Cuando retrocedemos en el tiempo hasta el pasado distante del universo, encontramos estrellas gigantes que consumen hidrógeno y helio para producir otros elementos pesados como el carbono y el hierro. Si retrocedemos aún más, encontraremos que los elementos pesados han desaparecido y se han descompuesto en elementos más ligeros, y así hemos llegado a un universo cuya materia es hidrógeno, deuterio, tritio, helio y quizás un poco de litio. Si retrocedemos aún más, alcanzaremos una etapa en que la energía de los fotones no permite que los átomos de hidrógeno permanezcan estables. Por lo tanto, encontraremos estos átomos descompuestos en electrones, núcleos de hidrógeno (protones), núcleos de isótopos de hidrógeno y núcleos de helio. Luego, alcanzamos un universo compuesto por hadrones (como protones), leptones (como electrones y neutrinos) y fotones. Si retrocedemos en el tiempo aún más, la temperatura será tan alta que la alta energía de los fotones les permitirá producir partículas materiales al colisionar entre sí. También descubriremos que las partículas de materia y antimateria aparecen y se aniquilan entre sí en un universo compuesto de fotones (o energía, ya que los fotones no tienen masa), leptones, quarks, antiquarks y también bosones.

Sin embargo, en cualquier caso, no podremos retroceder más allá de una barrera y un bloqueo que obstruye nuestra visión científica de lo que hay más allá de ella. Esta barrera está presente cuando la temperatura es de aproximadamente 1032 K y en el momento 10-43 segundos después del comienzo del universo. Las leyes de la física no funcionan antes de un tiempo de Planck —aunque ciertamente, solo hay algunas especulaciones sobre cómo funcionaría la teoría de cuerdas antes de ese punto en el tiempo.

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Una imagen de una de las galaxias más antiguas. Según su “color”, se cree que está a 13,2 millones de años luz de distancia

Sin embargo, podemos al menos imaginar un tiempo en que las fuerzas gravitacionales fueran tan fuertes como las interacciones nucleares fuertes a las que nos hemos referido. Los campos gravitacionales no se generan solamente por masas de partículas, sino por todas las formas de energía. La Tierra se desplaza alrededor del Sol un poco más velozmente de lo que lo haría si el Sol no fuera caliente, porque la energía del calor del Sol se suma a la fuente de su gravitación. A temperaturas superelevadas, las energías de las partículas en equilibrio térmico pueden llegar a ser tan grandes que las fuerzas

gravitacionales entre ellas sean tan fuertes como cualesquiera otras fuerzas. Podemos calcular que este estado de cosas se alcanzó cuando la temperatura fue de cien millones de millones de millones de millones de millones de grados (1032 K).

A esta temperatura pasaría todo género de cosas extrañas. No solamente las fuerzas gravitacionales habrían sido fuertes y la producción de partículas por campos gravitacionales copiosa, sino que la idea misma de «partícula» no habría tenido aún ningún sentido. El «horizonte», la distancia más allá de la cual es imposible haber recibido ninguna señal (véase p. 44), habría sido en ese tiempo más cercano que una longitud de onda de una partícula típica en equilibrio térmico. Hablando vagamente, ¡cada partícula sería casi tan grande como el universo observable!

No sabemos aún lo suficiente sobre la naturaleza cuántica de la gravitación ni siquiera para especular inteligentemente acerca de la historia del universo anterior a este tiempo. Podemos hacer una tosca estimación de que la temperatura de 1032 K se alcanzó unos 10−43 segundos después del comienzo, pero realmente no está claro que tal estimación tenga algún significado. Así, cualesquiera que sean los otros velos que podamos levantar, hay uno concerniente a la temperatura de l032 K que aún oscurece nuestra visión de los tiempos primigenios.

Sin embargo, ninguna de estas incertidumbres afecta mucho a la astronomía de 1976. El quid es que, durante todo el primer segundo, el universo presumiblemente estuvo en un estado de equilibrio térmico, en el que las cantidades y las distribuciones de todas las partículas, incluidos los neutrinos, estaban determinadas por las leyes de la mecánica estadística, y no por los detalles de su historia anterior. Cuando medimos la abundancia actual del helio, o la radiación de microondas o aun los neutrinos, estamos observando las reliquias del estado de equilibrio térmico que terminó al final del primer segundo. Hasta donde llega nuestro conocimiento, nada de lo que podamos observar hoy depende de la historia del Universo anterior a esa época. (En particular, nada de lo que podamos observar ahora depende de si el Universo fue isótropo y homogéneo antes del primer segundo, excepto quizá la misma proporción entre fotones y partículas nucleares). Es como si se preparara con gran cuidado una cena —con los ingredientes más frescos, las especias más cuidadosamente elegidas, los vinos más finos— y luego se arrojara todo a una gran olla para que hirviese durante algunas horas. Sería difícil, aun para el comensal de mejor gusto, saber qué se iba a servir (Weinberg 1993, “Los tres primeros minutos del universo” 145-47).

Hace unos catorce mil millones de años, en el origen de los tiempos, todo el espacio y toda la materia y toda la energía del universo conocido cabían en una cabeza de alfiler. El universo estaba entonces tan caliente que las fuerzas básicas de la naturaleza, que en conjunto describen el universo, se hallaban fusionadas en una sola fuerza, unificada. Cuando el universo era un infierno a 1030 grados y tenía sólo 10-43 segundos de vida —tiempo antes del cual todas las teorías de la materia y el espacio pierden sentido—, a partir de la energía contenida en el campo de fuerzas unificado se formaron, desaparecieron y volvieron a formarse espontáneamente agujeros negros. Bajo esas condiciones extremas —en lo que hay que admitir que es física especulativa—, la estructura del espacio y el tiempo llegó a ser muy curva mientras borbotaba en una estructura esponjosa, como de espuma. Durante esa era, los fenómenos descritos por la teoría general de la relatividad (la teoría moderna de la gravedad) de Einstein y la mecánica cuántica eran indistinguibles (Tyson 2004, “Orígenes” 25).

Solo podemos saber acerca del comienzo del universo retrocediendo en el tiempo mientras tomamos información del presente entre nosotros, obtenida de la observación y la medición, y estando equipados con ecuaciones comprobadas y leyes de la materia, como la ecuación de Einstein, sus teorías de la relatividad especial y general y la teoría cuántica de Planck. Gran parte de lo que los cosmólogos y físicos teóricos presentan en términos del modelo estándar, la teoría del Big Bang y el viaje del universo (especialmente en sus primeros minutos) se basa en mediciones precisas de lo que contiene nuestro universo actual. De hecho, no estamos acostumbrados a ellos en nuestra vida cotidiana e incluso podemos considerarlos extraños. Sin embargo, no son ficción, sino las realidades que nos rodean. La teoría general de Einstein predijo la existencia de agujeros negros, y sus efectos se observaron en el universo. Recientemente, en el siglo XXI, los mismos fueron observados con precisión, y ya no fueron una mera posibilidad predicha por teorías científicas como las de Einstein. El bosón de Higgs fue descubierto en el Colisionador de Hadrones en el siglo XXI, así como otras partículas cuánticas en la física moderna, la cual comenzó con la teoría cuántica de Max Planck, y la teoría de la relatividad y la ecuación de Einstein de la energía y la materia. Las realidades ya no son como eran. El ser humano ya no es solo similar a las plantas y los animales, conectado a ellos por el mismo plan genético formado en el momento de la primera aparición de la vida terrestre, sino que ahora se ha vuelto similar a cualquier roca, piedra, pieza de hierro o elemento de materia, aunque no esté contenido en ella ningún cuerpo vivo. Todos están compuestos de leptones y hadrones, que a su vez están compuestos de quarks.

Los cosmólogos y los físicos teóricos ahora pueden decir con un nivel razonable de confianza que teóricamente han viajado lo más atrás posible en el tiempo hasta el comienzo del universo. Predijeron los estados en los que podría estar nuestro universo. Vieron cómo los hadrones, leptones y antileptones se formaron a partir de la energía, y cómo se aniquilaron unos a otros de modo que solo queda una parte en mil millones de materia (o hadrones y leptones). Vieron cómo se formaron las cuatro fuerzas (gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), seguidas por la formación de núcleos de hidrógeno y helio, seguidos por átomos ligeros, como átomos de hidrógeno, helio y litio. Vieron cómo estos elementos luego se reunieron en gigantescas nubes de gas que se movían y giraban, elevando sus temperaturas hasta alcanzar el punto de fusión del núcleo. Luego se formaron gigantescas fábricas nucleares llamadas estrellas, en las que se cocinaban los elementos restantes más pesados (como el carbón y el hierro). La estrella explotaría después de quedarse sin combustible nuclear, diseminando estos elementos en el universo y formando parte de los planetas o las estrellas de la próxima generación. Esto continuó hasta formarse finalmente nuestro universo actual como lo vemos hoy.

Los cosmólogos pueden afirmar todo lo anterior, pero también se puede afirmar científicamente que todo lo que observamos y todas las leyes que descubrimos solo describen un lugar dentro del universo en el que estamos situados. En otras palabras, la región observada en la que vivimos y llamamos “universo” es solo una parte del universo, y las características que observamos y las leyes que escribimos solo proporcionan una expresión para esta región. Podemos imaginar esta región en el universo como un bloque de hielo flotando en uno de los océanos de la tierra. También hay un comienzo del universo que está completamente bloqueado para nosotros: no se puede observar y sus detalles no pueden determinarse por completo. Lo que sea que alguien presente con respecto al problema siempre consistirá solo en posibilidades y suposiciones.

Al seguir esta descripción de los tres primeros minutos, el lector quizá experimente la sensación de que los científicos tienen un exceso de confianza. Tal vez tenga razón. Sin embargo, no creo que la mejor manera de promover el avance científico sea mantener un espíritu abierto a rajatabla. A menudo es necesario olvidar las propias dudas y seguir las consecuencias de nuestros supuestos dondequiera nos conduzcan: lo importante no es estar libre de prejuicios teóricos, sino tener los prejuicios teóricos correctos. Y siempre, la prueba a la que debe someterse todo preconcepto teórico reside en aquello a lo cual conduce. El modelo corriente del Universo primitivo ha registrado algunos éxitos y brinda un marco teórico coherente para futuros programas experimentales. Esto no significa que sea verdadero, pero sí significa que merece ser tomado en serio.

Sin embargo, hay una gran incertidumbre que pende como una nube oscura sobre el modelo corriente. Subyacente en todos los cálculos descritos en este capítulo está el principio cosmológico, el supuesto de que el Universo es homogéneo e isótropo; (por «homogéneo», queremos significar que el Universo presenta el mismo aspecto a todo observador que sea arrastrado por la expansión general del Universo, dondequiera que este observador pueda estar situado; por «isótropo», queremos significar que el Universo presenta el mismo aspecto en todas las direcciones para un observador semejante). Sabemos por observación directa que el fondo de radiación cósmica de microondas es altamente isótropo a nuestro alrededor, y de esto inferimos que el Universo ha sido altamente isótropo y homogéneo desde que la radiación salió del estado de equilibrio con la materia, a una temperatura de unos 3.000 K. Sin embargo, no tenemos ninguna prueba de que el principio cosmológico sea válido para épocas anteriores.

Es posible que el Universo fuera inicialmente no homogéneo y anisótropo, pero posteriormente se haya homogeneizado a causa de las fuerzas de fricción ejercidas por las partes del Universo en expansión unas sobre otras. Tal modelo «mixto» ha sido defendido particularmente por Charles Misner, de la Universidad de Maryland. Hasta es posible que el calor generado por la homogeneización e isotropización friccionales del Universo sea el causante de la enorme proporción actual de mil millones a uno de los fotones a las partículas nucleares. Sin embargo, hasta donde alcanza mi conocimiento, nadie puede decir por qué el Universo habría de tener un grado inicial específico de ausencia de homogeneidad y de anisotropía, y nadie sabe cómo calcular el calor producido por su homogeneización.

En mi opinión, la respuesta apropiada a tales incertidumbres no es (como creen algunos cosmólogos) desechar el modelo corriente, sino más bien tomarlo muy en serio y desarrollar totalmente sus consecuencias, aunque sólo sea con la esperanza de hallar una incompatibilidad con la observación. Ni siquiera es claro que una gran anisotropía y falta de homogeneidad iniciales modificasen mucho la historia presentada en este capítulo. Podría ser que el Universo se haya homogeneizado en los primeros segundos; en ese caso, la producción cosmológica de helio y deuterio podría calcularse como si el principio cosmológico hubiera sido siempre válido. Aun si la anisotropía y la ausencia de homogeneidad hubiesen persistido más allá de la era de la síntesis del helio, la producción de helio y deuterio en todo grumo en expansión uniforme sólo dependería del ritmo de expansión dentro del grumo, y no sería

muy diferente de la producción calculada en el modelo corriente. Hasta podría ser que todo el Universo sujeto a nuestra mirada cuando remontamos todo el camino de vuelta a la época de la nucleosíntesis sólo sea un grumo homogéneo e isótropo dentro de un universo más grande no homogéneo y anisótropo.

La incertidumbre que rodea al principio cosmológico se hace realmente importante cuando miramos retrospectivamente hacia el comienzo mismo o hacia el fin futuro del Universo. Seguiré apoyándome en este principio en la mayor parte de los dos últimos capítulos. Sin embargo, debe admitirse siempre que nuestros modelos cosmológicos sencillos pueden describir sólo una pequeña parte del Universo o una parte limitada de su historia (Weinberg 1993, “Los tres primeros minutos del universo” 119-21).

De hecho, Steven Weinberg cree que quizás en el futuro, nos resultará claro que algunas de las leyes universales de la física que ahora consideramos, son en realidad leyes formuladas y basadas en eventos históricos, como la rotación de los planetas del sistema solar alrededor del sol, siendo la causa la dirección de rotación de la nube giratoria de polvo gaseoso de la cual se formaron el sol y los planetas. Esta nube rotaba en esta dirección, y es por eso que los planetas giran en la misma dirección. Este es un evento histórico y no una ley de la física.

Por supuesto, cualquier determinismo que sobreviva en principio no nos ayuda mucho cuando tenemos que lidiar con sistemas reales que no son simples, como el mercado de valores o la vida en la tierra. La intrusión de accidentes históricos establece límites permanentes a lo que podemos esperar explicar. Cualquier explicación de las formas de vida actuales en la tierra debe tener en cuenta la extinción de los dinosaurios hace sesenta y cinco millones de años, lo cual actualmente se explica por el impacto de un cometa, pero nadie podrá explicar por qué ocurrió que un cometa golpeara la tierra justo en ese momento. La esperanza más extrema para la ciencia es que podremos rastrear las explicaciones de todos los fenómenos naturales hasta las leyes finales y los accidentes históricos.

    La intrusión de accidentes históricos en la ciencia significa también que debemos tener cuidado con el tipo de explicaciones que exigimos de nuestras leyes finales. Por ejemplo, cuando Newton propuso por primera vez sus leyes de movimiento y gravitación, se planteó la objeción de que estas leyes no explicaban una de las regularidades sobresalientes del sistema solar, que todos los planetas giran alrededor del sol en la misma dirección. Hoy entendemos que esto es una cuestión de historia. La forma en que los planetas giran alrededor del sol es una consecuencia de la forma particular en que el sistema solar se condensó en un disco giratorio de gas. No esperaríamos poder deducirlo solo de las leyes del movimiento y la gravitación. La separación de la ley y la historia es un asunto delicado, uno que aprendemos a hacer continuamente a medida que avanzamos.

    No solo es posible que lo que ahora consideramos condiciones iniciales arbitrarias puedan deducirse en última instancia de las leyes universales —sino que también es posible que los principios que ahora consideramos leyes universales acaben convirtiéndose en accidentes históricos. Recientemente, varios físicos teóricos han estado jugando con la idea de que lo que generalmente llamamos universo, la nube de galaxias en expansión que se extiende en todas las direcciones durante al menos decenas de miles de millones de años luz, es simplemente un subuniverso, una pequeña parte de un megauniverso mucho más grande que consta de muchas de esas partes … (Weinberg 1992, “El sueño de una teoría final” 37-38).


Extracto del libro “La Ilusión del Ateísmo” de Ahmed AlHasan (a)

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