el mundo que nos rodea y cuánto nos cuesta comprenderlo!

Las galaxias, por ejemplo,  no pudieron comenzar a formarse hasta después de que radiación y materia se desparejan y otra solución que se sugiere sola, el empujón al colapso gravitatorio mediante concentraciones de masa o cualquier otro procedimiento físico, tal como la turbulencia en las nubes de gas después de la formación de los átomos. Pero ¡ay!, esta línea de argumentación nos lleva hasta una tercera reconsideración del problema en el que finalizamos aceptando que, las turbulencias tampoco sirven.

El “impulso a través de turbulencia” es una idea simple, cuyas primeras versiones fueron aireadas allá por los años 50. El postulado es este: cualquier proceso tan violento y caótico como las primeras etapas del Big Bang no sería como un río profundo y plácido, sino como una corriente de montaña, llena de espumas y turbulencias.

En este flujo caótico podemos esperar encontrar remolinos, vórtices de gas. En esta teoría, un remolino es en efecto una concentración de masa del tipo Jeans, presionando sobre la materia que le rodea a causa de la atracción gravitatoria. Si el remolino es del tamaño necesario, puede reunir una masa del tamaño de una galaxia antes de que tenga una posibilidad de disiparse. Para entonces esa masa sería suficientemente grande, de forma que se mantendría unida por la fuerza de la gravedad cuando pase el remolino.

Está bien, pero existen algunas dificultades. En primer lugar, un remolino que se forma antes de la marca de los 500.000 años es todavía una concentración de masa, y como cualquier otra concentración de masa será destruída por la presión de la radiación. Por consiguiente, los turbulentos remolinos que sirven como núcleos de concentración para las galaxias deben acceder a la existencia después de la aparición de los átomos.

La diversidad de galaxias es grande y mientras unas tienen miles de millones de años, otras se forman

Galaxia en proceso de formación.  A pesar de la enorme técnica y sofisticación de los aparatos con que contamos para la observación del cosmos, no se ha podido encontrar ninguna a protogalaxia cercana, lo cual indica que todas o la mayoría de las galaxias se formaron hace mucho tiempo.

Lo que esto significa es que los remolinos que se forman justo después de la congelación atómica son los que más probablemente conducirán a las galaxias, porque son los que tienen más tiempo para recoger materia. Si estos remolinos son del tamaño necesario, podrían realmente producir galaxias como las que podemos ver ahí arriba. Sólo tendríamos que suponer que hubiera remolinos del tamaño de galaxias (o próximos a ellas) presentes en el momento de la congelación.

Con todo, la teoría plantea un extraño tema filosófico. Podemos mirar las galaxias visibles, extrapolar hacia atrás en el tiempo y proponer un conjunto de turbulentos remolinos que las produzcan. Esto no resuelve el problema, sólo plantea la vieja cuestión de otro modo, retrocediendo una muesca. En lugar de preguntas: “¿Por qué las galaxias son como son?”, preguntamos “¿Por qué eran los remolinos como eran?” Y, seguimos sin avanzar en el problema de saber como se formaron las galaxias.

Tampoco las galaxias han tenido tiempo para formar cúmulos, y, sin embargo, ahí están. ¿Qué sabemos de los enigmas del Universo? En realidad, vamos sabiendo algo pero, lo cierto es que, son muchas más las preguntas que las respuestas.

                     Aquí podemos contemplar el hermoso cúmulo de galaxias de Hydra

Miramos la bella imagen y vemos como dos brillantes y supermasivas estrellas destacan en el primer plano, pertenecen a la Vía Láctea, y están más cerca a nosotros. Más allá, lejos en el fondo, relucen las galaxias del cúmulo que, en el centro exhiben unas predominantes galaxias de más de 150.000 años-luz de diámetro, dos son elípticas de color amarillo (NGC 3311 y NGC 3309) la Azulada, es la espiral NGC 3312 y, justo por encima de la izquierda de NGC 3312 aparece una misteriosa pareja de galaxias superpuestas que están catalogadas como NGC 3314.

Estas imágenes, cuando se contemplan por personas no expertas, pueden también llevar al engaño. Por ejemplo, mientras que las estrellas del primer plano se encuentran a cientos de años-luz de distancia, el cúmulo de galaxias de Hydra está a más de 100 millones de años-luz. Es una de los tres grandes cúmulos que hay dentro de los 200 millones de años-luz de la Vía Láctea. También es conocido como Abell 1060. En nuestro Universo, las galaxias están gravitacionalmente unidad en cúmulos y, a su vez, estos cúmulos en supercúmulos mucho mayores de muchos miles o cientos de miles de galaxias. La Imagen tiene un diámetro de cera del millón y medio de años-luz.

La gravedad es la gran fuerza estabilizadora del universo. Nunca lo abandona del todo; siempre está actuando, tratando de unir pedazos de materia. En cierto sentido, la historia entera del universo se puede pensar como un último y fútil intento de superar la gravedad. Sería asombroso, dada la naturaleza universal de la fuerza gravitatoria, que no hubiera desempeñado un papel importante en la formación de las galaxias.

Supongamos que el universo ha comenzado como una colección de materia uniformemente emplastada, en la que ninguna parte tenía mayor concentración de materia que otra. En esta situación se podría esperar se que la fuerza de la gravedad tuviera que actuar para unir todo lo que hay en el universo en un imposible sol central. Claro que, una cosa es pensarlo y otra muy distinta es la realidad.

El problema es que en cualquier colección de materia, por uniformemente distribuida que esté, habrá ligeras concentraciones en alguna parte. Incluso, aunque tengamos que descender al nivel microscópico para verlo, el movimiento aleatorio de los átomos resultará al final en un estado de la cuestión en el que hay un pequeño exceso de átomos en algunos puntos y un pequeño déficit en otros.

No es difícil visualizar lo que pasa a continuación. En un momento dado, el pequeño extra de materia se acumula en alguna parte, bien por causa del movimiento atómico o por alguna otra razón. Debido al momentáneo exceso de materia en ese punto, la fuerza gravitatoria ejercida por los puntos de alrededor. Por consiguiente entrará más masa en el área en que tuvo lugar la concentración original. Con más masa, la concentración puede ejercer todavía más fuerza gravitatoria y atraer todavía más materia hacia ella. No importa lo equitativa que fuera la distribución inicial, una vez que se ha formado la más pequeña concentración, la masa uniforme se romperá en pequeños pedazos cada uno formado alrededor de la concentración original de masa. Esta inestabilidad inherente a una masa de materia fue señalada por primera vez en los años veinte por el astrofísico británico sir James Jeans.

A primera vista parece un rayo de esperanza. El universo debe romperse en pequeñas unidades de masa, y con suerte, estas unidades se convertirían en galaxias. Incluso resulta que, aunque sólo hemos hablado de un universo, el resultado de Jeans sigue siendo verdad si hay la expansión de Hubble. Pero el problema no es tan sencillo. La misma teoría que nos dice que una distribución uniforme de materia es inestable frente a la rotura de pequeños pedazos, también nos dice cuánto tardará el proceso de rotura.

(Lo que mostró realmente Jeans fue que una masa en gravitación es inestable para la rotura en piezas de cierto tamaño. Si una masa es más pequeña que el pedazo más pequeño en el que puede ser dividida, la masa será estable. En otro caso, se romperá. Esta prueba se conoce como el criterio de Jeans para los expertos tiene una bien conocida fórmula, la longitud de Jeans).

La cuestión viene a ser: ¿pueden actuar las fuerzas gravitatorias con suficiente rapidez después que ha tenido lugar el desplazamiento, para reunir la materia en grupos del tamaño de una galaxia, antes de que la expansión de Hubble ponga todo fuera del alcance? Una de las grandes conmociones para la comunidad astronómica de los años treinta fue que la respuesta a esta pregunta fue un rotundo “¡NO!” Lo que parecía ser el mecanismo más probable para la formación de galaxias –el mecanismo de inestabilidad gravitatoria que acabamos de describir- no funcionará en un universo en expansión.

Quizá este hecho fue lo que condujo a Jeans, al final de su vida, a proponer un universo en el que la materia se iba creando continuamente en los vacíos que dejaba la expansión galáctica. En esta visión, la formación de galaxias es un proceso continuo, no confinado a ningún tiempo particular de la historia del universo. Esta teoría de Jeans que, al final se clasificó como universo estacionario, sería abandonada después de la acumulación de pruebas muy convincentes a favor del big bang.

La idea del universo estacionario fue un modelo cosmológico desarrollado en 1948 por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle como una alternativa a la teoría del Big Bang que, finalmente, prevalecería como la teoría más probable y la que más se acercaba a la observación del espacio interestelar y que vino a confirmar la radiación de fondo cósmico como la huella dejada por aquella explosión primera.