Trinoceronte

Porque 140 caracteres a veces no son suficientes

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“Transientes” Científicos

En marzo de 2014 científicos de la Universidad de Harvard anunciaron el descubrimiento de la que sería la prueba reina de que el Universo nació después de un período de expansión poderosa conocido como la inflación.  Hoy esos mismos científicos están en el ojo de un “huracán profesional”.  Las pruebas que habrían presentado tendrían un peso menor del pensado originalmente.  Con esto, el supuesto descubrimiento no sería sino un malentendido producto de subestimar un efecto mucho más “mundano”, mas cercano en el espacio y el tiempo, originado en el polvo que flota alrededor de la Vía Láctea.  ¿O no?.  En la historia reciente de la ciencia existen un par de casos similares en el que evidencia con poco peso estadístico es presentada para apoyar teorías que tienen la “simpatía” de casi toda la comunidad científica.  En la mayoría de esos casos, sorprendentemente, ha triunfado la intuición de los teóricos a pesar de que en un principio la evidencia no favorecía sus “alocadas” ideas.  Yo llamo a estos fenómenos en la historia de la ciencia “transientes científicos”.  ¿Estaríamos ante un caso similar?.  ¡Yo apuesto que sí!.  

“Con todo respeto por los mecanismos de la ciencia hay resultados que se sabe  son ciertos aunque la evidencia sea pobre. #BICEP2 es uno de ellos
Marzo 9 de 2014
http://bit.ly/trino-bicep2-confirmado

Mapa de la polarización de la luz inducida por el polvo galáctico que tiene en problemas a los resultados de BICEP2 (tomado de: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_takes_magnetic_fingerprint_of_our_Galaxy)

Mapa de la polarización de la luz inducida por el polvo galáctico que tiene en problemas a los resultados de BICEP2 (tomado de: http://bit.ly/1xd1uqq)

En 1919 dos equipos de astrónomos viajaron a dos lugares en el mundo para poner a prueba una de las teorías más fantásticas creadas por el hombre: la Teoría General de la Relatividad (TGR).  Lo que buscaban estos equipos, uno de ellos liderados por uno de los Astrónomos más importantes de toda la historia, Sir Arthur Eddington, era medir la sutil desviación de la luz de las estrellas lejanas cuando pasaban en el espacio-tiempo retorcido cerca al Sol (o por lo menos eso es lo que esperaban).

Una de las fotografías tomadas durante el eclipse de 1919 y que se supone probo la validez de la TGR

Una de las fotografías tomadas durante el eclipse de 1919 y que se supone probo la validez de la TGR

Si la luz se desviava en la cantidad predicha por Einstein la teoría era correcta.  Si lo hacía en menor cuantía no podríamos decidir si era verdadera o no.  Cuando le preguntaron a Einstein que pensaría si los resultados de las medidas hechas por los investigadores no favorecían su teoría, la respuesta del genio alemán fue histórica: “lo lamentaría mucho por el Universo”.  Se refería él por supuesto al sentimiento generalizado entre los físicos de su tiempo y del nuestro por supuesto de que la Teoría General de la Relatividad es una teoría tan perfecta, de un poder explicativo tan poderoso, que en caso de no ser cierta algo malo tendría que haber con el Universo.

Este fetichismo estético no es solo un capricho de ciertos físicos teóricos.  En realidad ha sido el motor de la creación de algunas de las teorías más fantásticas sobre la naturaleza, desde Copernico y Kepler hasta Einstein.  No es raro entonces que la historia de la ciencia este plagada de casos en los que los físicos tengan más fé en sus ideas que en lo que les muestran los primeros experimentos para probarlas.

El anunció publicado en el New York Times el 10 de noviembre de 1919 con los resultados de las medidas hechas por los Astrónomos durante el Eclipse de Mayo de ese mismo año

El anunció publicado en el New York Times el 10 de noviembre de 1919 con los resultados de las medidas hechas por los Astrónomos durante el Eclipse de Mayo de ese mismo año

Todos conocemos el resultado de las medidas de Eddington y sus colegas.  Si hubieran sido negativos no admiraríamos tanto a Einstein y su teoría.  Lo que pocos saben es que incluso la confirmación de la TGR estuvo cruzada por un debate intenso con tintes casi de escándalo científico, no muy diferente al reciente caso de las observaciones del BICEP2.  Lo primero que se dijo sobre el resultado publicado por Eddington, era que la calidad de las observaciones no era suficiente como para cerrar el caso en favor de la validez de la TGR.  Se tildó a Eddington de sesgado, de escoger arbitrariamente las imágenes que favorecían la confirmación de la TGR y de eliminar las imágenes mas ruidosas que podrían disminuir el peso de la evidencia.  Otras observaciones serían necesarias, dijeron en su momento.  Sin embargo, análisis juiciosos realizados en las décadas sucesivas, incluyendo uno publicado exactamente 60 años después (¡!) de la famosa misión científica, demostraron que las observaciones tenían el poder suficiente para probar la existencia del efecto predicho por la TGR, aunque apenas marginalmente (para un recuento completo de esta historia se recomienda revisar las lecturas adicionales al final de esta entrada)

El anuncio de los resultados de Eddington, filtrados naturalmente a la prensa, catapulto la fama de Einstein y de su teoría a niveles estratosfericos, hasta convertir al hombre en el personaje casi mitológico que conocemos hoy y a la teoría en algo que merecía empezar a conocerse universalmente más allá de los cerrados círculos académicos.  Hoy casi 100 años después de estas observaciones históricas podemos decir que la TGR salió airosa a este primer impase.  Supero un “transiente sociológico”, para imponerse en su absoluta belleza sobre la teoría gravitacional de Newton.  Más allá de eso,  La TGR sigue siendo hoy día de las pocas teorías científicas que han soportado las más rigurosas y diversas pruebas observacionales y experimentales alcanzando una precisión sin precedentes en la física.

¿Estamos en el caso del Modelo Inflacionario y de los resultados de BICEP2 ante una situación similar?.  La inflación, como la TGR, goza de una amplia aceptación entre los cosmólogos teóricos.  La teoría es de gran simplicidad pero al mismo tiempo tiene un gran poder explicativo.  De la misma manera que la teoría centenaria de Einstein, el modelo Inflacionario (que va ya para los 40 años de existencia) tiene también sus detractores, empezando por el respetado físico teórico Paul Steinhardt, que ha salido en estos días a despotricar nuevamente del modelo, aprovechando, por supuesto, el “huracán mediático” (ver enlace al artículo al final de esta entrada).  En realidad, sus declaraciones fueron las únicas que faltaron en esos días de emoción que siguieron a la rueda de prensa del equipo del BICEP2.  Ni una palabra señalando la importancia del descubrimiento o advirtiendo del hecho de que los datos podrían ser insuficientes, se le escucho al Prof. Steindhart en su momento.

Como habrán adivinado ya, yo también soy un “simpatizante de la inflación” (que es como llamaría en este punto a quienes confiamos que el modelo termine confirmándose tarde o temprano).  Reconozco la importancia de la crítica que se ha hecho a los análisis y resultados publicados por el BICEP2.  Reconozco que el anunció tal vez fue precipitado y que la rueda de prensa debió realizarse solo después de que el artículo con los resultados pasara por la revisión juiciosa de sus pares.  Es cierto que la prensa infló a niveles estratosféricos la importancia de este que es apenas el primer resultado de su naturaleza.  Aún con todo eso pienso que BICEP2 efectivamente descubrió los modos B de la radiación de fondo de la misma manera que en su momento los “simpatizantes” de la TGR confiaron en que las medidas de Eddington confirmaban esta hermosa teoría.

Lo que sigue a continuación con BICEP2 y el modelo Inflacionario es un fenómeno temporal, pasajero, un “transiente” en la sociedad de la ciencia.  Tal y como vimos después del anunció de las medidas de Eddington y sus colegas en 1919, en el caso del BICEP2 pasarán un par de años mientras el mismo equipo u otros equipos independientes confirman sus medidas y hacen un tratamiento adecuado a los efectos de fondo.  Esto no borrará los errores que se cometieron en el primer anuncio, pero como sucedió con la TGR dejará como ganadores al final a los cosmólogos teóricos que se aferraron a sus ideales más alocados por un fetichismo estético irracional. ¿Cuál es la evidencia que tengo de que las cosas ocurrirán de esa manera?.  Ninguna.  Mi predicción no es científica.  Se basa exclusivamente en mi “confianza” (por no decir “fé” que es una palabra horrible asociada a la sumisión intelectual en creencias supersticiosas) de que el modelo inflacionario es el modelo que describe el origen del Universo aunque sea increíblemente difícil de comprobar.  Se basa también, como he argumentado aquí, en recordar otros ejemplos parecidos de la historia de la física y la astronomía en particular (en un anexo a esta entrada enumero otros ejemplos adicionales al que he desarrollado detalladamente aquí)

La ciencia, como todo fenómeno social, es un aparato complejo.  Hoy los medios de comunicación están poniendo en evidencia mecanismos y fenómenos sociales en su interior que antes solo los científicos conocían.  Su imperfección es ahora pública y esta en la boca de todos.  Pero eso no cambiará el hecho de que se sigan produciendo “transientes científicos”, es decir, períodos de tiempo en los que después del descubrimiento de “ruidosa” evidencia en favor de una teoría o modelo de amplia aceptación teórica, se sucedan períodos de negación, de ácida crítica, de aparición de modelos alternativos, de búsqueda desesperada por una confirmación independiente.  Los transientes podrán durar un par de años o tal vez muchas décadas (como en el caso de la TGR).  Al final, dependiendo de la teoría o el modelo, la intuición teórica emergente en la comunidad científica, se impondrá.

Al decir esto no estoy afirmando que toda teoría, por loca que sea, tenga la misma suerte que la TGR y el Modelo Inflacionario.  ¡Por favor!.  Los transientes científicos que menciono aquí se producen cuando teorías aceptadas de forma generalizada (aunque no unánime por supuesto) por los teóricos, buscan confirmación experimental.  Lo que defiendo  aquí es el poderoso valor de la intuición generalizada de la comunidad científica, el fetichismo estético emergente por ciertas ideas aún en la ausencia de evidencia clara de su validez.  Lo que defiendo, también, es la idea de que en ciencia los resultados experimentales no lo son todo, aunque al decirlo parezca una herejía.  Las observaciones y los experimentos marcan a veces el comienzo de las construcciones científicas y dan el toque final a su validez, pero no le dan al edificio de la ciencia toda su fortaleza.  Las observaciones, en algunos casos, funcionan como el enchapado exterior del edificio teórico en lugar de ser sus “vigas” como la mayoría creemos.

¿Puedo equivocarme con la inflación y BICEP2?.  Tal vez.  De lo que si estoy completamente seguro es que seguiremos viendo en lo que sigue en la historia de la ciencia muchos otros transientes científicos.  Durante estos períodos temporales veremos enfrentamientos apasionados entre científicos, periodistas e incluso entusiastas, alrededor de ideas que de no ser ciertas harían temblar nuestra confianza en lo que es “razonable”.

Al final sin embargo se impondrá, como siempre, un ganador: el fetichismo estético y la intuición de los teóricos.

¡Larga vida a la ciencia teórica!

Lecturas adicionales:

Anexo

Como reconozco que las entradas de este blog son a veces monstruosamente largas (verdaderos trinocerontes) dejo aquí un material complementario que creo soporta el punto que acabo de exponer.

En particular me permito citarles otros “transientes científicos” del reciente pasado de la física y la astronomía.  Esperaría que colegas de otras disciplinas me ayudarán a identificar fenómenos parecidos en la química, la biología y en otras ciencias.

Me atrevo también aquí a predecir cuáles serán las teorías o modelos que vivirán (o están viviendo) sus propios transientes.

Otros transientes científicos del pasado:

  • El Universo Heliocéntrico.  El modelo fue en su momento acusado de ser observacional y teóricamente equivalente al de Tolomeo.  Las motivaciones de Copernico para proponerlo no fueron completamente observacionales sino la intuición de que la organización del Universo podría ser más simétrica si el Sol estaba en el centro.  Las primeras observaciones de Galileo probando la teoría Copernicana tampoco fueron aceptadas como pruebas definitivas de la validez del modelo.  Una teoría alternativa con poder explicativo similar, fue formulada por Tycho Brahe.  Al final los desarrollos teóricos de Newton y otras observaciones detalladas del movimiento de los planetas demostraron la validez del modelo Copernicano más de 100 años después de que se formulara y publicara.
  • La Expansión del Universo.  No es un secreto que el peso estadístico de los datos presentados por Lemeitre y Hubble a mediados de los 1920s no eran suficientes para probar de forma contundente (a 5 sigmas como les gusta a los físicos experimentales) el fenómeno de la expansión del Universo.   Aún así la idea de un Universo dinámico, en lugar de uno estático y eterno, resultaba natural en el contexto de la TGR.  Si bien nunca hubo un debate profundo sobre la validez de la prueba de Lemeitre y Hubble, podría decir sin temor a equivocarme, que también la expansión sufrió su propio transiente científico.  Hoy el fenómeno es perfectamente aceptado y ha sido medido con una precisión de ~1%.
  • Los Exoplanetas.  La existencia de planetas alrededor de otras estrellas es un hecho que había sido intuido casi desde la antigüedad.  Giordano Bruno prácticamente murió en la hoguera por defender ideas como esta.  Después del desarrollo de las ciencias planetarias en el siglo XX, la existencia de otros sistemas planetarios era prácticamente obvia.  Pero hacía falta una confirmación observacional.  Cuando esta llegó por fin en 1995, el resultado observacional no la vería fácil para ver la luz.  Paso prácticamente 1 año para que lo observado por los astrónomos fuera aceptado por otros como un objeto planetario y no como una pequeña “estrella” compañera.  En realidad la discusión duró mucho más que 1 año.  Diría que hicieron falta 2 o 3 años y tal vez decenas o cientos de descubrimientos para que la comunidad astronómica se convenciera definitivamente de que lo que estaban viendo eran planetas.
  • Los Agujeros Negros Estelares.  La existencia de los agujeros negros ha sido teorizada desde hace más de dos siglos pero fue solo hasta bien entrado el siglo XX que la existencia de estas rarezas teóricas empezó a considerarse un producto inevitable de la acción de las leyes de la física y de la evolución estelar.  Aún así detectar uno de estos bichos resulto ser más complicado de lo esperado.  En 1964 se realizaron las primeras observaciones que demostraron la existencia de al menos una fuente de rayos X (Cygnus X-1) que podría ajustarse a las expectativas de los teóricos sobre cuál sería la apariencia que tendrían estos objetos (como es obvio los agujeros negros solo se pueden detectar por la emisión indirecta que producen los gases que giran a su alrededor antes de caer).  Las observaciones sin embargo no convencieron a todos.  Entre ellos se recuerda una curiosa apuesta realizada por Stephen Hawking con Kip Thorne en el que Hawking le daría a Thorne un año de suscripción a Penhouse si se confirmaba que Cygnus X-1 era realmente un Agujero Negro.  Hawking perdió finalmente la apuesta en 1990 cuando todas las observaciones confirmaron finalmente la naturaleza del objeto.

Transientes científicos en proceso o que están por venir:

  • Vida basada en Arsénico.  En 2010 investigadores americanos publicaron con “bombos y platillos” la primera evidencia en favor de la idea de que la vida en ciertas condiciones podría reemplazar uno de sus elementos esenciales (en este caso el Fósforo) por otro parecido (el Arsénico).  El trabajo recibió serias críticas después de ser publicado, especialmente por la metodología experimental utilizada.  Aún así sus autores se sostuvieron en la validez de sus conclusiones.  En 2012 un nuevo trabajo fue publicado confirmando que las bacterias preferían el Fósforo sobre el Arsénico y dejando supuestamente por el suelo los resultados de 2010.   Aún así, yo sigo pensando, como creo que lo hacen también los autores del artículo original, que la idea de que la vida pueda reemplazar algunos de sus elementos por otros químicamente parecidos sobrevivirá a este impase temporal.  Puede que este no sea exactamente el transiente esperado de esta idea, pero deja adivinar lo que se vendrá posiblemente en un futuro próximo.
  • Supersimetría.  La mejor alternativa a la teoría aceptada de las partículas y las fuerzas (el modelo estándar) sigue estando en el tintero a la espera de una confirmación de su validez.  La confirmación no llega todavía y algunos incluso piensan que nunca llegará.  El LHC parece haber cubierto ya la zona del “espacio de posibilidades” donde se suponía que la teoría tendría validez.   Aún así quedan algunos “resquicios” y la esperanza sigue de que la teoría resulte confirmada.  ¿Presenciaremos también con esta teoría un transiente científico?.  ¿O tendremos que esperar también a que se haga un descubrimiento contundente?.  Habrá que recordar que la partícula más importante del modelo estándar, predicha en 1964, fue solo descubierta hasta 2012.  Esperamos que el transiente no sea tan largo.
  • Vida extraterrestre.  Si la existencia de los exoplanetas fue discutible en su momento, no me quiero imaginar lo que será la discusión cuando con una “ruidosa” evidencia se proclame el descubrimiento de la vida en otro planeta.  Estoy absolutamente seguro que el transiente científico de este descubrimiento empequeñecerá a todos los que le hayan precedido en la historia y hará de la confirmación de que la vida es un fenómeno universal, una de las ideas científicas que más resistencia tendrán entre los astrónomos observacionales.
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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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