Trinoceronte

Porque 140 caracteres a veces no son suficientes

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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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Los Biceps de la Inflación

Ha pasado ya casi una semana desde que se anunciará el 17 de marzo de 2014 el que será posiblemente el descubrimiento científico más importante de este año: el descubrimiento de las huellas en la “radiación de fondo” de las que serían las primeras “ondas gravitacionales” producidas durante la creación misma del Universo.  El resultado es importante y ha sido esperado por los expertos en el tema al menos por un par de décadas.  Pero ¿cuántos de nosotros hemos logrado entender cabalmente la relevancia de este anuncio? y peor aún ¿cuántos hemos entendido siquiera sobre que trata o qué significan todos esos “términos” que lo rodean (fluctuaciones tensoriales, inflación, polarización, etc.)?  Quiero ofrecerles aquí una “guía de supervivencia” para navegar en la creciente ola de material escrito que se esta produciendo y se producirá sobre el tema, además de una perspectiva muy personal acerca de su importancia para la cosmología y la física.

“Entender los resultados de #BICEP2 será para la mayoría casi tan difícil como lo fue para los cósmologos descubrir los modos B de la RCF
Marzo 22 de 2014
http://bit.ly/trino-BICEP

Este es el mapa de las "manchas" en la luz de fondo del Universo creado por BICEP2.  Las rayitas indican la polarización de la luz.

Este es el mapa de las “manchas” en la luz de fondo del Universo creado por BICEP2. Las rayitas indican la polarización de la luz.

La noticia:

“Un equipo de Científicos del Centro Smithsoniano de Astrofísica de la Universidad de Harvard (CfA) ha anunciado el descubrimiento de los denominados modos B en la polarización de la radiación cósmica de fondo (RCF). De ser confirmado, el descubrimiento se constituiría en una prueba observacional sólida de que el Universo pasó por un período de expansión muy rápida conocido como inflación y al mismo tiempo seria prueba indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales, predichas ya en 1915 por la teoría general de la relatividad de Einstein.”

Así rezan, palabras más, palabras menos, la mayoría de los anuncios que hemos leído esta semana en los medios escritos y electrónicos acerca de BICEP2, el instrumento científico que nos tiene a todos hablando del tema. Si bien, en primera instancia, el párrafo citado podría sonar bastante razonable e incluso comprensible para la mayoría de nosotros, la verdad es que este, como muchos textos que he leído sobre el tema por ahí, trata en realidad de cosas que son muy poco familiares para la mayoría de quienes no somos expertos en cosmología o que no hemos seguido de cerca su evolución en las últimas décadas (o sea el 99.99% de la población)  Adicionalmente textos como estos difícilmente dejan adivinar por qué este descubrimiento tiene tan excitados a cosmólogos y físicos fundamentales por igual.

Algunos conocidos me han contactado pidiendo que escriba algo al respecto.  Creen ellos que tal vez pueda intentar aclarar, ojalá en un lenguaje y conceptos que nos sean más familiares, lo que hay detrás del descubrimiento anunciado la semana pasada. Espero poder hacerlo, aunque estoy seguro que muchas de las ideas implicadas seguirán siendo oscuras para la mayoría, al menos mientras nos acostumbremos a hablar de ellas (lo que muchas veces es finalmente lo que llamamos “entendimiento”).

Advertencia: esta entrada de blog es anormalmente larga (incluso para mis estándares).  Si no tiene paciencia para aprender un poco de cosmología de una vez por todas o sencillamente ya lo sabe casi todo, le recomiendo ir directamente a la última parte.

Redefiniendo el Big-Bang

Comencemos por el principio: “El primer día creo dios el cielo y la tierra…” bueno, no tan atrás ni tan “animista”…

Las ideas centrales detrás de todo este alboroto son bastante familiares: el universo observable tuvo un origen y su infancia fue bastante violenta. Estas dos ideas, que forman el paradigma central de lo que sabemos sobre la historia del Universo, reciben conjuntamnte hoy el poco elegante y ciertamente pobremente entendido nombre de “Big-Bang”. Casi 60 años después de que se acuñara el término, el Big-Bang sigue confundiendo a la mayoría y tal vez sea esta la oportunidad de aclararlo de una vez por todas.

“Big-Bang” es el apodo familiar que le damos a un complejo proceso que tuvo lugar hace alrededor de 13,800 y que convirtió una microscópica porción de un espacio preexistente, primero, en una bomba llena de una energía exótica repulsiva con el poder de crear nuevo espacio a una velocidad mayor que la luz (expansión inflancionaria) y después en un hervidero infernal hecho de la materia “normal” que hoy vemos en el Universo.

Al primero de estos dos procesos (la parte de la energía exótica) se lo conoce hoy con el nombre de inflación y es justamente en donde comenzo toda la historia, por lo menos del universo observable. El segundo proceso (la parte del hervidero infernal) es justamente lo que describe la teoría que siempre hemos llamado el “Big-Bang” y que nos habla de como el Universo paso por una etapa en la que había tanto calor, materia y energía que todos los átomos e incluso los núcleos atómicos se encontraban fundidos en una sopa de partículas elementales y fuerzas.  El Big-Bang es entonces no el comienzo de algo sino el final del nacimiento del espacio-tiempo de nuestro rincón del multiverso en la inflación.

(¿Multiverso? En otra ocasión hablaré de esta otra parte de la historia)

Santa Inflación

La inflación (o “Santa Inflación” como deberíamos llamarla en lo sucesivo) fue el acto creativo más increíble en la historia de nuestra propia “burbuja” del “multiverso”. Lo primero que fue creado en esta fase decisiva de la historia fue la “expansión”. La “expansión del Universo” (cuyo nombre es más fácil repetir que explicar) es un fenómeno natural increíble en el que se crean nuevos kilómetros de espacio dentro de los kilómetros existentes.

Todo el espacio que existe a nuestro alrededor, el de las galaxias lejanas que vemos en los telescopios y el de las galaxias aún más lejanas cuya luz no nos ha alcanzado todavía, ha sido creado por la expansión. La inflación misma no creo todo el espacio que vemos, pero dió el impulso inicial para la expansión más tranquila que le sucedió y que creo en el lapso de 13,800 millones de años el espacio del universo observable y más allá.

Hoy la expansión crea espacio nuevo pero a un ritmo miserable para nuestra escala y solo “perceptible” a escalas gigantescas. Así por ejemplo, solo si eres un cúmulo de galaxias logras sentir como en tu interior se crean nuevos kilómetros segundo a segundo. Para ser precisos hoy en el interior de un objeto que mida casi 50 trillones de kilómetros se crearán cada segundo 100 kilómetros en todas direcciones. Esto no es nada para la escala del cúmulo.  Pero si el cúmulo de galaxias contiene motas de polvo inteligentes capaces de ver de mirar por un telescopio y de prestar suficiente atención a la luz que le llega desde el extremo opuesto de esta burbuja de galaxias, los 100 kilómetros se harán “claramente” visibles.  Así fue como Edwin Hubble y otras motas inteligentes como él se dieron cuenta de que el fenómeno existía en primer lugar.

La diferencia sin embargo entre la timida expansión presente del Universo y la violenta expansión inflacionaria es que en ese entonces, incluso si eras una bacteria microscópica podrías sentir como se creaba espacio adentro tuyo. A decir verdad nada podría mantenerse entero por la velocidad a la que se creaba el espacio: durante la inflación y antes de que una “bacteria de espacio” se diera siquiera cuenta, tendría tanto espacio por dentro como la suma de mil millones de galaxias de hoy.

¿Pero cómo sabemos todo esto? Como casi todo lo importante en la ciencia, lo adivinamos (o bueno lo adivinaron un grupo de cosmólogos poco ortodoxos a principios de los 80s) En realidad la inflación surgió como la única manera de explicar porque el Universo parece igual por todas partes.  Si el Universo hubiera nacido así, grande como lo vemos hoy en día, la probabilidad de que dos puntos situados en sus antípodas fueran tan parecidos como los han visto los astrónomos, hubiera sido practicamente nula. Pero si admitiéramos que en realidad todo el espacio entre esas antípodas fue creado después de una violentísima expansión en una región diminuta y conectada de espacio hace 13,800 millones de años, la cosa simplemente empieza a cuadrar.  En otras palabras es difícil que dos puntos separados por eones luz se pongan de acuerdo. Pero si esos mismos puntos en el pasado estaban separados por unas millonesimas de billonesimas de nanosegundos luz, tal vez habrían tiempo suficiente ponerse de acuerdo. Así de elemental era la idea.

Pero una cosa es que no podamos explicar una observación y otra muy distinta es que la primera teoría que se nos venga a la cabeza sea la cierta. Pues bien, los científicos tendemos a confiar en estas “soluciones a primera vista” (y damos premios por ellas) siempre y cuando esa teoría que se nos viene primero a la cabeza sea físicamente razonable y no tenga alternativas obvias. No hay que sorprenderse por la arbitrariedad de esta manera de crear teorías nuevas en la ciencia. Otras ideas fantásticas también fueron las primeras que se le vinieron a la cabeza a personas muy inteligentes.  Así por ejemplo, la Novena Sinfonía de Beethoven, que fue prácticamente un descubrimiento estético y no una invención, en realidad fue un acto creativo puro. Algo que se le ocurrió a Beethoven en un momento de inspiración arbitrario  Pero bueno, no nos perdamos.

Después de esta prolongada introducción por fin llegamos a BICEP2. La primera cosa importante que nos han revelado las medidas anunciadas la semana pasada por el equipo de científicos de la Universidad de Harvard es que la idea de la inflación es esencialmente correcta. Pero ¿por qué?

Los “centavos” de la física

Creo que todos hemos oído hablar de la teoría cuántica. Sea que la entendamos o no, todos sentimos un respeto reverencial por ella.  Y no debería ser menos que eso.  La teoría cuántica es la clave de casi todo lo descubierto por BICEP2.  Antes de seguir debemos empaparnos un poco de los aspectos fundamentales de la teoría.  Pero no se preocupen, espero no abrumarlos con explicaciones gastadas sobre el principio de incertidumbre o fenómenos incomprensibles como el “entrelazamiento cuántico”  Me concentraré en lo que nos interesa para entender un poco la noticia del año.

Cuando hay muy pocas partículas involucradas en un sistema (un átomo por ejemplo en lugar de una chocolatina) y esas mismas partículas apenas si se sienten unas a otras o lo hacen de forma organizada y tranquila, aparecen en el sistema fenómenos curiosos que difícilmente vemos en nuestro congestionado mundo cotidiano. Como es obvio, el dominio en el que estos efectos curiosos se hacen más notables es el mundo microscópico, bien sea cerca a los átomos o en las regiones diminutas y “vacías” de las que se formo nuestro universo observable.

Entre las reglas curiosas de este mundo invisible está aquella que dice que la energía de las partículas y las fuerzas (campos para los más nerds) no puede tener valores arbitrarios. Es decir la cantidad de energía que puede tener un electrón o un rayo de luz no puede ser cualquiera. Una analogía que podría funcionar, sería comparar la energía en el mundo físico con el dinero en la vida real.

Cuando una persona es extremadamente rica la cantidad de dinero que puede guardar en su caja menor es casi cualquiera (siempre que no supere lo que tiene en el banco): le vale lo mismo guardar $123’324,021.32 que $133’364,021.23. Sin embargo cuando se tiene poco (y los electrones y otras partículas elementales son los pobres de la física) las restricciones comienzan a ser notorias.

Siendo pobres nos damos cuenta que la plata viene en unidades discretas (centavo por centavo, dólar por dólar, euro por euro, peso por peso) y que no se puede tener una cantidad arbitraria de poco dinero, por ejemplo $45.1213214124. Esta última cifra solo existe en el reino de las calculadoras de bolsillo. Se puede tener $45.12 o $45.13 pero no $45.1213.

Igualmente en la física a un nivel microscópico la energía viene en “centavos”, llamados también históricamente “cuantos” (de allí el exótico nombre de “física cuántica”). Esta idea (que en realidad no parece muy trascendental ahora, pero que sacudió la física a principios del siglo XX) se conoce como la “cuantización de la energía”.

Pero la cuantización de la energía es solo una parte de la historia y al mismo tiempo lo es casi todo en la teoría cuántica. Según esta teoría casi todo en el Universo esta cuantizado. El movimiento, la posición, la rotación, todo parece venir por “centavos”. Es tan extrema la cosa que incluso las partículas que forman nuestros cuerpos son en realidad “cuantos” o “centavos” de algo. Un electrón es un “cuanto” del campo electrónico.  Pero ya tendremos tiempo en otra entrada de hablar de eso.

Así pues, todo en la naturaleza parece venir en paquetes.  Pero hay todavía algo que se resiste a esta “compartimentalización” natural: el espacio-tiempo. Y es que ¿cómo podría el espacio y el tiempo venir por “centavos”? ¿se imaginan cómo sería un “centavo”, un cuanto de tiempo? De existir no habría ningún evento que durará menos que eso.  El tiempo fluiría como los centavos saliendo de una máquina tragamonedas; extraño, ¿no? ¿Qué decir ahora de la “cuantización del espacio”? Si hubieran centavos de espacio, el movimiento sería bastante extraño y ocurriría por saltos, como si nos moviéramos en el interior de un queso o de una espuma, con la diferencia que los agujeros de la espuma, aunque aparentemente vacíos en realidad contienen aire; en la espuma del “espacio cuantizado” aquellos agujeros no contendrían ni siquiera espacio.  Si todavía no entiende, no se preocupe; nadie en realidad sabe realmente cómo sería el espacio-tiempo cuantizado.

El recalentamiento

¿Cuándo volvemos al tema de BICEP2? Pues justo ahora. Las observaciones pacientemente realizadas desde el polo sur por BICEP2, parecen haber revelado finalmente que el espacio-tiempo viene por centavos. Pero, ¿cómo?

Es hora de hablar de la segunda parte de esta historia (la primera fue la inflación). Hoy se llama técnicamente a esta etapa en la evolución del Universo, la fase de “recalentamiento”.

Después de crear cantidades ingentes de espacio, la energía exótica responsable de la expansión (exótico es el nombre que usamos para referirnos a cualquier cosa que no conocemos cabalmente) se descompuso rápidamente en materia y energía convencional, la misma que vemos hoy en día regada por todo el Universo. Los átomos, la luz, la materia oscura, todo lo que apreciamos en el Universo corriente es descendiente de la energía exótica que alimentó la inflación. Estamos hehos, literalmente de los productos de la desintegración de “ignorancia”, esto porque no tenemos ni idea de qué estaba hecha la energía primordial con la que se creo el espacio, el tiempo, la materia y la energía.

Si les pareció bonito el concepto de Sagan de que estamos hecho de materia creada en las estrellas, la idea de la inflación de que todo lo que existe es producto de la descomposición de energía exótica es poesía pura.

El infierno característico de los primeros instantes del Universo es consecuencia de este rápido proceso de descomposición que concluyó en lo que deberíamos llamar hoy día el Big-Bang.  Pues bien, todo lo que fue amplificado durante el período inflacionario quedo impreso de forma permanente en ese maremagnum de energía que apareció durante el período de recalentamiento. Cada imperfección submicroscópica de aquella bacteria de espacio dentro de la cual nació el Universo observable, fue amplificada a tal punto por la inflación que se convirtió con el tiempo en un borrón lleno de protones, electrones y luz, pero esta vez ¡del tamaño de galaxias enteras!.

Si esta historia parece inverosímil, hay otra que lo es aún más: si apuntamos telescopios muy sensibles hacia el cielo, que en lugar de mirar luz convencional miren ondas de radio (microondas para ser exactos) se pueden ver aquellas “imperfecciones bacterianas” ahora convertidas en verdaderos monstruos cosmológicos (ver imagen abajo). Estas manchas amplificadas eran tan grandes, que aún situadas a la increíble distancia de 13,800 millones de años luz, cubren en el cielo parches tan grandes como el que tapa un dedo meñique con la mano completamente estirada (parece poco, pero ese es el tamaño aparente del Sol y la Luna que están a menos de 0.000001 años luz).

Mapa de las manchas creadas en el Universo por las imperfecciones microscópicas amplificadas por la inflación.  Este mapa en particular fue creado por el telescopio espacial COBE

Mapa de las manchas creadas en el Universo por las imperfecciones microscópicas amplificadas por la inflación. Este mapa en particular fue creado por el telescopio espacial COBE

Fueron justamente esas manchas las que estuvieron observando con delicadeza por un par de años los expertos del BICEP2.

Pero si la historia se redujera a descubrir las manchas en el cielo impresas por el increíble poder de la inflación en la denominada radiación de fondo, la historia sería cuento viejo.  Nadie estaría tan emocionado como para producir el alboroto que genero el anunció de hace 8 días. Las manchas de la inflación, o fluctuaciones de la radiación de fondo, como las llaman también los expertos, fueron en realidad descubiertas y observadas en detalle por primera vez a principios de los años 90. Lo hizo un radiotelescopio espacial llamado COBE.

Las observaciones del COBE no solo confirmaron la existencia de irregularidades en el Universo primitivo, sino que además condujeron a otro descubrimiento sorprendente: el número de manchas de microondas observadas en el cielo no depende mucho de su tamaño (o intensidad) aparente. Sean grandes o pequeñas, del tamaño del Sol o de la Luna o tan pequeñas como el parche de cielo que vemos por el ojo de una aguja, el número de manchas de cada uno de esos tamaños, será más o menos el mismo.

¿Cómo pueden cosas tan grandes (recuerden que cada mancha es del tamaño desde galaxias, hasta cúmulos de galaxias) ponerse de acuerdo para aparecer en la misma cantidad por todo el Universo?. Pues la inflación tiene otra vez la explicación. Las pecas de nuestra primitiva “bacteria de espacio” son producto justamente del hecho de que a escala microscópica (que es la escala que ellas tenían antes de la inflación) las cosas vienen por “centavos” o “cuantos”.

Para entender esto imaginen la siguiente analogía: un grupo de personas se sientan en una mesa. A cada una se le entrega al azar pequeñas cantidades de dinero, por ejemplo en promedio $20. Si la repartición se hace usando centavos y nadie realiza un conteo juicioso a algunos les tocarán $20.05 a otros, $19.98 y así sucecivamente. Al ser este un proceso azaroso, el número de personas a las que les tocan 5 centavos más serán mas o menos el mismo de a los que les tocan 2 u 8 centavos (más o menos). Las “fluctuaciones” alrededor del promedio serán aleatorias y más o menos igual de probables. En el mundo microscópico de nuestra bacteria de espacio, partes diferentes de su pequeñísimo cuerpo, recibirán más cuantos de energía y otras recibirán menos y lo harán de forma completamente aleatoria.

Todo seguiría bastante justo, si se mantuviera a un nivel muy pequeño.  Pero entonces llegó de la inflación. Con la expansión monstruosa propia de esta etapa del universo, cada “peca bacteriana” fue convertida en una mancha más grande o más pequeña en proporción a cuántos “centavos” de energía más o menos había recibido. La inflación no solo habría convertido un poquito de espacio en una cantidad monstruosa de él, sino que también se habría amplificado las más pequeñas diferencias de energía. Los pocos centavos de diferencia, antes de la inflación, serían después de ella millones o billones de “$”. Debido a esta amplicación y de la misma manera que habría el mismo número de pecas con 5 centavos más que aquellas con 2 centavos menos, en la etapa de recalentamiento aparecerían el mismo número de fluctuaciones grandes que el promedio que el número de otras más pequeñas.

En conclusión, las observaciones del COBE en los 90s en realidad ofrecieron la primera clave directa de la verosimilitud de la inflación.

La polarización es importante

¿Pero y si es así, porque el BICEP2 es entonces importante? Obviamente nadie construiría un instrumento para ver lo mismo que un telescopio espacial “noventero”. El propósito del radiotelescopio BICEP era no solo observar las manchas sino también estudiar una propiedad de la luz emitida por ellas: su polarización. Una palabrita muy de moda.

Para resumirlo dejenme decirles que la polarización es justo lo que hace que funcionen las gafas de Sol. La luz solar viene en muchas variedades distintas de polarización. Las lentes solo permiten que pase una variedad de ellas. Es por eso que la intensidad de la luz se reduce: de toda la energía posible estamos escogiendo solo una parte. ¿Satisfecho? Lo dudo, pero si no quiere enredarse mucho la vida le sugiero que se quede con esto por ahora.

El hecho de que en la luz del Sol hayan rayos con todas las polarizaciones posibles hace que digamos que la luz solar no esta polarizada. Pero no todas las fuentes de luz se comportan de la misma manera. Para entenderlo le propongo intentar el siguiente experimento: usando unas gafas de Sol mire la pantalla de su celular sostenida en la dirección en la que se vea más brillante. Ahora gire la pantalla 90 grados ¿nota alguna diferencia? Pues debería. La luz de la pantalla del celular esta fuertemente polarizada (solo hay un tipo de polarización que sale de ella y esta es la asociada justamente con la dirección en la que es más larga la pantalla). Cuando mira la pantalla rotada 90 grados, la polarización de la luz gira 90 grados respecto de las gafas y ahora la luz no puede pasar por las lentes.

Volviendo a la radiación de fondo, la luz que nos llega de aquellas manchas enormes en el cielo que hoy sospechamos fueron producidas cuando “bacterias de espacio” fueron infladas violentamente al principio de los tiempos, también esta débilmente polarizada. Pero lo está tan poco que se hace necesario construir instrumentos sofisticados y precisos como el telescopio espacial Planck (que como el COBE también es protagonista de esta historia) y el BICEP2, para poder medirla y estudiarla con suficiente detalle.

Se podría decir que mientras medir la intensidad de la luz de las manchas nos enseña cosas tan valiosas como el hecho de que el número de ellas es independiente de su tamaño, medir la polarización nos da otras informaciones increíbles sobre esas mismas manchas y el universo en el que se formaron. La diferencia entre ambos enfoques es como aquella que hay entre juzgar una persona solo por su ropa o a través de una conversación sostenida con ella. La medida de la polarización de la luz de las manchas en la radiación de fondo, es el equivalente cosmológico a invitarlas a comer para preguntarles detalles sobre su vida.

Una de las informaciones provistas por la polarización es la forma en la que la materia o el espacio dentro de ellas se estaba moviendo cuando fueron creadas antes de la inflación. Y aquí es donde viene la magia. De todos los tipos posibles de polarización que puede tener la radiación de fondo, existe un tipo que llamaré “polarización tipo remolino” (ver las imágenes reales abajo).  “Modos B de polarización” (es su nombre técnico). Este tipo de polarización es producido por materia que se arremolina alrededor de manchas que se han expandido y contraído de formas juguetonas.

Las rayitas negras indican la dirección de la polarización de la luz en una mancha de la radiación de fondo.  En este caso a esta polarización se la llama "modo E"

Las rayitas negras indican la dirección de la polarización de la luz en una mancha de la radiación de fondo. En este caso a esta polarización se la llama “modo E”

"Modo B" en la polarización de la luz de las manchas de la Radiación de Fondo descubiertas por el BICEP2

“Modo B” en la polarización de la luz de las manchas de la Radiación de Fondo descubiertas por el BICEP2

Es interesante notar que el espacio tiempo hace cosas mucho más interesantes que simplemente expandirse. De la misma manera que se puede estirar y contraer un resorte, también se puede estirar y contraer el espacio tiempo mismo. Cuando el fenómeno ocurre de forma repetitiva decimos que hay allí una onda de espacio tiempo. Dado que la teoría de Einstein dice justamente que el espacio tiempo es responsable de la gravedad (habrá otra entrada para aclarar esto) los físicos llamando a estas curiosas contracciones y expansiones juguetonas del espacio tiempo “ondas gravitacionales”.

Centavos de gravedad

Y volvemos otra vez a la Teoría Cuántica. Como todo en el Universo, si el espacio tiempo pudiera venir por centavos (estar cuantizado) también la energía de las ondas de espacio tiempo (ondas gravitacionales) estarían cuantizadas. Pero ya habíamos dicho que no sabemos si el espacio tiempo esta cuantizado. Pues bien, aquí viene otra vez BICEP2: las medidas hechas por el instrumento parecen demostrar que la luz polarizada en remolino solo sería posible si las ondas de gravedad ¡estuvieran cuantizadas! Es decir indirectamente estaríamos probando que el espacio-tiempo vendrían por centavos. No sabemos exactamente cómo (ese seguirá siendo el trabajo de los físicos a partir de ahora) pero lo esta.

En resumen…

Después de esta “resumida”… ¡Bazinga!… aunque seguro aburrida clase de cosmología, podemos hacer una breve síntesis de lo descubierto por BICEP2. Para ello usaré los términos introducidos aquí y que espero sean ahora un poco más claros.

  • BICEP2 es un radiotelescopio que observo por un par de años la polarización de la radiación cósmica de fondo.

  • El lunes pasado y después de muchos análisis los científicos a cargo mostrarón al mundo la que sería la primera evidencia de los denominados “modos B” de polarización de la radiación de fondo, un tipo de polarización que se observa cuando el espacio tiempo es estirado y contraído por ondas gravitacionales.

  • Las ondas gravitacionales responsables de este fenómeno habrían sido fluctuaciones microscópicas del espacio tiempo que la inflación estiro hasta tamaños astronómicos observables por los astrónomos en la Tierra. El descubrimiento indirecto de estas ondas probaría que el espacio tiempo obedece las reglas de la física cuántica, es decir que sus propiedades no son “lisas” o “continuas” sino que vendrían en paquetes o cuantizadas. Las observaciones no revelan exactamente como estaría cuantizado el espacio tiempo, pero se constituyen en la primera evidencia de esta condición.

  • Nadie sabía, antes de esta medida, que intensidad podrían llegar a tener las huellas dejadas por las ondas gravitacionales primordiales en la radiación de fondo. Dicha intensidad nos da una medida de que tan temprano ocurrió la inflación.  O más bien que tanto más tarde respecto a la inflación ocurrieron otros fenómenos bien conocidos.  De acuerdo con la medida de BICEP2 la inflación habría ocurrido muy temprano, tanto que la energía y temperaturas al final de este período fueron increíblemente altos.  Más altos que los esperados por los cosmólogos-

  • Según las medidas hechas por BICEP2 se estima que al comenzar la etapa de recalentamiento la temperatura del Universo era de 100,000 cuatrillones de grados (¡un 1 seguido de 29 ceros!) Es increíble que nadie haya dicho esto hasta ahora, pero esta es la cantidad física más antigua que ha medido el hombre.  Un detalle adicional y no menos fantástico: a esta temperatura los físicos han calculado que todas las fuerzas de la naturaleza (excepto la gravedad) tendrían más o menos la misma intensidad y podrían comportarse como una sola.  Faltará que esos mismos físicos nos aclaren si la inflación tiene que ver con esa famosa “coincidencia” de fuerzas que han llamado históricamente “la gran unificación”.

En fin.  Todavía hay mucha agua que debe correr debajo del puente que separa nuestra ignorancia de los detalles sobre el origen del Universo. Lo que es cierto es que BICEP2 ha colocado el que sería uno de los pilares decisivos para sostener ese puente.

Otros dirían: ¡Oops!

Lecturas recomendadas:

Para quienes disfruten de lecturas un poco más técnicas que esta les recomiendo un par de entradas de blog increíbles sobre el tema:

Recomendada también la entrevista que nuestra buena amiga Angela Posada-Swafford le hizo este fin de semana al Cósmologo Colombiano Sergio Torres:

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