Trinoceronte

Porque 140 caracteres a veces no son suficientes

Big Bah!

Pocas cosas son menos discutibles en la Cosmología Moderna que el hecho que hubo un “Big-Bang”.  Pero también pocos son los términos científicos con más acepciones y usos inapropiados que este.  Después de la reciente publicación de un sugestivo modelo teórico que podría hacer por la expansión del Universo lo que alguna vez Hawking hizo por los agujeros negros, una polvareda viral se ha apoderado de Internet, sugiriendo, equivocadamente, que uno de los logros más fantásticos de la mente humana, podría tal vez estar equivocado.  Como siempre, la parte más interesante del modelo ha quedado opacado.  He aquí algunas impresiones sobre el nuevo trabajo y lo que considero son los aspectos más interesantes del mismo.  Aprovecho también para intentar clarificar algunos conceptos y hechos bien conocidos de la Cosmología, obtenidos después de más de un siglo de ingentes esfuerzos observacionales y teóricos, que ni este, ni otros modelos novedosos, seguramente van a cambiar.

“Si de algo está segura la Cosmología es que hubo un Big-Bang: con ‘singularidad’ o sin ella
Febrero 14 de 2015
http://bit.ly/trino-big-bang

bang1_1906123bLa escena empieza a repetirse con demasiada frecuencia.  Un artículo científico con un contenido sugestivo se publica en un journal especializadoCientíficos comunicadores, periodistas y aficionados con buen ojo, encuentran la historia y empiezan a hablar de ella en blogs, sitios de noticias y hasta en medios convencionales de comunicación.  La historia se hace viral, aún cuando el 99% de quienes la leen con avidez no pueden entenderla y una fracción muy pequeña recurrirá a la fuente original para hacerlo.  Al final solo quedan unos titulares de prensa “sensacionalistas”, una increíble confusión entre la mayoría de la gente y el “mal sabor de boca” entre los científicos al ver como todo el mundo consume con un mínimo escepticismo noticias del tipo “la-ciencia-se-partirá-en-dos-después-de-este-trabajo”.

Pero esta entrada no es para discutir, otra vez (ver mi entrada anterior Tres Universos) este interesante fenómeno sociológico y cultural, que parece estar complicando cada vez más la relación entre el público y los científicos

Lo que quiero aquí es comentar la última noticia que parece haber inundado cada rincón de Internet y según la cual (y cito literalmente) “Ecuaciones de la mecánica cuántica predecirían que el Universo no tendría un principio, es decir que tal vez no hubo un Big-Bang” (he aquí la entrada de blog – en inglés – que hizo popular la historia.) 

Big-Bang o no Big-Bang, he ahí la cuestión

Una representación gráfica de la evolución del Universo en los últimos 13,800 millones de años.  El Big-Bang sería lo que paso más o menos antes del nacimiento de la "radiación cósmica de fondo" (superficie verdosa)

Una representación gráfica de la evolución del Universo en los últimos 13,800 millones de años. El Big-Bang sería lo que paso más o menos antes del nacimiento de la “radiación cósmica de fondo” (superficie verdosa)

Digámoslo bien claro: ¡es obvio que hubo un Big-Bang!

Como la evolución biológica, la idea del Big-Bang, una manera muy popular de referirse a una teoría que nació en la segunda década del siglo XX, no esta en discusión en los círculos especializados en Cosmología.  Ningún cosmólogo serio duda de ella.  Y la razón es muy simple: la evidencia observacional y teórica de que hubo un Big-Bang es demasiado sólida.

La confusión viene del hecho de que no parece estar muy bien definido en la literatura popular, lo que se entiende en los círculos especializados por Big-Bang.  Los cosmólogos tampoco han ayudado mucho a precisar el término y autores muy respetados lo siguen usando para referirse a un instante de la historia del Universo en lugar de un período muy peculiar de esa misma historia.

El Big-Bang (o Hot Big-Bang como lo llaman los expertos) no es un único instante del tiempo cosmológico, sino la suma de las etapas por las que paso el Universo hace alrededor de 13,800 millones de años y que convirtieron un escupitajo de plasma informe y con propiedades muy peculiares en algo más parecido a lo que vemos hoy en día a nuestro alrededor, con núcleos atómicos y electrones revoloteando en un Universo en expansión.

George Lemeitre, el padre de la teoría del Big-Bang y Einstein, el creador de la teoría de la gravedad que la inspiro.  En un principio a Einstein le parecía la teoría de Lemeitre una abominación, aunque se basará en su propia teoría de la gravedad

George Lemeitre, el padre de la teoría del Big-Bang y Einstein, el creador de la teoría de la gravedad que la inspiro. En un principio a Einstein le parecía la teoría de Lemeitre una abominación, aunque se basará en su propia teoría de la gravedad

Así fue como lo propuso el mismísimo George Lemaitre, quién concibió la idea por primera vez alrededor de 1927.  De acuerdo con Lemaitre, las leyes de la gravedad descritas por Einstein sumadas con el entonces recién descubierto fenómeno de la expansión del Universo, conducían naturalmente a la conclusión de que el Universo habría pasado en un principio por un estado muy caliente y denso que el llamo el “huevo primigenio”.  

“Salvajes especulaciones teóricas con tintes teológicos y pseudo científicos”, decían algunos por allá a mediados del siglo XX.  El mismísimo Einstein, epítome de la intuición científica, prefirió reconocer que las matemáticas podrían equivocarse si predecían este sin sentido, a admitir, usando sus propias palabras, una “hipótesis abominable” como esta.  En 1949, Fred Hoyle, enemigo número uno de la teoría de Lemaitre acuñaría el término Big-Bang durante una entrevista para la BBC, para referirse peyorativamente a esta idea.  

El Universo le tenía reservada una sorpresa a Hoyle y a todos los escépticos del “Big-Bang”.  En los años 60, dos radio astrónomos americanos descubrieron una señal electromagnética procedente de cada rincón del cielo que tenía las características inconfundibles de lo que los teóricos habían predicho serían los “ecos” de ese “Big-Bang”, el calor remanente del infierno inicial.  La bautizaron, “Radiación Cósmica de Fondo”.  

Penzias y Wilson, descubridores de la Radiación Cósmica de Fondo, la prueba indiscutible de que hubo un Big-Bang

Penzias y Wilson, descubridores de la Radiación Cósmica de Fondo, la prueba indiscutible de que hubo un Big-Bang

Hoy, 50 años después de este descubrimiento y casi 90 años después de la atrevida hipótesis de Lemaitre, cientos de instrumentos, incluyendo telescopios en Tierra, en globos y en el espacio, no solo han confirmado sin ningún lugar a dudas que la radiación cósmica de fondo son los restos del Big-Bang, sino además que trae consigo secretos increíbles sobre lo que paso en aquellos violentos tiempos.

Si todo esto no fuera ya muy bueno, existe un segundo hecho difícilmente explicable sin apelar a un Big-Bang.

En los lugares más prístinos del Universo, aquellos no contaminados por la manía de las estrellas de crear elementos nuevos de la tabla periódica, la composición de los gases sigue una proporción constante y universal: por cada 3 kilos de Hidrógeno, hay siempre 1 kilo de Helio.

¿Cuál es la causa de que exista una proporción tan “particular” entre los dos elementos más abundantes del cosmos?.  Si el Universo hubiera existido por siempre en un estado parecido al actual (frío y muy diluído) la proporción de 3 a 1 no sería más que un simple resultado del azar.  Cabría preguntarse ¿por qué hay Helio en fin de cuentas? ¿por qué no solo Hidrógeno siendo el elemento más simple? ¿o por qué no existen todos los elementos de la tabla periódica en cantidades por igual?.  La respuesta a estas preguntas solo es posible admitiendo que hubo un Big-Bang.

Si se pone todo lo que sabemos sobre las reglas de la física nuclear en un Universo increíblemente caliente y denso, constituído por una proporción igual de protones y neutrones (lo que ya no sería arbitrario sino bastante justo), y que además se expande a la velocidad predicha por la teoría de la gravedad de Einstein, la proporción de 3 a 1 entre Hidrógeno y Helio es un producto natural de las leyes de la física.  En pocas palabras, solo en un primitivo Universo-reactor-nuclear que se expande, el Hidrógeno y el Helio podrían tener esta proporción como resultado de la acción de las leyes y no como una condición arbitraria, sobrenatural.

Singularidad o no Singularidad

Una cosa es el Big-Bang y otra la singularidad que se supone existió en el inició del tiempo.

Una cosa es el Big-Bang y otra la singularidad que se supone existió en el inició del tiempo.

Si el Big-Bang se apoya sobre bases observacionales y teóricas tan firmes ¿cuál es entonces la bulla?

El asunto crítico que el nuevo trabajo aborda no tiene que ver con el hecho de que el Universo haya pasado o no por un Big-Bang, en la acepción explicada aquí.  El problema estriba en que no tenemos todavía suficiente información para saber que tan altas pudieron ser las temperaturas y densidades de aquellos tiempos.

Si extrapolamos (groseramente) nuestro conocimiento sobre el funcionamiento de la gravedad (que se basa en el estudio de objetos muy normales, los planetas, el Sol, las estrellas y las Galaxias) a esas convulsionados tiempos, una conclusión parece inevitable:  no hay ninguna razón para no creer que la densidad y temperatura pudieron ser infinitas en algún instante del pasado.  A esta condición aparentemente inevitable los cosmólogos la llaman la “singularidad inicial”.  

No hay noticia de algo en el Universo que tenga una propiedad con un valor “infinito”.  En realidad “infinito” es un concepto más que un número.  Los números naturales, por ejemplo se dice que son infinitos por que no hay nada que impida que si uno empieza a contar, termine algún día.  El infinito se refiere así a una condición sin límite más que a un valor concreto.  ¿Qué significa entonces el “infinito” de la densidad y temperatura del comienzo?  

Nadie sabe a ciencia cierta,  pero si hubo una singularidad inicial ella marcaría el inició mismo de TODO, incluyendo… prepárense… del espacio y el tiempo mismo.  ¡Increíble!.  En estas condiciones preguntarse por lo que ocurrió antes de la singularidad inicial, sería, como lo explica Stephen Hawking, como preguntar que hay al norte del polo norte.  La pregunta carece en sí misma de sentido.

Me atrevería a decir que no hay prácticamente ningún cosmólogo en sus cabales que actualmente acepte que todo comenzó en una singularidad.   La razón es que no hay que olvidar que la idea de la singularidad viene de extrapolar (groseramente) hacia atrás nuestro conocimiento sobre el Universo en condiciones normales a condiciones que nunca hemos explorado experimental o teóricamente.  Creer en una extrapolación es bastante atrevido, incluso para gente que es capaz de “inventar 3 teoría sobre el Universo al terminar el desayuno”.

Pero una cosa es confiar en que no hubo una singularidad inicial y otra es que alguien encuentre una “prueba” de ello.  Esta es parte de la “nueva noticia”.

De acuerdo al trabajo reseñado y bajo ciertos supuestos razonables, incluyendo admitir una versión alternativa de la teoría cuántica, el Universo podría no habría pasado por un estado de “singularidad”.  Es decir, el Universo nunca habría tenido durante el Big-Bang una densidad o temperatura infinitas.

Ahora bien.  Si no hubo singularidad, el espacio y el tiempo pudieron existir mucho antes que el Big-Bang y el tiempo podría tener una extensión infinita hacia el pasado.  Lo que no es correcto sin embargo es decir que esta conclusión elimina las fases muy calientes y densas por las que paso el Universo al iniciar los últimos 13,800 millones de años, es decir que elimina el Big-Bang.

¡No!  ¡el Big-Bang sigue ahí! La radiación de fondo y la proporción de 3 a 1 del Hidrógeno y el Helio lo evidencian.  Nos tocaría ahora es explicar por qué hace 13,800 millones de años las condiciones de ese supuesto Universo preexistente y eterno cambiaron para producir el Universo que vemos hoy.

La información en nuestras células también nos precede, ha existido desde hace miles de millones de años, pero igual se puede precisar la fecha de concepción de cualquiera de nosotros.

La información en nuestras células también nos precede, ha existido desde hace miles de millones de años, pero igual se puede precisar la fecha de concepción de cualquiera de nosotros.

Creer que eliminar la singularidad inicial es demostrar que no hubo un origen, es como pensar que cada uno de nosotros no puede señalar la fecha de su nacimiento, puesto que al fin y al cabo la información que llevamos en nuestras células se ha replicado en distintos contenedores (antes de ayer un pez, después un mono primitivo, hoy dentro de mí) desde hace miles de millones de años.  Esto suena muy sugestivo, pero es obvio que algo nuevo se construyo con esa información en el momento mismo de la concepción de cada una:  la materia y la información de la que estoy hecho me precedieron, pero eso no me quita el derecho a precisar el momento en que esa materia e información se convirtieron en quien soy.

El Universo, con singularidad o sin ella, empezó a hacer algo muy distintos de lo que era, hace alrededor de 13,800 millones de año.  La historia de lo que vemos hoy, tuvo un origen en aquellos tiempos.

¿Dónde esta la bolita?

¿Qué tiene entonces este trabajo realmente de especial?.  En realidad todo, pero las cosas más valiosas han sido pasadas por alto por la mayoría de las reseñas leídas en internet;  esto puede ser por una omisión involuntaria o porque son más difíciles de explicar o sencillamente porque no llaman tanto la atención como el asunto “engañoso” de la “singularidad” y el Big-Bang.

Las ideas de este nuevo trabajo están intímamente emparentadas con las ideas de Hawking sobre la evaporación de los agujeros negros.

Las ideas de este nuevo trabajo están intímamente emparentadas con las ideas de Hawking sobre la evaporación de los agujeros negros.

Leyendo el trabajo original (que pueden encontrar en este enlace) me he topado con ideas que se me antojan muy parecidas, en su aproximación e impacto, a los trabajos pioneros de Stephen Hawking y su teoría de la evaporación de los Agujeros Negros (teoría que además catapulto a la fama científica internacional a este físico inglés hace ya más de 30 años, incluso antes de que fuera conocido por el público por su famoso libro Breve Historia del Tiempo).

La osadía de estos autores es intentar, como lo hizo Hawking en su tiempo con los agujeros negros, aplicar simultáneamente dos teorías que fueron desarrolladas y comprobadas en dominios muy diferentes, el microscópico ( la teoría cuántica) y el macroscópico (la teoría de la gravedad), a un mismo fenómeno: la expansión del Universo.  Es como mezclar manzanas y peras, como dice el dicho, pero si lo haces con intuición, elegancia matemática y rigor, tal vez puede ser el inicio de algo importante.

En el trabajo los autores describen el contenido macroscópico del Universo con las reglas de la teoría cuántica y la expansión con las de la teoría de la gravedad.  Al hacerlo deducen “nuevas” leyes para la expansión del Universo, su velocidad y cambio.  Estas leyes lucen muy similares a las conocidas tradicionalmente (y que son obtenidas solamente con la teoría de la gravedad) pero tienen elementos nuevos, no predichos previamente y que son la fuente justamente de las conclusiones más importantes del trabajo.

Según esas nuevas leyes, bajo una serie de suposiciones razonables, la expansión del Universo se debería estar acelerando justo en la cantidad que hemos observado que lo hace.  Voilá!  El dolor de cabeza de la Cosmología, a saber, explicar el origen de la expansión acelerada, que se hace normalmente introduciendo el concepto de una misteriosa energía oscura, quedaría resuelto.

Pero no todo es gratis: para que el modelo funcione correctamente debemos admitir que todo el Universo esta lleno de una nueva sustancia (invisible por supuesto), formada por unas partículas hipotéticas conocidas como “gravitones”.

Por difícil que sea admitir que estamos reemplazamos un misterio (el de la Energía Oscura) por otro (el de la existencia de los gavitones), existe una diferencia fundamental entre la energía oscura y esta nueva propuesta.

La idea de los gravitones ya estaba “gravitando” en la física desde hace décadas.   Si la gravedad funciona siguiendo reglas cuánticas (lo que algunos fervorosamente creen),  los gravitones serían algo así como las “partículas de la gravedad”.  Su existencia sería ubicua y su entrocamiento dentro del modelo planteado resultaría natural.

Una pregunta parece quedar de todo esto.  ¿Hay alguna manera de que verifiquemos o al menos pongamos a prueba la veracidad del modelo propuesto?.  Lamentablemente, ninguna por ahora.  De nuevo, la situación aquí es muy similar a la predicción de la “Radiación de Hawking”: casi nadie duda de que exista, pero su detección ha sido esquiva.

La ciencia sin embargo, no tiene afán (solo los humanos detrás de ella).  El proyecto científico es como un gran rompecabezas en el que lentamente se van agregando nuevas fichas aún cuando se entiende que el final esta muy lejos.  Este, como muchos trabajos por venir, podría brindar algo de luz sobre una esquina pequeña del rompecabezas o tal vez no ser más que un espejismo.  El tiempo y el interés de otros por desarrollarla mejor tienen la última palabra.

Otras lecturas:

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5 pensamientos en “Big Bah!

  1. Juan David Ortiz A. en dijo:

    absolutamente increíble, gracias

  2. Simón Echeverri en dijo:

    Jorge, supremo artículo! Pero me gustaría saber, si no hubo una singularidad, ¿qué hubo antes? Entiendo que es mucho esperar que haya quedado evidencia alguna de como fue el universo antes del Big Bang, y que las leyes de la física probablemente eran algo distintas. Pero asumo que hay modelos más fundamentales que tratan con la cuestión.

    • Gracias Simon por el comentario.

      Sin un conocimiento mejor de la gravedad cerca a las condiciones propias del Big-Bang ni una teoría alternativa comprobada para el modelo estándar, es muy poco lo que se puede decir sobre las etapas más densas y calientes del Big-Bang, i.e. aquellas que precedieron a la inflación.

      De modo que nos toca esperar un poco a ver que sale del LHC, tal vez otra misión para medir la radiación de fondo, una versión mejorada de BICEP2, etc.

      ¡La ciencia avanza lentamente!

  3. ¿Fue el Big Bang una gran explosión?

    • Definiciones de la RAE de Explosión:

      “Liberación brusca de una gran cantidad de energía, de origen térmico, químico o nuclear, encerrada en un volumen relativamente pequeño, la cual produce un incremento violento y rápido de la presión, con desprendimiento de calor, luz y gases. Va acompañada de estruendo y rotura violenta del recipiente que la contiene.”

      Todo aplica, excepto lo del recipiente. Así que yo diría que sí.

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