Capítulo VII: A horcajadas sobre el infinito.

Capítulo VII: A horcajadas sobre el infinito.

  Esta vez sí. Tras la traición de la semana pasada ahora sí que nos disponemos a afrontar el desafío final y a abrir el melón de la última pregunta que nos queda por responder: ¿por qué el universo es como es? No será fácil afrontar esta cuestión, pues no en vano es la madre de todas las preguntas. Sinceramente, ignoro cuanto podremos aproximarnos a la respuesta verdadera o si esta acaso existe o no, pero haremos todo lo que podamos, es decir, veremos hasta donde la ciencia ha conseguido arrojar luz sobre tan oscuro e insondable enigma. Y tengan por seguro que se sorprenderán con ello. Si creían que a pesar de todo lo que han podido leer hasta el momento conocían la realidad que habitamos, pronto cambiarán de opinión. Empecemos:

  ¿Por qué el universo funciona del modo en que lo hace? Parece una pregunta muy idiota y a mí al principio así me lo parecía. Simplemente funciona así y ya está, podríamos responder. Sin embargo el comienzo de nuestros problemas con esta respuesta se encuentran en el enorme, inmenso cúmulo de casualidades que hallamos en las leyes de la física y sin las cuales no existiríamos. Lo que estoy a punto de enunciar se conoce como "principio antrópico" y ha sido objeto de muchas polémicas, debates y reflexiones en los últimos tiempos. Básicamente viene a decir que nosotros como observadores condicionamos aquello que podemos ver, o dicho de otra manera, que las cosas son exactamente como son puesto que de otra manera no podríamos estar aquí observándolas. Así es, estamos ante la perogrullada más grande que jamás haya sido enunciada, pero más que un artificio filosófico, el principio antrópico se ha convertido en una herramienta útil para estudiar el funcionamiento y evolución de nuestro universo. Pondré un ejemplo de ello.

  Los seres vivos estamos formados principalmente por un elemento químico ¹ llamado carbono. En esencia es un tipo de átomo que puede combinarse de muchísimas maneras distintas y que da todo el juego necesario para que puedan existir formas vivas. Se ha especulado bastante sobre la posibilidad de que otras criaturas pudieran haberse formado a partir de elementos distintos, por ejemplo el silicio, pero las propiedades del carbono son tan especiales que resulta en extremo dudoso que esto haya sido posible. Sin embargo nuestro famoso carbono no surgió de la nada gracias a una varita mágica. Justo al comienzo, el universo era bastante pobre en elementos químicos, de hecho estaba constituido casi en su totalidad por hidrógeno y helio, los dos átomos más simples que pueden formarse. Por suerte para nosotros, mucho tiempo después en el interior de las estrellas tuvieron lugar complejos procesos de fusión nuclear que permitieron la síntesis de elementos más complejos a partir del hidrógeno y el helio.

Fusión nuclear, este es el proceso que ocurre en el interior del Sol y que le brinda la energía que usa para tostarnos el cogote en verano. Tanto deuterio como tritio son dos isótopos de hidrógeno. En azúl los neutrones y en amarillo los protones, los segundos se conservan y marcan el número atómico definitorio de cada elemento químico.

  Estos se fusionaron generando gran cantidad de energía (como hace nuestro Sol) y produciendo elementos químicos cada vez más elaborados (formados de más protones, neutrones y electrones). Así las estrellas se convirtieron en una suerte de factorías de hierro, oxígeno, calcio, flúor, carbono, silicio y en definitiva de los 92 elementos químicos que encontramos hoy en día en la naturaleza. En efecto, el material del que usted está hecho se ha manufacturado dentro estrellas. Estas, cuando han agotado su "combustible", es decir, cuando han acumulado cierto número de elementos químicos tan pesados que ya no sale energéticamente rentable fusionarlos (el hierro suele ser una barrera), colapsan y explotan, esparciendo todos sus componentes por la galaxia (y en algunas explosiones se generan aún más tipos de elementos químicos).

Las estrellas algo mayores que el Sol cuando terminan su combustible nuclear detonan en monstruosas explosiones denominadas "Supernovas" capaces de brillar más que una galaxia entera. En la imagen: Supernova 1994D brillando en las afueras de la galaxia NGC 4526, cortesía del telescopio espacial Hubble (y de Wikipedia).

Nebulosa del Cangrejo, son los restos de una explosión supernova que fue visible en la Tierra en 1054 por astrónomos chinos y árabes (las culturas más civilizadas de la época). Se dice que gracias a su luz se podía leer en plena noche.

  Magnífico, ahora nuestra pregunta es: ¿como de probable es que se genere dentro de las estrellas la suficiente cantidad de carbono como para que sea factible que pueda surgir vida basada en él en un planeta? Porque todos sabemos que hay elementos químicos que son muy difíciles de producir y por tanto muy escasos en la naturaleza. La respuesta es que aparentemente el carbono pertenece justamente a esa categoría de elementos muy difíciles de producir. Para generarlo tienen que chocar dos núcleos de helio para formar berilio y luego uno más para generar carbono en una carambola denominada "proceso triple alfa" (debido a que a los tres núcleos de helio que intervienen se los conoce como rayos/partículas alfa). Esta carambola atómica es en efecto bastante improbable, así que en principio el porcentaje de carbono en el universo debería de ser ínfimo.

Proceso triple alfa en acción, gracias a él estamos hechos de carbono.

  Pero aquí salta nuestro principio antrópico dispuesto a presentar batalla, puesto que estamos en nuestras respectivas sillas leyendo/escribiendo estas líneas y resulta que estamos formados principalmente de carbono. ¿Que pasa realmente? Los científicos se pusieron rápidamente a examinar esta cuestión y en 1952 un físico llamado Fred Hoyle predijo que “la suma de las energías del berilio y del núcleo de helio debe ser casi exactamente igual a la energía de un cierto estado cuántico de un isótopo ² de carbono, una situación llamada resonancia, que incrementa mucho el ritmo de una reacción nuclear.” Dicho nivel de energía no se conocía en la época, pero gracias a esta predicción inspirada en el principio antrópico se buscó y se encontró. El proceso en cuestión es una coincidencia tal de los valores con los que juegan las leyes físicas que dejó patidifusos a los científicos. Y sin embargo este solo es un ejemplo más de muchos “azares” delicadamente “amañados” para que podamos estar aquí, los cuales los científicos han buscado y encontrado en base a este tipo de razonamientos. Pondré más ejemplos de estas increíbles coincidencias. Y para cambiar de escenario, vayámonos de lo muy pequeño a lo muy grande.

  Recordemos del capítulo anterior que a gran escala nuestro universo estaba manejado por dos fuerzas antagónicas: por un lado la gravedad trata de juntar a los diferentes objetos dotados de masa (estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc) a pesar de la expansión cósmica, mientras que la así llamada “energía oscura” actúa justo al revés, separando esos mismos objetos y acelerando dicha expansión. Así mismo, se recordará también que la energía oscura había empezado a hacerse notar hace unos 5.000 millones de años, cuando la expansión del espacio-tiempo al que va asociada hizo incrementar lo suficiente su fuerza, tanto como para contrarrestar a la gravedad. Bueno, pues gravedad y energía oscura desarrollan diferentes efectos sobre grandes cúmulos de galaxias. La primera los hace chocar, generando grandes galaxias en las cuales las colisiones de gas provocan un nacimiento muy rápido y violento de estrellas que en seguida se consume a sí mismo. Las galaxias así creadas son en efecto muy grandes, con una bajísima tasa de natalidad estelar y están pobladas por un remanente de estrellas de larga esperanza de vida y por lo tanto muy viejas, que no han pasado por los violentos procesos de evolución que veíamos antes y son pobres en elementos químicos (esenciales para la vida).  Además, en este tipo de galaxias encontramos grandes agujeros negros devoradores de materia en medio de terroríficos “eructos” de radiación, condiciones no muy acogedoras para montar un ecosistema planetario, la verdad. Este escenario ha sido confirmado observando galaxias muy distantes y por lo tanto muy alejadas atrás en el tiempo, de la época en que la gravedad era la fuerza dominante en ese tipo de fenómenos.

Los quásares (como el que aparece en la imagen) eran muy comunes en el universo primitivo. Su nombre viene de objeto "quasi estelar", pues son tan brillantes que al principio se los tomó por estrellas y solo la terrible distancia a la que se encuentran reveló su auténtica y violenta naturaleza. La teoría más aceptada es que se trata de enormes agujeros negros devorando ingentes cantidades de materia. El disco de acrección que gira en torno a ellos alcanza temperaturas inconcebiblemente altas y origina su brillo y las mortales cantidades de radiación que emiten. Por fortuna para nosotros, no queda ninguno en el universo actual.

 Por contra, la energía oscura tiende a aislar más las galaxias, las cuales son más pequeñas y en cuyos interiores ocurren procesos de formación estelar más sosegados, dando tiempo al nacimiento de sucesivas generaciones de estrellas con sus correspondientes explosiones finales y una rica distribución de elementos químicos complejos. Dicho esto, tenemos que el valor de la energía oscura es justo el adecuado para:

1.  Haber favorecido la producción de galaxias como la nuestra.
   
   
2.  Ser lo suficientemente alto como para que el universo no se colapse sobre sí mismo demasiado rápido por culpa de la gravedad.
   
   
3.  Ser lo suficientemente bajo como para que el universo no se haya expandido demasiado rápido sin que diera tiempo a la formación de galaxias.

  Mucha coincidencia tal vez, más si pensamos que la materia oscura también ha jugado su papel al permitir que las galaxias se formaran del modo en que lo han hecho y a tiempo para que nos haya dado tiempo de evolucionar en un planeta a partir de microbios y pararnos a pensar sobre estas cuestiones. Podría seguir, pero a modo de traca final acerca del “amañe” de las leyes físicas de nuestro universo diré que:

•  Un cambio del 0,5 % en la intensidad de la fuerza nuclear fuerte o de un 4 % en la fuerza electromagnética destruiría casi todo el carbono y oxígeno en cualquier estrella y por consiguiente las posibilidades de que podamos estar ahora tostándolos las retinas delante de la pantalla de un ordenador. 
  
  
•  La fuerza gravitatoria es igual a G x (M x M') / r² ; siendo G la constante gravitatoria, M la masa del cuerpo principal, M' la del cuerpo secundario y r la distancia que separa a ambos cuerpos. Es decir, que la fuerza de la gravedad entre dos objetos con masa disminuye según el cuadrado inverso de la distancia entre ellos. Si esto no ocurriera así y por ejemplo fuera el cubo inverso (G x (M x M') / r³), las órbitas de los planetas no serían estables y de nuevo no podríamos encontrarnos aquí sumidos en estas reflexiones. * (véase nota final)
  
  
•  Otros cambios mínimos en diferentes constantes físicas también darían al traste no solo con nosotros, sino también con la existencia de átomos estables, de la materia gracias a su predominio sobre antimateria cortesía de ciertas violaciones en el principio de conservación de la carga eléctrica ³, etc...

  En resumen, para que nuestro universo hubiera surgido del puro y duro azar del falso vacío cuántico, son demasiadas coincidencias. Aquí pasa algo raro. Y llegados a este punto podría decir algo así como “claro, pero es que nuestro cosmos fue creado por un enormemente grande y poderoso monstruo formado de espagueti y un par de albóndigas, y que se creó así mismo (del mismo modo que a veces surgen de manera espontánea tuppers de pasta en mi nevera), planeando unas leyes físicas exactamente con los valores necesarios para que pudiéramos existir y adorarle como se merece”.

Monstruo del Espagueti Volador.

  Sí, adorar al Monstruo del Espagueti Volador y echarle la culpa de nuestra existencia es una gran tentación, sobre todo porque me permitiría poner fin a este tema e irme a hacer otras cosas. Pero no, me temo que creer en entes todopoderosos y auto-creados es demasiado complicado para ser del gusto de la ciencia, así que tendremos que buscar alguna otra explicación que sea más coherente con lo que sabemos del universo y también más simple y elegante (a su manera).

  Por fortuna para nosotros esa explicación existe, y se llama... ¡infinito! Y hay no uno sino dos modos de acercarnos a este concepto, a cual más insólito.

  El primer modo es regresando (por última vez) al concepto de inflación cósmica. Vimos hace un par de semanas las evidencias de que nuestro universo hubiera surgido en una violentísima expansión inicial denominada “inflación cósmica” a partir de un préstamo de energía cortesía del vacío primigenio. Sin embargo, la pregunta evidente es: ¿y por qué esto ha tenido que ocurrir una sola vez y no varias? ¿acaso no pueden estar ocurriendo estos procesos continuamente a partir del vacío? Acabamos de abrirle la puerta al controvertido concepto de multi-universo. No sería este por lo tanto nuestro único cosmos, sino que habría otros, más allá de nuestra capacidad para detectarlos y surgidos de procesos análogos al nuestro. Puesto que vacío en el que nacerían estos universos se expandiría más rápido que ellos mismos, unos nunca podrían entrar en contacto con otros y en la práctica cada uno formaría una isla permanentemente incomunicada de las demás. A esta teoría se la llama “inflación eterna”, y hablaríamos en efecto de un proceso eterno de generación de infinitos universos, cada uno con diferentes valores para la energía oscura y distintos ritmos de expansión. Nosotros solo viviríamos en aquel en el cual dichos factores han sido los más óptimos. Puede parecer fantasía, pero realmente solo estamos aplicando a una mayor escala los mecanismos que pensamos que han funcionado y funcionan en nuestro universo. Matemáticamente no es ninguna incoherencia.

El vacío entre universos se expandiría más rápido que ellos mismos, así que nunca podrían conectarse.

  Pero aunque el lector no lo crea, se puede ir todavía más lejos. Todo este sin fin de universos que imaginamos podrían compartir los mismos parámetros físicos... o no. Partiendo de distintas energías primordiales de vacío, podríamos tener universos en los cuales las constantes físicas no fueran iguales a las nuestras: diferentes masas para las partículas, otras intensidades en las fuerzas o interacciones fundamentales, etc. Así las cosas, la maravillosa pléyade de casualidades que permiten nuestra existencia solo habría sido seleccionada por el principio antrópico entre una infinita gama de otras alternativas. De un plumazo, combinando principio antrópico e infinito, somos capaces de darle una patada al “porqué de todo” y escupirle a la cara un: “simplemente porque en algún sitio podía ocurrir”. No hace falta recurrir a dioses ni otras criaturas todopoderosas; todo indica que somos hijos del infinito y del azar. Es estremecedor pensar en toda esa ilimitada red de otras realidades posibles, a pesar de que sean algo virtual en la medida en que nunca podremos viajar hasta ellas y saber de sus maravillas, de sus dramas y de quien allí pueda habitar y opinar sobre el asunto. ¿Podrían existir otras Tierras y otros nosotros en esas otras realidades? Precisamente el principal handicap de esta teoría es que por definición no puede ser contrastada directamente, pero sí que podemos detectar sus indicios al explorar nuestro propio cosmos. Además, sin el multi-universo en verdad nos veríamos en serios problemas para explicar el porqué de todo lo que hemos descrito en estos capítulos, y repito que su postulación es física y matemáticamente coherente con lo que sabemos hoy en día acerca de la realidad que sí podemos explorar. 

 A algunos científicos les parece frustrante que nos rindamos y expliquemos las distintas masas de las partículas y otros parámetros de nuestro universo recurriendo al burdo azar infinito combinado con el principio antrópico. Por un lado critican que presupongamos justo lo que queremos demostrar para poder hacerlo, una falacia denominada "petición de principio" y que puede compararse con el hombre que trata de sacarse de unas arenas movedizas tirándose del pelo. Por otro lado les parece una solución poco elegante explicar que algo ocurre solo porque puede ocurrir. Pero en ciencia las teorías se miden por su eficacia para explicar y resolver problemas, no por su elegancia, y además, aunque descubriéramos una preciosa y refinada “ecuación maestra” que nos revelara el origen de todos los distintos valores que rigen nuestro cosmos, aún podríamos preguntar: “¿y por qué esa ecuación es así?”. Nótese que no es que presupongamos el multiuniverso para poder demostrarlo, sino que nos limitamos a postularlo para ver que predicciones podemos realizar a partir de él. Sea como sea, los experimentos y las pizarras cargadas de ecuaciones de los físicos tendrán la última palabra, pero en cualquier caso ya es hora de dejar de pelearnos con el infinito y empezar a deleitarnos con la idea de que podríamos ser uno de sus hijos predilectos.

  Y sin embargo, esto aún no ha terminado. Todavía nos queda el otro modo de abordar el infinito, el más extraño y delirante de todos. Una absoluta locura, tanta, que mejor dejarla prudentemente en cuarentena hasta el capítulo que viene. Hasta entonces, queridos lectores.

  Notas:

¹ Un elemento químico es un tipo concreto de átomo, y normalmente encontramos sustancias en la naturaleza formadas únicamente por estos. Por el ejemplo el oxígeno que respiramos se compone de muchos átomos de oxígeno, o el aluminio de una bici de átomos de aluminio, etc. De modo natural existen 92 elementos químicos distintos, desde el hidrógeno, el más simple, al uranio, el más complejo y pesado, aunque también se han producido decenas de otros aún más intrincados en laboratorio, los llamados elementos químicos sintéticos, muchos de ellos inestables o radioactivos, como el plutonio. Por contra un compuesto químico se hallaría constituido por moléculas formadas por diferentes tipos de átomos, la sal (átomos de cloro y sodio) o el agua (dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno) son buenos ejemplos.

² Un elemento químico viene definido por el número de protones que tiene. Pero el número de neutrones y electrones puede cambiar. Denominamos isótopos a las diferentes variedades de un elemento químico en función del número de neutrones que tenga. Si cambia el número de electrones hablamos de iones, positivos si tienen menos y negativos si tienen más, dado que el electrón porta una carga negativa.

³ Como se vio, materia y antimateria se aniquilan entre sí generando energía, y según el principio de conservación de la carga eléctrica, a partir de energía debe surgir tanto materia como antimateria, algo que se llama “principio de conservación del número leptónico” y que obliga a que aparezcan el mismo nº de leptones que de antileptones (por ejemplo, un electrón y un positrón). Así que la pregunta obligada es: si esto es así deberían de haber surgido idénticas cantidades de materia y antimateria durante el Big Bang, que se habrían aniquilado entre sí sin que existiera ninguna de las dos hoy en día. Pero el principio antrópico acude al rescate y aquí tenemos a los físicos buscando ejemplos de violaciones de dicho principio del número leptónico. Investigando desintegraciones atómicas en las que intervienen unas diminutas y esquivas partículas llamadas neutrinos, han empezado a descubrirse indicios de dichas violaciones. 

 

* El Señor Paco Arjonilla nos amplía este asunto (la gravedad):

  Esto tiene una explicación matemática. La gravedad es un campo conservativo, es decir, la energía potencial de un cuerpo dentro del campo no se crea ni se destruye. sólo se transforma. Para que ésto sea posible, si tomas una superficie cerrada que contenga el planeta, la cantidad de "campo" que lo atraviesa es independiente del tamaño y la forma de éste. En concreto, la gravedad es simétrica en todas direcciones y si tomas esferas con centro el planeta, el número de "líneas" de campo gravitatorio es siempre igual: las líneas se separan según la esfera es más grande. Matemáticamente hablando, "la divergencia del campo gravitatorio es nula". Haciendo las operaciones pertinentes, para que se cumpla esta propiedad sólo hay una posibilidad: que la fuerza disminuya según el cuadrado de la distancia. Si sigues haciendo más operaciones, te encontrarás con la ley de las áreas para las órbitas y su forma elíptica. Otra consecuencia matemática de los campos conservativos. Distinto sería si viviéramos en un universo con un número de dimensiones espaciales distinto de tres, en cuyo caso puede que ni existan órbitas estables, o la vida se organizaría de otra manera, por ejemplo sin moléculas, sólo mares de muones o como se llamen. Resumen: No es tan extraño. Sí es extraño que sean exactamente 3 dimensiones.

 

► Agradecimientos a Paco Arjonilla por esta aclaración, así como por su siempre precisa e imprescindible revisión. 

○ Bibliografía:

 - "El Gran Diseño", Stephen Hawking y Leonard Mlodinow, editorial: Crítica.

 

 - "El Lado Oscuro del Universo", Alberto Casas, editado por Catara y por el CSIC.

-  "¿Existe el multiverso?"", George F. R. Ellis, revista "Investigación y Ciencia", nº 421 de octubre de 2011.

- "La mano invisible del universo", Christopher J. Conselice, revista "Investigación y Ciencia", nº 367 de abril de 2007.