Trinoceronte

Porque 140 caracteres a veces no son suficientes

Archivo para la etiqueta “Inflación”

“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.
Anuncios

Asimetría Creativa

La busqueda de simetrías en el mundo es uno de los objetivos racionales y a veces irracionales de la mente humana.  Muy en nuestro interior existe la convicción de que los objetos o los fenómenos simétricos son la regla y no la excepción en la naturaleza y que hay que buscarlos o escogerlos a como de lugar.  Esta búsqueda esta intimamente relacionada con nuestra apreciación de la belleza, la perfección matemática del mundo o la regularidad de las leyes que creemos rigen el comportamiento de todo.  La ciencia moderna, sin embargo, ha terminado mostrándonos que el mundo fascinante y rico que vemos, es realmente producto de asimetrías emergentes, una fealdad inevitable sin la que no podría existir nada de lo que conocemos.  Los invito a reconocer lo “feo” de la naturaleza y a rendirle tributo por su impresionante capacidad creativa.

“Es la fealdad (asimetría) y no la belleza (simetría) lo que da a la naturaleza su atractivo”
Abril 27 de 2014
http://bit.ly/trino-asimetrias

En el arte la asimetría es motivo también de exploración y fuente de obras extrañamente ricas.

En el arte la asimetría es motivo también de exploración y fuente de obras extrañamente ricas.

A pesar de tener la mayor de las veces un origen “irracional”, metafísico si se quiere, la busqueda de simetrías nos lleva casi siempre a resultados exitosos.  Buscamos reproducirnos con personas que tengan rostros simétricos como una prueba de su calidad genética.  Al hacerlo garantizamos que nuestros genes se conserven en descendientes que pueden sobrevivir y estén equipados con sus propias copias de buenos genes.  La simetría hace que construyamos edificios y objetos de una belleza eterna.  Las simetrías nos han llevado a descubrir partículas elementales con las que solo podríamos soñar.  Las simetrías construyeron el edificio de la física moderna y parece que van a ser fundamentales en la construcción de la física del futuro ¡Larga vida para las simetrías!

Entendemos por simetría aquí la propiedad que hace que un cuerpo o un fenómeno sea exactamente el mismo o lo parezca ante distintas transformaciones.  Así por ejemplo, al mirarnos en un espejo nuestra apariencia no cambia mucho.  Nuestro lado izquierdo y el derecho son muy similares de modo que su inversion especular no nos hace otras personas. Otro tipo de simetría es la que existe en el Universo a gran escala: no importa en que Galaxia vivieras, descubrirías las mismas leyes de la expansión y evolución del Universo que descubrimos a principios del siglo XX desde la Vía Láctea.  No hay ninguna galaxia especial en el universo y al mismo tiempo todas lo son.  Cada segmento de algunos gusano es idéntico para una bacteria.  Sería difícil para la bacteria identificar en que segmento esta mirando qué estructura encuentra a su alrededor.  Si ves las aspas de un ventilador o una bandera que se mece en el viento en una película que fluye hacia adelante en el tiempo y en otra que fluye hacia atrás no reconocerías cuál es cuál.  Todos estos son ejemplos de simetrías bastante conocidas.

Pero hay asimetrías espontáneas en el mundo, asimetrías que surgen incluso a partir de la intervención de reglas intrínsecamente simétricas (asimetrías emergentes).  Estas asimetría son esencialmente las que le han dado forma al universo y a nuestro mundo inmediato y que en últimas hacen de él algo que vale la pena estudiar.  En otras palabras nuestro Universo parece regirse por principios simétricos pero es la asimetría emergente en algunos fenómenos lo que lo hace tan interesante.  Esas asimetrías además son responsables de que el mundo sea lo que es.  Si no fuera por ellas viviríamos en un simétrico pero muy triste Universo.

Les propongo que hagamos aquí un breve inventario de las asimetrías emergentes, la fealdad inevitable, si me lo permiten llamar de esa manera, que hacen de nuestro mundo un lugar exótico y bello para vivir.

¿Espacio o tiempo?: esa es la cuestión

FlechaTiempoResponder a la pregunta de qué es el tiempo parece ser uno de los rompecabezas mas difíciles que nos ha tocado resolver como especie inteligente.   Podríamos decir, sin temor a equivocarnos, que casi ningún filósofo entendió realmente lo que era hasta la invención de las maquinas que funcionan con calor en la revolución industrial.  Fue solo hasta que dependimos de la conversión del calor en trabajo que nos empezamos a dar cuenta que existía una diferencia fundamental, imposible de obviar, entre el pasado y el futuro.   Después de este origen tan mundano, la idea de que el “flujo del tiempo” es implacable se convirtió en una de las leyes mas importantes de la física.  Hoy se la conoce con el poco romántico nombre de “segunda ley de la termodinâmica” pero deberíamos llamarla en su lugar “la asimetría más fascinante del Universo”.

¿Habría algo bello en el mundo si todos los instantes del tiempo fueran iguales? El tiempo es el responsable de la íntima distinción entre lo vivo y lo no vivo.  Sin tiempo sería lo mismo tener estrellas a no tenerlas.  Todas las invenciones y actos creativos serían simple ruído en un simétrico fluir de eventos.  El tiempo y su implacable fluir es sin duda alguna el artifice del Universo.

Hasta allí todo estaría bien si no fuera por un increíble descubrimiento que hizo Einstein en 1905.  No se puede pensar en el tiempo sin pensar simultáneamente en el espacio.  Ambos coexisten en un matrimonio indisoluble.  Hablar de la duración de un fenómeno es inútil e incompleto sin hablar de su extensión en el espacio.  Creer que las cualidades espaciales existen independientente de las temporales es tan absurdo como creer que el tamaño de la sombra de un edificio es una propiedad independiente e intrínseca suya.

Pero el espacio, a diferencia del tiempo es bidireccional.  Se puede ir hacia adelante o hacia atrás en cualquiera de las 3 dimensiones del espacio.  No se puede hacer lo mismo en el tiempo.  Cualquier punto del espacio puede ser visitado cuantas veces se quiera pero no pasa lo mismo con su hermano gemelo, el tiempo.  Solo tuvimos una oportunidad de estar aquel 10 de junio de 1610, el día en el que Galileo miro por primera vez el cielo con una versión personal de un catalejo.  Solo nuestra imaginación nos puede llevar de nuevo hasta allá.

Pero ¿por qué es así? ¿por qué una de las 4 dimensiones en las que podemos movernos es tan distinta? Nadie lo sabe a ciencia cierta todavía pero creo que es una intuición generalizada entre muchos físicos el hecho de que intrínsecamente no es así.  Es decir, existe una simetría intrínseca entre el espacio y el tiempo de modo que la “fea” diferencia entre las 3 dimensiones espaciales y la cuarta dimensión es solo cuestión de emergencia.

A alguna escala espacial o temporal que desconocemos (seguramente muy pequeña o microscópica), las 4 dimensiones son indistinguibles.  No hay presente, ni pasado, ni futuro.  A esa escala desconocida, todos los puntos son un eterno aquí y un inmenso ahora.  ¿Pero por qué no lo vemos de esa manera en nuestra vida cotidiana? Entre esa escala y la nuestra, parece ocurrir un milagro (o un desastre desde el punto de vista de la simetría) en el que la identidad, la diferencia aparente entre el tiempo y el espacio emerge.  Algo se daña en el mundo cuando crece y por eso se vuelve temporal.  La “flecha del tiempo” como la llaman otros resulta de alguna manera de la interacción de todas las partes de un mundo muy complejo.  El tiempo y el espacio se divorcian en algún punto entre el reino de lo muy pequeño y de lo muy grande.

El tiempo a nuestra escala, no es entonces una característica intrínseca del Universo sino una asimetría emergente, un milagro inesperado.  De la misma manera que al enfriar un poco de agua la interacción de cuatrillones de moléculas independientes se convierte en un orden emergente, el hielo, el tiempo resultaría de algo así como la “cristalización” de un espacio de cuatro dimensiones atemporal y eterno.  Mas increíble aún resulta pensar que tal vez en otros universos no exista el tiempo.  O tal vez en algunos de ellos el tiempo tenga dos o tres dimensiones a su favor.  Nadie lo sabe todavía.

Masa o Luz

mqdefaultUna tercera parte de las partículas que forman la materia convencional en nuestro Universo, deberían moverse ligeras, exactamente a la misma velocidad que la luz.  Nos referimos, naturalmente a los electrones.  Siendo posiblemente las partículas elementales más mundanas del Universo, los electrones tienen todas las características requeridas para ser ligeras como los fotones, las partículas de luz.  Los electrones, como los fotones, son fundamentalmente elementales, es decir no están compuestas de otras, y aunque son atraídas por otras partículas lo hacen con una intensidad relativamente tan pequeña que les impide formar paquetes compactos como los que forman sus primos, los quarks.

Pero los electrones, que deberían ser infinitamente ligeros, no lo son completamente.  Al menos durante esta etapa de la vida del Universo.  Mientras que al nacer un fotón, lo hace inmediatamente a la velocidad de la luz, cuando un electrón hace su aparición en el mundo necesita de un buen impulso para alcanzar incluso velocidades mundanas.  

La relación entre el impulso que hay que darle a una partícula y la velocidad que alcanza esta relacionada con lo que los físicos conocen como la masa de la partícula.   En el caso de los electrones la masa alcanza un valor de 500,000 unidades (en el sistema usado por los físicos de partículas para medir la masa).  Los neutrinos, partículas exóticas producidas en la desintegración nuclear, por su lado, tienen menos de 1 unidad de masa y por la misma razón vuelan casi a la velocidad de la luz sin mucho esfuerzo.  Un protón, que esta compuesto de quarks que interactúan con mucha energía entre ellos, tiene una masa de casi mil millones de unidades.  En este caso sin embargo esa enorme masa se debe a la energía que une a los quarks que también se resiste a ser movida.

El hecho que los electrones tengan una masa, define de manera fundamental su interacción con protones y neutrones para formar los átomos.  Sin electrones masivos los átomos serían entidades fragiles que tendrían vidas tan breves como algunas de las partículas inestables que apenas conocemos.  En su lugar, los átomos que hacen a nuestro planeta y a nuestros cuerpos por igual, están hechos de electrones con masa, es decir, son duraderos.  Algunos átomos en mi cuerpo (posiblemente los mas importantes) han existido por ejemplo en su configuración actual por lo menos desde hace 6 o 7 mil millones de años.

Pero ¿qué hace que dos partículas que deberían ser igual de ligeras (por simetría, el electrón y el fotón), sean tan diferentes? ¿quién es el culpable de esta asimetría?

De nuevo se trata de una propiedad emergente, una propiedad inesperada del mundo.  

En condiciones “normales” (condiciones simétricas) tal y como las que existieron en el Universo primitivo o en las colisiones energéticas en el LHC, el espacio vacío esta lleno y al mismo tiempo desprovisto de cualquier partícula o campo.  Pero a la temperatura y densidad del universo presente, un campo de fuerza “milagroso” existe aún en el vacío mas profundo.  La razón por la que este campo existe hace parte de la “fealdad emergente” del mundo.  Los físicos llaman técnicamente al fenómeno “rompimiento espontáneo de la simetría”.  

Al campo que surge en estas condiciones se lo conoce hoy como el “campo de Higgs” en honor a uno de sus primeros proponentes.  Pues bien, el electrón a diferencia del fotón siente el campo de Higgs y es por eso que en una carrera donde a los dos se les da el mismo impulso, siempre gana el fotón, que no encuentra ninguna resistencia a moverse.

Así pues, una asimetría emergente del vacío, la existencia del campo de Higgs, es la responsable que los electrones se frenen y de que existan los átomos de los neurotransmisoras que me han mantenido escribiendo este texto  ¡Larga vida a esa asimetría!

Falso Vacío

multiverseUna asimetría similar a la que hace que el Campo de Higgs y no otros campos, existan en el vacío relativamente frío de nuestro Universo, fue precisamente la causante de que hubiera en primer lugar un mundo macroscópico y rico como aquel que nos engendró en primer lugar.

Según nuestra mejor “adivinanza” acerca de cómo nació el Universo, todo comenzó en una pequeña porción de espacio en la que el vacío era altamente simétrico.  En esas condiciones el Universo estaba lleno de una forma extraña de energía repulsiva.   La existencia de esta forma de energía infló aquella diminuta porción de espacio hasta que adoptó dimensiones colosales, astronómicas.  Este evento que llamamos hoy la inflación cosmológica marco el inició de nuestra rincón del multiverso (para leer más sobre este tema les recomiendo mi entrada los Biceps de la Inflación)

Pero si ese estado simétrico y repulsivo se hubiera mantenido por siempre (como creemos que se mantiene en otros lugares del Multiverso) no habría ocurrido nada mas.  Sin embargo, por razones también hoy desconocidas, una asimetría emergió en ese espacio. El cambio, hizo inestable la antes indestructible y repulsiva (en todo sentido) forma de energía que había iniciado la expansión.  De repente toda esa energía repulsiva se desintegro creando cantidades astronómicas de materia y energía más convencional que lo llenaron todo.  Fue tan violento el fenómeno que la temperatura y densidad de nuestro Universo se hizo tan grande como jamás vimos después.  A este momento de la historia del Universo la llamamos el Big-Bang.

Según este relato, que recientemente recibió una inesperada confirmación observacional, el Big-Bang fue el producto y no el principio, de una asimetría emergente, de una forma exótica de fealdad creativa.  Si por la simetría intrínseca de las leyes de la física fuera, nuestro universo sencillamente no existiría.

Materia o Antimateria

antimatterVivimos en un Universo hecho de luz.  Por cada electrón o quark en nuestro cuerpo existen en algun lugar del Universo un millardo de partículas de luz (fotones).  Si un visitante de otro Universo tuviera la oportunidad de mirar adentro del nuestro tendría todo el derecho a decir que este es un Universo de luz.

Pero no del todo.  La luz no es capaz de formar planetas, crear organismos vivos o escribir blogs.  La luz es fantástica pero lo que hace a nuestro universo un lugar rico e interesante es la materia, es decir esas otras formas de energía que si tienen masa y se frenan hasta crear entidades como protones, átomos y Galaxias.

Según un principio de simetría Universal el Universo debería estar hecho de un número exactamente igual de partículas de materia y antimateria.   Es bueno aclarar aquí que el nombre antimateria puede prestarse para confusiones.  La antimateria en realidad es tan convencional como la materia, solo que es extremadamente excasa.  Además siente una aversión “visceral” por la materia.  Cuando un positrón, por ejemplo atrae inocentemente a un electrón, el encuentro casual se convierte en el fin de su existencia (la de ambos)  En una fracción minúscula de tiempo la energía contenida en el electrón y el positrón es convertida en la energía de dos fotones.  La conversión es 100% eficiente y los desafortunados electrón y positrón dejan de existir.

Pero si la simetría materia-antimateria es tan real ¿por qué no vemos en el cielo galaxias de antimateria? pero mas importante aún ¿por qué no se ha destruído todavía toda la materia y la antimateria que debió crearse en el Big-Bang?  De hacerlo este universo solo estaría hecho de luz, la resultante de esta masiva aniquilación.   Pero eso es exactamente por donde comenzo esta historia: casi todo el universo esta hecho de luz lo que es una huella precisamente de este poderoso evento de autodestrucción cosmológica.  Pero aún así todavía hay materia y por montones.  ¿Será que la expansión nos aisló de otras partes del mundo llenas de una cantidad similar de antimateria? Muy difícil.

Toda la evidencia parece indicar que cuando el Universo tenía algo menos de 1 microsegundo una asimetría emergió en el devenir de las interacciones que hizo que existiera un poco mas de materia que de antimateria.  No sabemos todavía cuál es exactamente el origen de esa asimetría (y posiblemente no lo sepamos, esa es una característica fundamental de los fenómenos emergentes) pero así fue.  Nuestro Universo no es bello y por su fealdad existe la materia que hace galaxias, estrellas y planetas por igual.

La lista continuaría…

Espero que estos pocos pero cruciales ejemplos sirvan para demostrar mi tesis inicial, aquella según la cual el mundo es lo que es gracias a ciertas asimetrías que emergen de la compleja interacción entre partes que se rigen en principio por leyes regulares y simétricas.  Vivimos en un universo milagro.  No el milagro sobrenatural y perfecto, sino el milagro de la imperfección y la asimetría.

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:

Definiciones no Ortodoxas

Definir una cosa no es sencillo, pero hacerlo de forma poco ortodoxa puede resultar casi imposible ¿o no? He intentado crear nuevas definiciones para cosas muy conocidas.  El resultado es muy interesante (y personalmente muy educativo)  Al intentar encontrar unas pocas palabras que resuman la naturaleza de las cosas que conocemos, evitando usar las que normalmente se utilizan para definirlas, se descubren aspectos de esas cosa que no creíamos fundamentales.

“#DefiniciónNoOrtodoxa Música: pintura en el tiempo”
Enero 23 de 2014
http://bit.ly/trino-definicion-musica

Así se ve el sonograma del canto producido por un pájaro, cuando se lo representa en el espacio de las frecuencias y en el tiempo.  Su canto es una "pintura en el tiempo"

Así se ve el sonograma del canto producido por un pájaro, cuando se lo representa en el espacio de las frecuencias y en el tiempo. Su canto es una “pintura en el tiempo”

A veces la manera como nombramos las cosas o la forma en la que las definimos refleja lo bien que entendemos su naturaleza más profunda.  Lo que no cabe en un nombre o en una palabra se puede poner en una definición breve para convertir lo nombrado en un objeto o fenómeno completamente fascinante.   Casi todo lo que nos rodea (cosas, fenómenos y conceptos) tienen asociadas palabras: mueble, vida, luz, palabra, etc.  Esas palabras tienen además definiciones, la mayoría de las cuales (normalmente las más aburridas) las encontramos en los diccionarios que raramente usamos.  Otras (las más interesantes) están en libros académicos que presentan investigaciones profundas sobre la naturaleza de esas cosas y en las que después de un dedicado esfuerzo se logra definirlas en unas pocas palabras: “la luz es una onda electromagnética”.

¿Pero que tal si en lugar de definir las cosas del mundo por lo que dice el diccionario o lo que presentan los textos académicos, intentamos dibujarlas con palabras o conceptos que pocas veces usamos en relación a ellas?  Les presento en esta entrada algunas definiciones que he “inventado” para cosas comunes y otras no tanto bajo el precepto de que sean tan diferentes como pueda de las que encontraría en un diccionario.

Algunos pueden pensar que el ejercicio es bastante futil, pero les puedo decir que por lo menos en lo que a mi experiencia respecta, tan solo intentarlo es bastante educativo y hasta puede convertirse en una manera de descubrir cosas nuevas.  En algunos casos inclusive, una nueva definición puede ser una verdadera joya con la que uno se identifique mejor que con la definición tradicional o la académica.  Así por ejemplo, y en lo que a mí respecta, en lo sucesivo la Música será “Pintura en el Tiempo”.

Estrella: una maquina para convertir Hidrogeno en Hierro. La mayoría fallan antes de lograrlo.

Normalmente se define una estrella como una gran “esfera” de plasma en el interior de la cuál ocurren reacciones de fusión nuclear.  Pero esta definición aplica solo para una instantánea de la vida de estos objetos.  Hoy sabemos que las estrellas a lo largo de su vida funcionan como las fabricas nucleares en las que se forjan elementos pesados a partir del Hidrógeno y el Helio primordial.  Estos elementos pasarán a formar mas tarde las cosas más interesantes del Universo, planetas y eventualmente vida.  ¿Por qué no definir entonces las estrellas desde esta perspectiva, la perspectiva de maquinas para la síntesis de elementos químicos? Los procesos de fusión nuclear en una estrella tienden a crear, en una sucesión de reacciones a temperaturas cada vez mayores, elementos más pesados.  Esto hasta que se topan con los elementos de la familia del Hierro, Níquel, Cobalto, Molibdeno.  Según las reglas de la física nuclear, agregar un protón más a cualquiera de esos núcleos, en lugar de liberar energía para que la estrella brille, consume el sagrado calor que la estrellas ha producido para sostenerse contra su aplastante gravedad.  Con ello la producción en serie de elementos pesados llega a su fin una vez alcanzado el Hierro (a veces en un evento catastrófico conocido como supernova)  Todo lo que una estrella hace en su vida es entonces convertir Hidrógeno en Hierro.  Pero no todas las estrellas llegan hasta allí. Las más pequeñas, nuestro Sol incluído, mucho antes de alcanzar el estado en el que puedan producir Hierro y Níquel, se convierten en compactas bolas de Helio y Carbono, sostenidas no por el calor sino por una exótica presión (llamada presión de degeneración) producto de las leyes de la mecánica cuántica.  En estos casos y por mucho que la gravedad intente, las temperaturas en el centro “degenerado” de la estrella nunca superan los umbrales para que ocurra las reacciones de fusión nuclear de estos elementos.  Como resultado estas estrellas livianas terminan la cadena de producción de Hierro antes siquiera de crear elementos más livianos como el Oxígeno, el Magnesio o el Silicio.  Las estrellas livianas son entonces fabricas de Hierro que fracasan en su intento.  Solo 1 de cada 100 estrellas logra el objetivo para el que fueron creadas.  Las demás se convierten en ruinas compactas que decoran las Galaxias como un recordatorio del triunfo de las leyes de la mecánica cuántica sobre la gravedad.

Vida: unas vacaciones lejos de equilibrio térmico

Definir la vida ha sido un reto científico, sino semántico de increíble proporciones.  De todas las definiciones que se han enunciado a lo largo del historia las que más me gustan son las que se basan en principios físicos elementales.  Dicho sea de paso, yo soy de los que considera que la vida surge a partir de principios de organización muy elementales y que por lo tanto solo con la física podemos revelar la naturaleza íntima de este fenómeno. ¿Como podríamos entonces definir la vida de una manera no ortodoxa pensando justamente en esos principios?  Una de las características fundamentales de la vida es que ocurre a través de procesos que están lejos del equilibrio. La materia y la energía que está implicada en los procesos vivos no estaría allí si dejáramos que leyes que la leyes fundamentales de la termodinámica actuaran de forma espontánea.  Así por ejemplo, si dejamos que las sustancias químicas orgánicas en un estanque interactuaran espontáneamente entre ellas y con fuentes y sumideros de energía, sería muy difícil que formaran una hebra de ADN como lo hacen todos los días nuestros cuerpos cuando se dividen las células de la piel.  De igual manera si ponemos un cuerpo caliente en un entorno frío como el aire de la antártida el objeto tenderá a a adquirir la misma temperatura del ambiente.  Pero si el objeto es un pingüino, las cosas resultan muy diferentes; a lo largo de días y meses del invierno polar el pingüino mantendrá una temperatura interna tibia muy a pesar del agresivo medioambiente.  Así pues lo vivo es una excepción a las leyes que dictan que en los procesos espontáneos la naturaleza que tienda a mantenerse en equilibrio.  Así pues la materia que forma la vida es tan solo una afortunada porción del universo que está de vacaciones lejos del equilibrio termodinamico.

Universo: residuos desordenados de la inflación

Es difícil que hoy, más de 13,700 millones de años después del “Big-Bang” y al ver el planeta en el que vivimos, la Galaxia que nos toco por  noria y el rincón que habitamos en la telaraña cosmológica, podamos reconocer que toda la materia, el espacio y el tiempo que existen son solo el residuo “desordenado” de una breve etapa de evolución del Universo conocida actualmente como inflación.  Los miles de millones de años luz y los aún más numerosos segundos que constituyen el escenario vivo en el que se desarrolla el Universo, fueron creados por una poderosa fuerza repulsiva (la misma gravedad pero en una faceta que desconocíamos) movida por una “sustancia exótica” (apodada actualmente “campo inflatónico”) que llenaba todo el cosmos y que de forma paradójica aumentaba a medida que se creaba más espacio.   En un tiempo increíblemente breve, 1 billon de veces menor que el tiempo que le toma a un rayo de luz atravesar un núcleo atómico, se creo tanto espacio nuevo que la energía inflatónica se diluyo debajó de un umbral en el que su desintegración se hizo inevitable ¿El resultado? Toda la materia y la energía de la que estamos hechos ustedes y yo, las estrellas allá afuera, las galaxias remotas e incluso la misteriosa materia oscura, el pegante de la creación.  Somos descendientes directos de inflatones. Remanentes desordenados de un Universo un poco más ordenado en el que incluso se cree existían solo una o dos de las cuatro fuerzas fundamentales que hoy reconocemos.  ¿Pero cómo sabemos todo esto si ni un solo inflatón sobrevivió?  El Universo a muy gran escala tiene un increíble parecido (en términos de densidad y distribución de energía) con las regiones más pequeñas de espacio que la física puede concebir.  Ver a través de los telescopios más poderosos es lo más parecido que existe a mirar a través de un microscopio capaz de mostrarnos el espacio vacío dentro de los átomos.  Es cómo si lo que viéramos allá afuera no fuera más que una versión magnificada del mundo microscópico.  El inflatón y su increíble poder de “zoom” es hasta ahora la única manera de explicar esta asombrosa paradoja de escala.

Cometa: bólido en la atmósfera del Sol

Difícilmente lo notamos pero la Tierra y todo lo que esta unido gravitacionalmente al Sol se encuentra volando en el interior de su ingente y diluída atmósfera.  Apenas un recordatorio de su existencia se asoma por encima de las montañas de la Luna en los eclipses de Sol, manifestándose en la forma de un halo asimétrico que llamamos corona.  Pero es difícil creer que ese adorno luminoso con forma caprichos y no más grande que 2 o 3 soles en realidad sea solo el comienzo de un río de plasma que se extiende hasta llegar a casi 1 días luz de distancia del Sol.  ¿Pero sí estamos adentro de la atmósfera del Sol, cómo es que no lo notamos? ¡Por supuesto que lo notamos! Es solo que no lo llamamos por su nombre.  Lo notamos cuando las agencias de televisión anuncian que sus programas han sido suspendidos por causa de una tormenta geomagnética que no es otra cosa que el resultado del embate de una ola de atmósfera solar contra el campo magnético de la Tierra.  Lo notamos cuando vemos esas fantásticas cortinas de luz que se descuelgan en las altas latitudes cuando partículas de la atmósfera solar se precipitan hacia la atmósfera de la Tierra.  Pero quizas la manifestación más fantástica de la atmósfera solar es la que vemos cuando pedazos de hielo, los núcleos cometarios, se precipitan desde las gélidos extramuros del sistema solar hasta las cálidas “playas” de la atmósfera solar.  Allí la luz del Sol evapora los hielos y estos encuentran las partículas de la atmósfera del Sol.  El movimiento de ambos (del cometa que se acerca al Sol y de la atmósfera solar que se expande continuamente) produce un fantástico despliegue visual que conocemos como un cometa.  Así pues de la misma manera que la atmósfera de la Tierra calienta y erosiona fragmentos de roca que entran a gran velocidad hasta crear el fenómeno que conocemos como meteoros o bólidos, los cometas se desintegran al contacto con el calor y la atmósfera del Sol.

Estrella de Neutrones: una estrella sin el espacio vacío de adentro de los átomos

Desde siempre se ha dicho que el Universo esta prácticamente vacío.  Lo dicen porque los átomos, que forman la materia concreta de la que esta hecho nuestro mundo inmediato (que es también de las partes más concretas de todo el Universo), son casi todo espacio vacío.  Los electrones que revolotean cuál abejas cerca al núcleo atómico (una abejas cuánticas dicho sea de paso), lo hacen en un inmenso espacio vacío (cuando se lo compara con su propio tamaño o el del núcleo que los atrae) apenas comparable, a la escala de las abejas, con el tamaño de una inmensa catedral.  ¿Qué pasaría si pudiéramos “aspirar” todo el vacío entre los núcleos atómicos y los electrones que los rodean? Si pudiéramos poner casi en contacto un núcleo con otro, el volumen ocupado por la materia convencional se reduciría a casi nada.  Así por ejemplo, de deshacerme de todo el vacío en mi cuerpo, yo cabría completico en un terrón de azúcar; pero eso no es nada, en el terrón quedaría suficiente espacio para acomodar también a ¡todo el resto de la humanidad!  Por suerte no existe un aspirador de vacío.  ¿O sí?  En realidad las estrellas muy masivas son capaces con su propio peso de extraer por presión todo el vacío del interior de la materia en su centro.  Al hacerlo crean un objeto absolutamente fascinante: una estrella de neutrones.  Es tal el poder que tiene esta fuerza “destripadora” que la estrella de neutrones tiene la misma masa que 2 soles completos pero acomodada en el espacio de una ciudad grande.  Así pues las estrellas de neutrones son estrellas a las que se les ha sacado el espacio vacío.

Astrónomo observacional: torturador de fotones

Conozco Astrónomos capaces de construir una teoría cosmológica nueva usando la evidencia transportada por solo un puñado de fotones no mas grande que la cantidad de peces en un estanque.  Laz luz es la mensajera del Universo pero el espacio es muy grande y la luz tiende a diluirse fácilmente.   Hay galaxias en el borde del Universo de las cuales nos llegan tan solo un par de fotones cada semana.  Hacen falta los telescopios más grandes del mundo o telescopios en el espacio para que a lo largo de más de un mes se pueda siquiera crear una imagen tenúe de estos objetos.  Lo mismo pasa cuando hablamos de la luz infrarroja emitida por algunos de los asteroides más pequeños que vuelan entre los planetas amenazando la Tierra.  Estudiar estas cantidades miserables de luz y extraer de allí alguna información, es como si le leyeran a uno una obra literaria soltándole una palabra cada dos o tres días, y le preguntarán con solo un puñado de palabras quién es el autor o en qué va a terminar la historia.  El trabajo de los astrónomos profesionales, en especial aquellos que se especializan en realizar y analizar las observaciones, es un verdadero trabajo de detectives.  Pero para extraer información con tan poco testigos hace falta ser un verdadero experto en tortura de fotones.

Espacio-Tiempo: Espacio-Espacio cuántico a escala macroscópica

Nuestro Universo esconde un secreto que ha sido escondido por los físicos por más de un siglo.  Una nube oscura en el horizonte de la física de la que poco se habla y que podría esconder un secreto fascinante.  Contrario a lo que nuestras expectativas sobre la organización y simetría del universo, el espacio en el que se desarrolla todos los eventos en el cosmos es “imperfecto”, asimétrico.  A principios del siglo XX, Einstein se montó con su imaginación en un rayo de luz y vio cosas tan extrañas que termino por entender que contrario a lo que percibimos, vivimos en un mundo no de 3 sino de 4 dimensiones.  ¿Por qué hemos vivido engañados pensando que las cosas solo pueden moverse en 3 direcciones distintas y no en 4?  La respuesta es simple: la cuarta dimensión es diferente de las otras 3.  Mientras que en las hoy denominadas dimensiones espaciales, el movimiento puede realizarse en cualquier sentido (arriba-abajo, derecha-izquierda, adelante-atrás) sin violar ninguna ley, en la cuarta y más misteriosa de las dimensiones, el movimiento solo puede producirse en un sentido: hacia adelante en el tiempo.  Esta diferencia es la que hace que nuestra percepción describa el tiempo como el “espacio” en el que se encuentran nuestros recuerdos.  Son recuerdos porque no podemos tan solo con el movimiento recuperarlos.  ¿Pero siempre ha sido así o esta es una característica relativamente reciente en la historia del cosmos?  Al parecer muy, al principio, cuando el Universo tenía apenas unas briznas de espacio-tiempo la distinción entre cada una de las 4 dimensiones no era aparente.  Equivalentemente a escalas increíblemente pequeñas en el Universo actual el espacio y el tiempo podrían confundirse en un continuo simétrico de 4 dimensiones.  No habría allí, pasado, ni presente, ni futuro, sino una eterna actualidad cuántica en la que el movimiento es posible en las cuatro direcciones sin distinción.  Cuando muchas pequeñas porciones de este “espacio-espacio” de 4 dimensiones interactúan entre sí y con la energía y por un mecanismo que desconocemos, una de ellas se iría haciendo diferente de las demás hasta alcanzar el estado de total asimetría que vemos en el mundo macroscópico.

La lista podría continuar.  Los dejo a ustedes para que lo hagan.

Fuerzas Fosilizadas

El nombre de las fuerzas o interacciones fundamentales esta vencido: en los últimas décadas hemos descubierto tantas cosas sobre ellas que deberíamos empezar a considerar seriamente llamarlas con nombres más acertados ¿será posible?

“Una propuesta de nuevos nombres para la “fuerzas” fundamentales: fuerza gluónica, fuerza d’Faraday, fuerza mutagénica y fuerza geométrica” 
Enero 10 de 2014
http://bit.ly/trino-fuerzas

Fuerzas Fundamentales

Las interacciones fundamentales y sus denominaciones populares

A veces los nombres que asignamos a las cosas de la naturaleza pueden convertirse en maldiciones que echamos sobre ellas y sobre el “entendimiento” que generaciones futuras tendrán de las mismas.

Los nombres de algunos objetos o fenómenos fueron asignados cuando todavía eran un misterio o cuando se usaban reglas arcaicas de nomenclatura; estos nombres se hacen extremadamente populares y después, cuando su naturaleza esta revelada y el nombre utilizado es engañoso o falaz toca intentar echar reversa.  En algunos casos la reversa funciona.

Hay que recordar, por ejemplo, que las lunas más grandes de Júpiter fueron los “planetas Mediceos” por un tiempo (para después recibir el nombre justo de “satélites galileanos”) y algunos elementos químicos recibieron nombres exóticos cuando no se sabía que eran elemento comunes e incluso que ya tenían nombre.

Con otros el daño es permanente: así por ejemplo seguimos hablando de “átomos” (que en griego clásico significa “indivisible”) cuando hoy sabemos que los átomos son sistemas compuestos y perfectamente divisibles (basta hacer una sopa para dividir los átomos de Cloro en la Sal).  Por suerte ya casi nadie sabe Griego Clásico (aunque no sé a que le suena a un griegoparlante la palabra átomo, además, obviamente de su acepción científica) y no encuentra extraño o poco informativo este arcaico nombre.  Otro ejemplo, “electricidad”, que en griego vendría a significar “ambaricidad” o fenómeno del “ámbar” (una forma de sabia que se solidifica al salir de algunos árboles) y con la que se cree se identificaron y produjeron los primeros fenómenos eléctricos.  Hoy sabemos que la electricidad no es exclusiva del ámbar y que puede ser producida incluso con un imán; pero, otra vez, nadie habla griego antiguo como para confundirse.

Un caso moderno de nombres en la ciencia que hace rato alcanzaron la “fecha de vencimiento”, es el de las Fuerzas, o mejor, Interacciones Fundamentales (utilizaré el término fuerza e interacción de manera intercambiable aquí; una discusión de la diferencia entre ambos términos esta fuera del alcance de esta entrada ¡por favor no sea purista!)  Nos referimos aquí obviamente a las cuatro formas diferentes en las que las partículas y otras formas de energía en el Universo interactúan entre sí.

El caso de los nombres comunes de las Interacciones Fundamentales, en contraposición con el de “átomo” o “electricidad”, es más complicado.  Sus denominaciones populares e incluso los nombres técnicos, vienen de palabras en lenguas relativamente modernas y fácilmente comprensibles por personas que hablen cualquier idioma (sin temor a equivocarme aseguraría que han sido traducidas a la totalidad de las grandes lenguas existentes)  El problema, y este es mi punto en esta entrada, es que esos nombres ya “clásicos” de “Gravedad”, “Fuerza Débil”,  “Fuerza Fuerte” e “Interacción electromagnética”, pueden ser, a la luz de los descubrimientos de las últimas décadas en física, sutilmente engañosos y a veces totalmente falaces (*hace cara de querer convencer a los lectores aunque reconoce que esta exagerando un poco).  Veamos por qué.

¿Cuál es la interacción más sutil del Universo? ¿la más débil o prácticamente imperceptible en el maremagnum de las otras interacciones? “Debe ser la ‘Fuerza Débil’, por algo se llamará así” diría el principiante.  Utilizar la “intensidad” de las interacciones para nombrarlas no fue nunca, en mi buen saber y entender, una buena idea.    La intensidad de las fuerzas con las que interactúan partículas y otras formas de energía, dependen de muchos factores, incluyendo la distancia el espacio en el que se dan esas interacciones o la cantidad de aquello que hace que interactúen (masa o carga eléctrica por ejemplo).  Pero los físicos tenemos una manera peculiar de hablar de la intensidad de las interacciones: no nos referimos a la intensidad de la interacción en una situación particular sino aquella que se produce cuando tenemos una unidad de masa por ejemplo y la distancia es de una unidad también.  A esta intensidad, que tendría un valor igual en todo el Universo, se la llama la “constante de acople” de la interacción.  La interacción débil es poderosamente intensa a distancias increíblemente pequeñas y podría serlo más que la misma “fuerza fuerte” a distancias mayores.  Pero cuando se las compara en igualdad de condiciones (lo que es casi siempre muy difícil porque son muy diferentes), la “fuerza fuerte” gana (duh!).  Volviendo al punto inicial.  Después de esta prolongada aclaración, debe explicarse que la fuerza con la “constante de acople” más débil del Universo en realidad es la “Gravedad”.  ¿Sorprendido? Vaya dígale a todo el mundo que el agujero negro central de la Vía Láctea utiliza la fuerza más débil del Universo para destruir estrellas y planetas enteros en un par de días ¡dudo que alguien le copie!

La intensidad relativa no es, según este argumento, una buena manera de nombrar las interacciones.

¿Qué les parece entonces utilizar un nombre relacionado con los sistemas en la naturaleza en las que ellas actúan? Así se nombraron en primer lugar la “Fuerza de Gravedad” (actúa sobre los cuerpos graves en la Tierra) y las “Fuerza Nuclear Fuerte” y “Nuclear Débil” que actúan supuestamente en los núcleos atómicos.  Otra vez, una falacia.

La gravedad, desde Newton, ya no tiene que ver con los cuerpos “graves” de la física aristotélica (en contraposición con el aire o el humo) o con caer y ser pesado.  Es claro que con la teoría de la Gravitación Universal del mismo Newton, el término “gravedad” adopto una acepción muchísimo más general.  Por “gravitar”, ahora se entiende, mantenerse cerca a otro cuerpo por efecto de la tendencia a estar juntas de las cosas que tienen masa o energía (o sea todas en el Universo).  Un nombre antiguo que ahora tiene una acepción moderna.  El problema es que la cosmología contemporánea parecería estar enseñándonos que la “gravedad” tiene otros aspectos que no conocíamos y que hacen del concepto de “gravitar” una idea relativamente arcaica.  Y no estamos hablando de algo que se haya descubierto hace 2 o 3 años sino de un fenómeno predicho hace 3 décadas.  Me refiero a la inflación.

Naturalmente todos sabemos hoy que la teoría de Newton de la gravedad es realmente una forma matemáticamente correcta aunque conceptualmente incompleta de entender el fenómeno gravitacional.  Una teoría más completa de la “gravedad” (e increíblemente precisa y mas universal) esta contenida en la denominada “Teoría de la Relatividad” formulada por Einstein entre 1905 y 1916.  En esta teoría la tendencia de las cosas ha reunirse es producto de la relación íntima que hay entre la masa y la energía y la “forma” del espacio-tiempo “dentro” del cual se mueve.  En la mayoría de las situaciones las cosas parecen atraerse porque el espacio-tiempo en el que se mueven (que les dicta como hacerlo, siempre y cuando no hayan otras fuerzas implicadas) esta distorsionado en la dirección hacia otros cuerpos con mayor masa o energía.  La gravedad no es una tendencia misteriosa que tiene la masa y la energía a estar junta sino el resultado de la interacción mutua entre la masa y la energía y el espacio-tiempo, que también es parte integrante fundamental del Universo.

El léctor más atento y conservador podría decir que aún en la teoría de Einstein la tendencia a reunirse, sea cuál sea la causa, sigue siendo el síntoma fundamental de la gravedad. Por ello el nombre de “gravedad” no sería entonces engañoso.  El problema es que la relación entre el espacio-tiempo y la energía, especialmente ciertos tipos de energía, puede ser más compleja.  Se sabe ya, por argumentos teóricos, que es completamente posible que existan formas de energía en el Universo que en lugar de “arrugar” el espacio-tiempo hacia ellas lo hagan en la dirección opuesta.  En ese caso el resultado visible de la interacción gravitacional entre estas formas de energía no sería el de una gravitación o atracción, sino el de una repulsión. Bueno, pero estas formas de energía son sólo teóricas; no vamos a cambiar el nombre de la gravedad porque unos teóricos digan que “podría” existir algo muy raro.  El problema es que hasta ahora la única manera para explicar cómo el Universo surgió del caos informe de un supuesto principio (un estado inicial altamente denso, caliente y tal vez muy desordenad0) para convertirse en lo que vemos ahora, que es bastante “liso”, ordenado y simétrico, es admitiendo que durante una breve etapa pudo haber estado dominado por estas formas de energía.  Si Newton hubiera nacido en estos instantes del Universo, la última palabra en la que habría pensado para describir la interacción que puso en movimiento la expansión, sería “atracción” o “gravedad”.  Tal vez la habría llamado la “fuerza de repulsividad”.

Mas grave aún: en años recientes (para ser exactos en los últimos 15 años) ha esta flotando en la cosmología moderna evidencia que demostraría una de dos cosas.  O bien todavía convivimos con una forma de energía capaz de torcer el espacio-tiempo “hacia afuera”, producir repulsión y acelerar en el proceso la expansión del Universo.  Por supuesto me refiero a la hoy denominada “energía oscura”.  Otra interpretación sería que hoy, después de tener instrumentos suficientemente poderosos para observar el Universo a una escala sin precedentes, estamos descubriendo que la (mal llamada) gravedad, sería, aún para la energía convencional, un poquito repulsiva siempre y cuando actúe en distancias enormes.  La cantidad que cuantificaría este aspecto hasta ahora no detectado, pero intuido por el mismo Einstein, se conoce como la constante cosmológica.

De nuevo, decir Gravedad en pleno siglo XXI es, para mí, inaceptable.

Vamos ahora al núcleo atómico.  Una o dos fuerzas (dependiendo del autor) llevan su nombre: la “Fuerza Nuclear Fuerte” y la “Fuerza (Nuclear) Débil”.  En una era de aceleradores de partículas, rayos cósmicos, neutrinos solares, explosiones de rayos gama, hipernovas y cosmología observacional, llamar a estas fuerzas “nucleares” es una injusticia lamentable.

Para empezar la fuerza nuclear fuerte no es una fuerza fundamental.  Considerarla así sería como creer que la fricción es una quinta fuerza (en realidad la fricción es una manifestación de la fuerza electromagnética, que tiene también un mal nombre como veremos enseguida).  Si bien una descripción matemática sofisticada de la fuerza que sienten los protones y los neutrones en los núcleos atómicos es casi idéntica de la descripción matemática de otras fuerzas fundamentales, hoy (50 años después del surgimiento del modelo de los quarks) se sabe que la fuerza que siente un protón de un neutrón es debida a una compleja red de fenómenos relacionados con los quarks y gluones de los que están hechos.

El “gluon” o “pegamentón” si quieren, es una partícula elemental que viaja a la velocidad de la luz y que revolotea incesantemente entre los quarks dentro de protones y neutrones, manteniéndolos juntos (en procesos que todavía escapan una descripción exacta)  Pero los quarks y los gluones no son exclusivos de los protones y los neutrones.  Hay otras partículas hechas de quarks e incluso algunos lugares del Universo (tan grandes como una ciudad) donde podrían existir, sin que un solo protón, un neutrón y mucho menos una familia de ellos (núcleos atómicos) asomen las narices.  En los años 60s, esas partículas de la “fuerza fuerte” eran solo efímeras apariciones en el centro de colisiones muy energéticas.  Pero hoy y gracias a la Astrofísica y la Cosmología, sabemos que estas exóticas formas de materia están en todo el Universo.  Así por ejemplo: la alta atmósfera de la Tierra ebulle esporádicamente en “piones” (partículas compuestas de 2 quarks y muchos gluónes) creados por el choque de protónes y núcleos atómicos que fueron escupidos hace miles o millones de años en explosiones de estrellas.  Estos piones chocan y se desintegran en la atmósfera produciendo otras partículas.  De fondo en estos procesos esta la “fuerza nuclear fuerte”, pero no hay núcleos siempre implicados.

El interior de las estrellas de neutrones podría estar dominado por partículas muy distintas a las que forman núcleos atómicos.  Es más, incluso en las regiones más superficiales de estas anormalidades astrofísicas, la distancia entre los pocos protones que hay y los abundantes neutrones sería tan pequeña que no podríamos identificar en ella núcleos atómicos.  Es decir, una estrella de neutrones esta dominada por la “fuerza nuclear fuerte” sin que un solo “núcleo” intervenga.

Nos han dicho también que la “fuerza nuclear débil” es la responsable de la desintegración radioactiva (por eso se le agrega a veces “nuclear”).  Pero también es la fuerza responsable de que los neutrinos, que son producidos en el centro del Sol y que nacen con una personalidad determinada (hay 3 tipos distintos de neutrinos) lleguen a la Tierra con una personalidad completamente diferente.  Esa misma interacción (que ya vimos antes no es la más débil en realidad) parecería ser la responsable de que las supernovas exploten.  De nuevo los neutrinos están en el centro de atención (son las partículas más populares del Universo que solo sienten la interacción débil y la gravitacional).  Una Supernova produce por efecto de la interacción débil entre electrones y protones (nada de núcleos atómicos) e incluso entre electrones y electrones mismos, tantos neutrinos que mucho antes de volverse un bombillo luz que ilumina media galaxia, se vuelve un faro poderoso de estas partículas fantasmales.  1 de cada mil neutrinos, en su salida del centro de la estrella, interactúa a través de la mal llamada “fuerza nuclear débil” con los protones, núcleos y electrones de las entrañas estelares, de tal suerte que el núcleo estelar se calienta tanto que explota.  Nada de desintegraciones radiactivas, pura “fuerza débil” propulsando uno de los eventos más energéticos del Universo.

Si no es débil y tampoco es nuclear, exclusivamente, ¿qué es entonces lo que hace a esta interacción diferente de las otras? 2 cosas: (1) es la interacción de más corto alcance que existe y (2) 2 de cada 3 veces (por decirlo de alguna manera) que dos partículas se “sienten” a través de esta interacción, sus “personalidades” cambian: un electrón se puede convertir en un neutrino o un quark se puede convertir en otro quark.  Es esta última propiedad la que se manifiesta en el caso específico de los núcleos atómicos en la forma de algunas desintegraciones radiactivas (la desintegración alfa del Americio en los detectores de humo no es producto en realidad de la “fuerza nuclear débil” sino de otro fenómeno llamado efecto túnel).  Pero en otros casos esta “fuerza transmutadora”  solo tiene efectos sutiles.  Así por ejemplo los neutrinos del tipo electrónico que salen del Sol al interactuar con protones y neutrones del interior solar cambian su personalidad y se convierten en potenciales neutrinos del tipo muónico o tauónico.  Ningún núcleo radioactivo esta implicado en este proceso.

Nos queda solo una interacción.  Tampoco se salvo de esta revisión.  Es la archi famosa “interacción electromagnética”.  Para alguien que no hable griego antiguo el nombre es perfecto.  La interacción electromagnética es aquella que aparece cuando está de por medio electricidad o magnetismo (o los dos juntos como se sabe hoy).  ¿Cuál entonces puede ser la “mancha” en el nombre de esta interacción? El problema es que desde hace ya más de 100 años sabemos, y otra vez de la mano de Einstein, que lo que parecen dos fenómenos distintos aunque intimamente emparentados, la electricidad y el magnetismo, son en realidad uno solo.  Pero no en el sentido que le damos normalmente a esa unicidad (y el que le dio Maxwell), ese de que la electricidad produce magnetismo y viceversa; sino en el sentido de que ambos en realidad son el mismo fenómeno: un campo eléctrico es también uno magnético pero visto desde otra “perspectiva” en el espacio-tiempo.

Decimos eléctrico y magnético porque vemos un mundo en el que el espacio esta divorciado del tiempo (lo que es una ilusión de nuestros sentidos).  Las cosas están allí y allá y por otro lado envejecen (lo dicen nuestras intuiciones básicas).  Las cosas, sin embargo, son más interesantes (atentamente Einstein): los fenómenos están aquí-ahora y allí-mañana.  No se puede divorciar el lugar del tiempo.  Cuando uno separa las dos cosas se producen fenómenos curiosos como los que predice la relatividad: la duración de una película se alarga si alguien la ve en un tren de alta velocidad o en un avión a gran altura.  En realidad, la duración-longitud de la película, considerada como fenómeno en el espacio-tiempo, siempre es la misma, pero tendemos a ver las dos cosas por separado.

Pues bien lo eléctrico y lo magnético también son “indivisibles”.  Lo eléctrico es como la parte temporal de algo más profundo y fundamental, lo magnético es la parte espacial de ese mismo algo.  Pero ¿qué es ese algo que existe en 4 dimensiones y que nuestros limitados sentidos dividen en eléctrico y magnético? Desde hace tiempo los físicos le tienen nombre: lo llaman el “campo de Faraday” (para aquellos colegas que no están familiarizados con esta notación me estoy refiriendo aquí al muy popular tensor electromagnético)

En síntesis: con la certeza de no hacer casi ninguna mella en nuestras tradiciones de la literatura científica, pero con el propósito de dejar al menos una incomodidad sembrada en todos ustedes y tal vez, incluso, de ofrecer ideas para la didáctica o la divulgación de la física y de describir de forma más rica las interacciones fundamentales, les propongo los siguientes nombres que se ajustan mejor a lo que sabemos en pleno siglo XXI sobre estas piezas centrales del Universo:

Nombre arcaico – Nombre propuesto:
Interacción o Fuerza Gravitacional – Interacción o Fuerza Espacio-Temporal
Interacción o Fuerza Electromagnética – Interacción o Fuerza de Faraday
Interacción o Fuerza Débil – Interacción o Fuerza Transmutadora
Interacción o Fuerza Fuerte – Interacción o Fuerza Gluónica

De todos modos, si mi embeleco tuviera algún eco, tal vez en poco tiempo debamos empezar a pensar en un nombre verdaderamente fundamental para las que podrían ser manifestaciones de una sola interacción.  O tal vez no.

Actualización.  Acaba de salir una interesante serie de reflexiones de grandes pensadores acerca de las ideas en la ciencia que están necesitando ya “cristiana sepultura”.  Las reflexiones han sido recopiladas en el sitio Edge, http://bit.ly/ideas-cientificas-que-deberian-tener-cristiana-sepultura, e incluyen ideas que van desde “las Razas”, “el Colapso de la Función de Onda”, “El infinito”, “El cerebro derecho e izquierdo” o la “Uniformidad y unicidad del Universo” ¡Fantástica lectura!  Sin ser invitado me atrevería a decir que esta entrada de blog que escribí un par de días antes de conocer esta iniciativa, es mi propia contribución a esta lista.  Los nombres de las Fuerzas Fundamentales merecen una “cristiana sepultura” en un suelo lo suficientemente fértil del que puedan salir nombres nuevos.  Y qué lugar más fértil que el mismo Internet…

¿Qué nombres propondrían ustedes? Dejo abajo una sencilla encuesta para que con la creatividad ilimitada disponible en la red escojamos los mejores nombres para las Interacciones Fundamentales obedeciendo justamente los detalles ahora conocidos sobre esas fuerzas y que me he esmerado en esbozar aquí ¡Anímense a cambiar la historia!

(Si no puede ver el formulario vaya a este enlace: http://bit.ly/nuevos-nombres-fuerzas)

Actualización, Enero 16 de 2014.  Francis Villatoro, a.k.a. @emulenews, me hace notar muy acertadamente que en realidad deberíamos hoy hablar de 5 fuerzas fundamentales y no solo de 4.  La “Quinta Fuerza” es aquella que une a todas las partículas con masa con el campo de Higgs ¡Vaya omisión la mía!  Si bien no es común considerar este “acoplamiento” como una interacción más, creo que el llamado de Francis es perfectamente válido.  Aprovechemos este momento entonces para darle a la “Fuerza de Higgs” su lugar en el podio.  Ahora bien, ¿cómo la vamos a llamar?  Francis propone (implícitamente en su trino) que las llamemos “Interacciones de Yukawa” (porque cada campo con masa tendría una interacción con el Higgs de intensidad diferente, justamente identificable con su masa)  Yo acabo implícitamente de proponer “Fuerza de Higgs” pero todos sabemos las discusiones presentes y pasadas sobre usar el nombre de tan solo uno de los 6 físicos que a mediados de los 60 propusieron la existencia de estas interacciones.  Les propongo entonces esta nueva denominación:

Nombre arcaico – Nombre propuesto:
(Inexistente) – Interacción o Fuerza de Masa

He agregado al formulario arriba un campo adicional para que envíen sus propuestas.

Navegador de artículos