Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (42 page)

Toda esta historia se basa en la comprensión de las leyes de la física que han sido determinadas a partir de experimentos de laboratorio realizados aquí en la Tierra, y además también se fundamenta en el hecho observado de que el universo está en expansión y en las fórmulas cosmológicas de la teoría general de la relatividad. Uno de los éxitos más impactantes de los modelos cosmológicos es que predicen esta mezcla (26 por 100 de helio y 74 por 100 de hidrógeno), que es justo la que se observa en las estrellas más viejas, que están hechas de la materia primitiva.

Durante cientos de miles de años posteriores a la formación del helio, el universo se expandió tranquilamente. Todavía se encontraba en gran medida demasiado caliente para que los electrones quedaran ligados a estos núcleos y constituyeran átomos, por lo que los electrones vagaban libres entre los núcleos, formando un plasma, y todas las partículas cargadas (lo mismo los electrones que los núcleos) participaban en interacciones con la radiación electromagnética que aún llenaba el universo. Los fotones iban de una partícula cargada a la siguiente en una loca danza zigzagueante, exactamente como lo hacen hoy en día en el interior del Sol. El siguiente cambio dramático —el final del Big Bangsucedió entre unos 300.000 y 500.000 años después del comienzo, cuando la totalidad del universo se enfrió hasta llegar aproximadamente a la temperatura que tiene la superficie del Sol en la actualidad, sólo unos 6.000 grados.
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A una temperatura como ésta, los electrones y los núcleos se pueden asociar para formar átomos eléctricamente neutros; y, desde luego, los átomos que son eléctricamente neutros difícilmente pueden participar en interacciones con la radiación electromagnética. De repente, el universo se volvió transparente. Todos los miles de millones de fotones que había en la primitiva bola de fuego se vieron libres para discurrir sin interrupciones por el espacio, mientras que los átomos podían empezar a agruparse, sin que la radiación les estorbase, para formar nubes de gas y colapsarse bajo su propia gravedad para dar lugar a las primeras estrellas, y a las galaxias.

La radiación, que tenía una temperatura de cerca de mil millones de grados cuando se formó el helio y una temperatura de 6.000 grados cuando se disoció de la materia, medio millón de años después del comienzo del universo, tendría según los modelos que haberse enfriado, descendiendo hasta llegar actualmente a unos 3 K (es decir, menos 270 grados Celsius). El segundo gran triunfo del modelo del Big Bang es que exactamente este tipo de radiación se detecta proveniente de todas las direcciones del espacio: la radiación cósmica de fondo constituida por microondas.

Esta radiación, que se detectó por primera vez en la década de los sesenta, es casi perfectamente uniforme; sin embargo, en la década de los noventa, primero el satélite COBE y luego otros detectores descubrieron unas pequeñísimas variaciones en la temperatura de la radiación que llega de diferentes zonas del cielo. Dichas ondulaciones son como marcas fósiles que fueron impresas en la radiación la última vez que participó en interacciones con la materia, 500.000 años después del comienzo del universo. Así, nos hablan de cómo estaba distribuida la materia por el universo, la última vez que hubo interacciones entre ésta y la radiación, justo antes de que dicha materia empezara a colapsarse para formar estrellas, galaxias y clusters (enjambres) de galaxias. Estas irregularidades tienen exactamente el tamaño adecuado para haber sido las semillas a partir de las cuales, y debido al colapso gravitatorio, creció la estructura que vemos en el universo actualmente, desde las galaxias hacia arriba.

¿De dónde vinieron inicialmente estas ondulaciones? ¿Qué fue lo que sembró esta estructura en el propio Big Bang? Ahora tenemos que desplazarnos a un terreno ligeramente más especulativo y traer a la cosmología las teorías de la física de partículas. Como suele pasar en cualquier campo de la ciencia que se esté desarrollando, existen varios modelos para explicar lo que sucedió al comienzo. Para simplificar, voy a dar sólo uno, mi favorito, como guía para llegar a ver el modo en que la ciencia piensa que empezó todo esto. Las variaciones sobre el tema presentan el mismo tipo de panorama a grandes rasgos, aunque los detalles pueden diferir.

La gran pregunta, tanto en filosofía y religión como en la ciencia, es por qué tiene que existir el universo: ¿por qué hay algo allí, en vez de no haber nada? Mediante una combinación de la física cuántica y la teoría general de la relatividad, la respuesta es que el propio universo puede ser «nada», en cierto modo. Concretamente, la energía total del universo puede ser cero.

Esta idea es sorprendente, ya que sabemos que existen cientos de miles de millones de galaxias, cada una de las cuales contiene cientos de miles de millones de estrellas, y Einstein nos enseñó que la masa es una forma de energía almacenada con una elevada concentración. Sin embargo, Einstein también nos enseñó que la gravedad (espacio-tiempo deformado) es una forma de energía, y lo que resulta raro es que un campo gravitatorio en realidad almacena energía negativa. Es bastante probable que toda la energía másica que hay en el universo sea precisamente contrarrestada por toda su energía gravitatoria. El universo puede ser nada más —o nada menos— que la última fluctuación cuántica.

Para aclarar esta idea de energía gravitatoria negativa, pensemos en algo mucho más pequeño que el universo, por ejemplo, una estrella. Imaginemos que desmontamos una estrella dividiéndola en las partes que la componen y dispersando estas partes lo más alejadas unas de otras que sea posible, hasta el infinito. Es igual que consideremos que sus componentes son átomos o núcleos o quarks; el argumento es en todo caso el mismo. Recordemos que la fuerza de la gravedad obedece una ley de proporcionalidad inversa con respecto al cuadrado de una magnitud. Por este motivo, la fuerza entre dos partículas que están separadas por una distancia infinita queda dividida entre el cuadrado del infinito, lo cual muy claramente da como resultado cero. La cantidad de energía gravitatoria asociada a un conjunto de partículas que están infinitamente alejadas es también cero.

Ahora imaginemos que dejamos que las partículas caigan hasta juntarse. Desde luego, si están a una distancia infinita, esto no sucederá nunca, pero podemos figurarnos que les damos un codazo para que la bola eche a rodar.
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Uno de los aspectos más importantes que conocemos sobre la gravedad es que, cuando un conjunto de partículas cae juntándose éstas en el mismo lugar por el efecto de la gravedad, se libera energía; las partículas se calientan. Después de todo, así es en principio cómo consiguen suficiente calor en su interior el Sol y las estrellas para que las reacciones nucleares comiencen. Sin esta liberación de energía gravitatoria en un objeto que se está colapsando, nosotros no estaríamos aquí. A nivel de partículas, lo que está sucediendo es que la energía del campo gravitatorio se está convirtiendo en energía de movimiento (energía cinética), con lo que las partículas caen más rápido. Cuando chocan unas con otras, esta energía cinética de cada partícula se pone de manifiesto en forma de calor. Pero esto es lo extraño con respecto al campo gravitatorio. Se empieza con energía cero. Luego, cuando las partículas caen juntas, el campo gravitatorio les aporta energía, lo que significa que en este momento tiene menos que energía cero. Por lo tanto, para todos los objetos reales del universo real, la energía asociada al campo gravitatorio es negativa.

Va a resultar todavía mejor. Si nos imaginamos que el colapso gravitatorio continúa todo el tiempo hasta llegar a un punto (un objeto singular como el que, según la teoría general de la relatividad, estuvo vinculado con el nacimiento del universo), la cantidad total de energía liberada por el campo gravitatorio es exactamente la misma que la energía másica de todas las partículas que han caído juntas. Si la masa de una estrella como el Sol estuviera concentrada en un punto, la energía negativa de su campo gravitatorio compensaría exactamente la energía másica positiva de toda su materia. Habría energía cero en todas partes. El mismo argumento es aplicable a todo el universo. Si nació en un punto, en vez de colapsarse hasta un punto, entonces el conjunto de la enorme cantidad de energía másica de toda la materia del universo podría quedar equilibrada de forma exacta por la igualmente enorme cantidad de energía negativa de todo su campo gravitatorio, dando como resultado en total energía cero.

Por supuesto, del mismo modo que los efectos cuánticos difuminan el objeto singular que supuestamente se encuentra en el nacimiento del universo, así también difuminarían la singularidad asociada a un colapso de este tipo. Sin embargo, el tipo de efectos cuánticos que actúan aquí lleva implícita la incertidumbre, dado que una auténtica singularidad no puede existir en la física cuántica, porque no existe nada que pueda ser una cantidad de energía exactamente determinada en un punto del espacio-tiempo determinado exactamente.

La incertidumbre cuántica, como ya comentamos en el capítulo 3, permite que el «espacio vacío» esté vivo, con paquetes de energía que surgen de la nada y desaparecen dentro del tiempo límite que establecen las reglas de la física cuántica. Cuanta menos energía contenga, más tiempo puede existir un paquete de energía «virtual», una fluctuación cuántica, antes de que el universo se dé cuenta y dicho paquete tenga que desaparecer. Así, una fluctuación cuántica que contuviera exactamente un total de energía igual a cero podría, por lo que respecta al mundo cuántico, durar para siempre.

En la década de 1970, unos pocos cosmólogos jugaban con la idea de que todo el universo podría ser producto de una fluctuación cuántica de este tipo, es decir, algo que salió de repente del vacío sin que hubiera ninguna razón para ello, simplemente porque esto no está prohibido por las leyes de la física. El modo en que esto podría haber sucedido, según los modelos cuánticos, no sería un caso singular. Las leyes de la física cuántica dicen que es posible la existencia de un intervalo mínimo de tiempo, llamado el tiempo de Planck, y también la de un valor máximo de la densidad (la densidad de Planck), así como existe la posibilidad de un intervalo mínimo para la distancia (la longitud de Planck). Poniendo todos estos límites juntos, el universo habría nacido en un estado determinado cuando su edad era de 10
^-43
segundos (el tiempo de Planck) y habría tenido una densidad inicial de 10
⁹⁴
gramos por centímetro cúbico. La totalidad del universo visible podría haberse originado a partir de una partícula de Planck, de unos 10
^-33
cm de diámetro (la longitud de Planck), que es una centésima de una millonésima de una billonésima del tamaño de un protón.

Sin embargo, el gran inconveniente de esta teoría era que parecía obvio, en la década de 1970, que esta partícula de Planck dispondría de un tiempo de vida muy corto, fuera lo que fuera lo permitido por las reglas de la física cuántica. Después de todo, tendría un campo gravitatorio enormemente fuerte y parece ser que su gravedad destrozaría la partícula en cuanto ésta apareciese.

Pero la cosmología experimentó una transformación durante la década de los ochenta, debido a las aportaciones provenientes del mundo de la física de partículas, y especialmente de las investigaciones realizadas sobre el modo en que las fuerzas de la naturaleza se combinan cuando existen altas energías. Como dijimos en el capítulo 3, los mejores modelos del modo en que se producen las interacciones entre partículas y campos nos explican que, con muy altas energías, las cuatro fuerzas de la naturaleza que conocemos actualmente habrían estado unidas en una superfuerza. Ésta habría sido la situación en la partícula de Planck (o partículas) cuando nació el universo. Sin embargo, inmediatamente, a la escala de la longitud de Planck, la gravedad se habría separado del resto de las fuerzas y se habría ido por su propio camino; las otras fuerzas habrían seguido su ejemplo muy rápidamente. Según estos modelos, la separación de las fuerzas de la naturaleza habría convertido parte de la energía existente en un enorme empuje hacia el exterior, obligando a la semilla del universo a expandirse dramáticamente en una pequeñísima fracción de segundo, venciendo así completamente (durante ese segundo de la separación) la tendencia del campo gravitatorio a hacer que se colapsara la semilla cuántica.

La energía liberada de esta manera se compara a menudo con la energía, conocida como calor latente, que se libera cuando el vapor de agua se condensa para producir agua líquida. Cuando el agua pasa de un estado de alta energía a un estado de baja energía, se libera calor latente. Ésta es, por ejemplo, la fuerza conductora de los huracanes, donde la condensación del agua libera tanto calor que se producen unas fortísimas y turbulentas corrientes de convección de aire. Los vientos de un huracán forman remolinos a causa de la rotación de la Tierra; pero el universo no rota. El nacimiento del universo fue como un huracán cósmico, pero aquí los vientos soplaban todos en la misma dirección: hacia afuera.

Esta teoría se conoce como inflado, y la característica fundamental del inflado es que se trata de un proceso exponencial. El modo en que el universo se expande actualmente es más o menos lineal: si dos galaxias estuvieran situadas de tal manera que la distancia entre ellas se duplicara en cinco mil millones de años, entonces en otros cinco mil millones de años esta nueva distancia volvería a duplicarse (en realidad, no llegaría a tanto como duplicarse en el segundo período de cinco mil millones de años, ya que esta expansión se vuelve más lenta por la influencia de la gravedad).

Sin embargo, durante la expansión exponencial, si la distancia entre dos partículas se duplica en un segundo, en el siguiente segundo se cuadruplica, en el tercer segundo queda multiplicada por ocho, y así sucesivamente. La expansión exponencial crece a una velocidad rapidísima. En los primeros tiempos del primitivo universo, el tiempo de duplicación era de unos 10
¹¹
segundos, lo cual significa que en sólo 10
³²
segundos el tamaño del primitivo universo se duplicaba cien veces. Esto fue suficiente para tomar una semilla de una centésima de una millonésima de una billonésima del tamaño de un protón e inflarla hasta que adquiriera el tamaño de un grano de uva, todo ello antes de que el universo tuviese tan sólo 10
³²
segundos de edad. En ese momento las fuerzas de la naturaleza se habían separado todas unas de otras y el inflado se detuvo. A pesar de ello, aquel universo del tamaño de un grano de uva (que contenía toda la energía másica de lo que actualmente constituye todo el universo visible) siguió expandiéndose tan rápidamente, en el Big Bang, que la gravedad no pudo detener la expansión durante cientos de miles de millones de años.
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