El Universo: siempre misterioso

Los cosmólogos llaman Omega (Ω) a la cantidad de materia que existe en el Universo y, Omega Negro referido a esa materia “invisible” que algunas llaman oscura pero que, en realidad, nadie sabe lo que es ni de qué puede estar formada y, llevando la cuestión al límite, si ni siquiera existe y, los efectos observados de expansión del Universo, pueden tener su fuente en otro lugar que aún no hemos sabido comprender.

Dos cuadros de Vermeer, el astrónomo y el geómetra, pintados el mismo año. El astrónomo siempre fue un geómetra, pero las conexiones se volvieron todavía más importantes en el siglo XX, donde se descubrió que hasta la cosmología era asunto de geometría.© Museo del Louvre, Steadelsches Kunstinstitut, respectivamente.

Hemos podido saber que el Universo es todo lo que existe, desde el más insignificante grano de arena de la más lejana playa, hasta la más inmensa galaxia perdida en los confines del esapacio-tiempo. Esa materia interactúa con las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza y, según hemos podido llegar a comprender, está compuesta por átomos que se juntan para formar moléculas y éstas, a su vez, lo hacen para formar cuerpos grandes o pequeños pero que, finalmente y sin excepción, todos están compuestos por esos átomos que formados por partículas infinitesimales, son las que conforman el mundo material que nos rodea.

A nivel cercano o local, el mundo es irregular y diverso. Si miramos para esa región nos parecerá distinta de aquella otra. Sin embargo, el Universo contemplado en una perspectiva muy amplia, resulta ser muy homogéneo y todo está distribuido de manera uniforme, de manera tal que, tal como hacen los átomos, que se juntan para formar moléculas y estas cuerpos, así se comportan las galaxias que se juntan para formar cúmulos y éstos, a su vez, supercúmulos que son las grantes estructuras del Universo que, se hallan inmersas en “infinitos” espacios vacíos. Habiendo podido observar todo eso, los cosmólogos y los astrónomos han contabilidado esa materia percibida y han podido constatar que, el Universo, tiene una densidad inferior (en cerca del 1%) a la Densidad Crítica que resulta ser, algo mayor que la que se observa.

En mi trabajo expuesto aquí en otra ocasión, insertaba ésta imagen que venía a significar  la constante de Hubble en función de la Densidad Crítica. Y, lo cierto es que, no acabamos de obtener una información fiable de la materia existente en el Universo, ya que, según parece, puede que exista una clase de materia que no podemos percibir y que, en cambio, se deja sentir en algunos aspectos que inciden en el comportamiento de Universo mismo que, como hemos llegado a comprender, es complejo y para nosotros, en algunos casos “infinito”.

Algunos números que definen nuestro Universo:

• El número de fotones por protón
• La razón entre densidades de Materia Oscura y Luminosa.
• La Anisotropía de la Expansión.
• La falta de homogeneidad del Universo.
• La Constante Cosmológica.
• La desviación de la expansión respecto al valor crítico.
• Fluctuaciones de vacío y sus consecuencias.
• ¿Otras Dimensiones?

En las últimas medidas realizadas, la  Densidad crítica que es la densidad necesaria para que la curvatura del universo sea cero, ha dado el resultado siguiente:  r₀ = 3H₀²/8pG = 1.879 h² 10^-29 g/cm³, que corresponde a una densidad tan baja como la de la masa de 2 a 3 átomos de hidrógeno por metro cúbico (siempre, por supuesto obviando la incertidumbre en la constante de Hubble).

Hay una teoría que nos dice que, la Densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la Fuerza de Gravedad detenga la expansión del nuestro Universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10^-29 g/cm3, es descrito por el modelo de Einstein-de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro Universono hacen que las cuentas cuadren y, se necesitaría alguna clase de materia que no podemos detectar, para que todo lo que ocurre tenga una explicación plausible.

Claro que el hecho de que la materia luminosa medida esté tan cercana al valor crítico pero, que no lo sea exactamente, puede simplemente deberse a un accidente cósmico; las cosas simplemente “resultan” de ese modo. Me cuesta mucho aceptar una explicación (y supongo que a otros también), que venga a decirnos que una masa perdida que se llama “oscura” es la que completa el cuadro. Es tentador decir que el Universo tiene, en realidad, la masa crítica, pero que de algún modo no conseguimos verla toda.

Como resultado de esta suposición, los astrónomos comenzaron a hablar de la “masa perdida” con lo que aludían a la materia que habría llenado la diferencia entre densidades observadas y crítica. Tales teorías de “masa perdida”, “invisible” o, finalmente “oscura”, nunca me ha gustado, toda vez que, hablamos y hablamos de ella, damos por supuesta su existencia sin haberla visto ni saber, exactamente qué es, y, en ese plano, parece como si la Ciencia se pasara al ámbito religioso, la fe de creer en lo que no podemos ver ni tocar y, la Ciencia, amigos míos, es otra cosa.

Comparación entre un modelo de expansión desacelerada (arriba) y uno en expansión acelerada (abajo). La esfera de referencia es proporcional al factor de escala. El universo observable aumenta proporcionalmente al tiempo. En un universo acelerado el universo observable aumenta más rápidamente que el factor de escala con lo que cada vez podemos ver mayor parte del universo. En cambio, en un universo en expansión acelerada (abajo), la escala aumenta de manera exponencial mientras el universo observable aumenta de la misma manera que en el caso anterior. La cantidad de objetos que podemos ver disminuye con el tiempo y el observador termina por quedar aislado del resto del universo.

          Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el Universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm³), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10^-29 g/cm3, o 10^-5 átomos/cm, ya que el Universo está formado casi exclusivamente de espacios vacíos, virtualmente vacíos, entre las Galaxias. La densidad media es la que determinará si el Universo se expandirá o no para siempre.

          En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y Galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo, eso que conocemos como Gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La Gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de Gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de Gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

          En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de Gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.

          Esta fuerza es la responsable de tener cohexionado a todo el Universo, de hacer posible que existan las Galaxias, los sistemas solares y que, nosotros mismos, tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta, la Tierra, cuya gravedad, tira de nosotros para que así sea.

          No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable. Así que la relatividad general es la Ley que rige en los ámbitos de lo muy grande y, la mecánica cuántica, lo hace en los ámbitos de lo muy pequeño.

          La Gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El Gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

          La teoría cuántica es un ejemplo de talento que debemos al Físico alemán Max Planck (1.858-1.947) que, en el año 1.900 para explicar la emisión de radiación de cuerpo negro, de cuerpos calientes, dijo que la energía se emite en cuantos, cada uno de los cuales tiene una energía igual a hv, donde h es la constante de Planck (E=hv o ħ=h/2л) y v es la frecuencia de la radiación.

Esta teoría condujo a la teoría moderna de la interacción entre materia y radiación conocida como mecánica cuántica, que generaliza y reemplaza a la mecánica clásica y a la teoría electromagnética de Maxwell. En la teoría cuántica no relativista se supone que las partículas no son creadas ni destruidas, que se mueven despacio con respecto a la velocidad de la luz y que tienen una masa que no cambia con la velocidad. Estas suposiciones se aplican a los fenómenos atómicos y moleculares y a algunos aspectos de la física nuclear. La teoría cuántica relativista se aplica a partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz, como por ejemplo, el fotón.

          Por haberlo mencionado antes me veo obligado a explicar brevemente el significado de “cuerpo negro”. Que está referido a un cuerpo hipotético que absorbe toda la radiación que incide sobre él. Tiene, por tanto, una absortancia y una emisividad de 1. Mientras que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario, un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

          La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la distribución de energía sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumento de temperaturas (ley de desplazamiento de Wien).

Un cuerpo negro absorbe todas las frecuencias y emite también todas las frecuencias de radiación

Finalmente, resulta que todo lo grande está hecho de cosas pequeñas (las galaxias, las estrellas y los mundos -nosotros también-, somos átomos que, a su vez, están conformados por Quarks y Leptones, partículas elementales de ínfima presencia y de “infinita” importancia) y, también todo, lo que en el Universo existe, está sometido a sus leyes y constantes que hacen posible que nuestro univewrso sea tal como lo podemos observar y, también, hace posible que existan observadores que, como nosotros mismos, nos interesamos por estos hechos para poderlos contar.

Todo esto ha podido ser comprendido con el paso del tiempo y a medida que se sumaban los descubrimientos y los pensamientos de unos y otros, y, por ejemplo, Einstein también concluyó que si un cuerpo pierde una energía L, su masa disminuye en L/c2. Einstein generalizó esta conclusión al importante postulado de que la masa de un cuerpo es una medida de su contenido en energía, de acuerdo con la ecuación m=E/c2 ( o la más popular E=mc2).

Otras de las conclusiones de la teoría de Einstein en su modelo especial, está en el hecho de que para quien viaje a velocidades cercanas a c (la velocidad de la luz en el vacío), el tiempo transcurrirá más lento. Dicha afirmación también ha sido experimentalmente comprobada.

Todos estos conceptos, por nuevos y revolucionarios, no fueron aceptados por las buenas y en un primer momento, algunos físicos no estaban preparados para comprender cambios tan radicales que barrían de un plumazo, conceptos largamente arraigados.

Y, de la misma manera, ahora mismo la Ciencia está necesitada de nuevos paradigmas, nuevas teorías que nos traigan esas nuevas reglas con las que poder vislumbrar nuevos caminos que vayan mucho más allá de lo que lo ha hecho la relatividad y la mecánica cuántica. Ha pasado un siglo y seguimos anclados en esas dos teorías que, habiendo dado un inmenso resultado y aportado unos grandes beneficios para el conocimiento que la Humanidad tiene del “mundo” que le rodea, no son, sin embargo suficientes para hacer frente a ese futuro que se nos viene encima, inexorable como el tiempo mismo y que, nos pondrá ante dilemas que, de no remediarlo alguien, no sabremos resolver.

De hecho, no sabemos ni explicar esos fenómenos que están relacionados con los agujeros negros y que, a ciencia cierta sabemos que, inciden en el comportamiento de algunas estrellas y en la propia materia y también, en el espacio-tiempo circundante debido a la inmensa fuerza de gravedad que genera y, a eso que llamamos singularidad y que, en realidad, no podemos dar una explicación…, muy clara.

Creemos que sabemos y, ¡de pronto! hacemos el descubrimiento de que, la atmósfera de Marte, está sobresaturada de vapor de agua. Así lo determina un nuevo análisis de los datos enviados por el espectrómetro SPICAM a bordo de la nave Mars Express de ESA. Y, tal descubrimiento, después de tanto tiempo estudiando aquel planeta y tántos ingenios como lo han visitado, ha sorprendido a propios y extraños. Las implicaciones pueden ser grandes.

Ahora resulta, según un artículo publicado en The Physics Ar Xiu Blog, que la forma en que la gravedad afecta a las partículas cuánticas demuestra que no puede ser un fenómeno emergente. Una de las ideas más interesantes de la física moderna es que la gravedad no es una fuerza tradicional, al igual que las fuerzas electromagnéticas o nucleares. Por el contrario, es un fenómeno emergente que simplemente tiene el aspecto de una fuerza tradicional.

Mientras tanto, nuestra vecina Andrómeda,  a una velocidad considerable, se nos acerca imparable y, dentro de unos 3.000 millones de años, tendrá lugar el encuentro con la Vía Láctea. Sí, ya se que no estaremos aquí y que eso queda lejos. Sin embargo, nuestra obligación es saber y descubrir para dejar abierto todos los caminos posibles a los que vengan detrás -si para entonces, nuestra especie aún pervive-

Lo cierto es que, después del paseo que nos hemos dado por algunos aspectos que están implicados en nuestro conocimiento del Universo, podemos concluir que, no sabemos tanto como creemos que sabemos.

emilio silvera

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