El Cedazo

Tiempo -∞/+0

(revisión 2005) (pdf)

 … “Desde mi posición en [α₁₁₁₀ β₅ π₄₇ … Ω^tΛ^tx] soy capaz de percibir el colapso. Cómo definirme. Una inteligencia en el mundo de las cuerdas, dimensión 11. Notario fehaciente de todos los sucesos. Incluso los del pequeño Cosmos de cuatro dimensiones próximo a nacer. Como tantas otras veces, comienzo a experimentar el ligero desvaído en el que me sumiré durante el paso de la… singularidad. No me preocupa. Soy un experto en este tipo de experiencias, por otro lado muy normales en los espacios de Kalabi-Yau donde habito. A veces, alguno de estos organismos multidimensionales juega a ser niño y alardea de crear florestas con unos pocos de sus múltiples brazos. Intuyo que es el momento. Como el cloroformo antes de las anestesias, huele a infinito eterno… antes de la tiniebla ¡Nos vemos en el más allá!” …

Alegoría muy imaginativa de la transición al Big Bang, un viaje a través de la singularidad del origen del tiempo, ”Desde mi posición en [α₁₁₁₀ β₅ π₄₇ … Ω^tΛ^tx]…” en un hipotético espacio en negativo abocado hacia un “gemelo” espacio de luz: nuestro Universo (Imagen modificada a partir de otra de la red, fair use)

Así pudo comenzar la historia que vamos a relatar a lo largo de esta serie sobre la Biografía del Universo. Imaginario. Al otro lado de nuestra frontera temporal. Antes de la creación de nuestro Universo.

He optado por una fábula, pues ciertamente nadie en este mundo, el de las x, y, z y t percibibles, sabe de dónde viene nuestro Cosmos ni cómo fue su primer instante. Y si alguien dice que tiene la clave, miente como un bellaco. ¿Nació en aquel incógnito momento el entramado del espacio-tiempo que conocemos?, ¿o fue simplemente una extensión 0/∞ de otro ya existente? O como en el cuento imaginado, ¿resultó ser un rebote de algo anterior?, ¿o surgió ex-novo del vacío? Aunque… ¿qué es el vacío? Podemos imaginar, inventar, conjeturar… pero no sabemos nada de nuestro momento t=0 -¿y si no hubo t=0?-. Aunque menos aún que menos sabemos de t<0.

El animal racional que surge como una etapa en la historia que nos trae y que ha sido fijada por las condiciones físicas de nuestro Universo, el hombre, siempre ha sido muy curioso. Ha querido ver con el cuerpo y la razón todo lo que hay más allá de su propio sentimiento como individuo. Con los sentidos llegó hasta donde estos llegaban. Poco para la curiosidad y mucho, lo suficiente, para la supervivencia. Llegado el momento en que fue consciente de ello tuvo que idear milagros para lo razonable. Pero la razón es terca y pertinaz. Curiosa y potente. Comenzó a extender los brazos ejecutores de las antenas sensoriales. A la cabeza de ellos, la vista.

Ideó instrumentos para ver en lo alto. Midió cada vez mejor el tiempo. Supo adentrar su pupila hasta el mundo de lo más pequeño. Y no se rindió por no llegar más lejos. Donde sus sentidos no abarcaban… idea la gran herramienta que los prolongó casi hasta el infinito: la abstracción matemática y el cálculo con el que jugaba.

Así, una gran fila de visionarios, extensa desde todos los tiempos, pero que iniciamos con Nicolás Copérnico, que fue quien puso al mundo en su lugar. Galileo, Kepler, Newton, Laplace, Darwin, Maxwell, Einstein, Planck, Schrödinger, Heisenberg, Hubble, Feynman, Guth, Hawking… y sé que me dejo un millar de ellos en el tintero. Una saga que participa en la tramoya de nuestra historia. Con sus neuronas privilegiadas y su voluntad irreductible.

En el legado de la humanidad, la teoría y la matemática. Los instrumentos y la experiencia. Las herramientas con las que imaginamos el nacimiento y devenir posterior de nuestro Universo.

Los primeros pasos los vamos a dar ayudados por la teoría del Modelo Estándar de física de partículas. Un modelo teórico cuyas predicciones se vienen comprobando con exquisita precisión. Conjugando la Teoría Cuántica de Campos, la Relatividad Especial y los datos que proporciona la medida de lo observado, el Modelo Estándar nos va a acompañar durante la explicación, posible o probable, de los inicios del Cosmos. No en toda su extensión temporal hay que avisar, porque, al igual que no conocemos lo anterior al punto de partida, tampoco tenemos certezas, ni herramientas con que comprobar las teorías, acerca de una buena parte de las cosas interesantes y cruciales que sucedieron en los primeros momentos. Corto espacio de tiempo, pero, repito, crucial. A medida que la historia discurre llegaremos a un momento temporal a partir del cual ya encontramos en nuestros anaqueles teorías e instrumentos que nos permiten conjeturar, e incluso vivir, las incógnitas de la niebla inicial.

Por tanto: momento anterior al inicial, desconocido; momento fundacional -∞/+0, obviamente lo mismo… ¿quién puede meter la cabeza en la incongruencia del cero infinito? Quizás algún día. Sigamos.

Cuatro constantes físicas fundamentales de nuestro Universo nos dan pistas para definir el primer escenario que creemos poder imaginar. Imaginar, que no medir. Suponemos que este espacio real en un tiempo ya real tendría unas dimensiones físicas exiguas y unas densidades de energía y temperaturas gigantescamente inimaginables. Las cuatro constantes son c, la velocidad de la luz; G, la constante gravitatoria universal; h, la constante de Planck y k_B la constante de Boltzmann. Con las cuatro, y solamente con ellas cuatro, podemos suponer a este diminuto y súper potente punto/momento inicial.

Carnet de identidad del espacio-tiempo inicial: en el momento igual a un “tiempo de Planck”, 5,391 x 10^-44 segundos, tenía un tamaño de una “longitud de Planck”, 1,161 x 10^-35 metros. Almacenaba una energía equivalente a la “masa de Planck”, 2,176 × 10⁻⁸ kilos a una “temperatura de Planck” de 1,417 × 10³² K. Por debajo de este tamaño, se cree que el espacio deja de tener sentido. Por debajo de este tiempo no hay tiempo medible. Éste creemos fue el punto de partida. Para saber algo de él, un mundo cuántico de energías einstenianas, tendríamos que saber compaginar teóricamente la mecánica cuántica y la gravedad, cosa muy alejada de nuestras posibilidades actuales. Todo son conjeturas, no hay evidencias de un inicio a partir de una singularidad infinita, ni hay evidencias de que surgiera de un espacio-tiempo espumoso, ni siquiera surgió de la imaginaria idea acerca de un “huevo cósmico primigenio” que explotó.

La senda de expansión de nuestro Universo que nos acompañará a lo largo de esta serie (Imagen: Exploring the Universe, Edward W. Kolb, Fermilab, 1989, fair use)

Lo único que sabemos es que el mundo de Planck que hemos descrito como punto inicial encajaría en nuestro conocimiento como posible punto de partida sobre el que pudo construirse un mundo energético -como justifica la teoría cuántica- y en expansión -como justifica la teoría de la relatividad de Einstein- que a la larga devino en el que observamos hoy en día. Tras salir del mundo de Planck continuamos en las tinieblas del conocimiento durante una más que reducida época, que culminó cuando una inflación exponencial del tejido espacio-tiempo, el Big Bang caliente, terminó.^[1] La teoría moderna nos sugiere que antes, cualquiera que hubiera sido el antes, y también durante la inflación, el Universo estuvo desprovisto de materia y radiación, aunque conteniendo algún tipo de energía, ya fuera inherente al propio espacio o como parte de un campo que no se iba diluyendo a medida que el Universo se expandía.

Aunque la verdad es que no tenemos medios para acceder experimentalmente al Universo de este momento. No podemos inferir nada especial a partir del más profundo y antiguo banco de datos disponible: el espectro de la radiación de fondo de microondas emitida cuando el Universo tenía unos 380.000 años. No sabemos qué campos cuánticos ejercerían realmente un papel en este momento. Suponemos que la física que funcionó en aquella época derivó causalmente en la que conocemos. Quizás fueran unos momentos fríos en los que solo había una energía oscura mientras el Universo esperaba el final de la inflación para que el ambiente se calentara. Pero todo son conjeturas. Suponemos que en algún momento de esta época el espacio/tiempo experimentó un gran tirón que lo expandió factores de amplitud gigantescamente impensables. Sólo lo suponemos, aunque tenemos muchas y serias agarraderas de que así tuvo que suceder y que son consistentes con muchas de las cosas que sí podemos observar hoy en día.

¿Y después de la inflación? Suponemos un mundo caliente y cargado de materia-radiación. Pero tampoco hay forma de poder comprobar si fue así, si las partículas que conjeturamos en este mundo post expansión fueron exactamente las que nacieron de la gran energía liberada tras el frenado de dicha expansión o bien son un producto de nuestros razonamientos teóricos aptos exclusivamente para ser catalogados en nuestros libros. Nosotros encontramos, y realmente “vemos”, a nuevas partículas gracias a que podemos generar estados de suficiente alta energía como para poder condensar las masas de estas partículas. Pero nuestra joya que es el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) llega tan sólo a un poco más allá de diez TeV, 10¹³ eV. ^[2] Bastón de ciego si pensamos que en el momento fundacional nos encontrábamos en la historia de un mundo energético que se movía en el entorno de 10²⁸ eV ¡Quince rangos por encima!

Gracias a dios, se puede deducir ciertamente bastante de esta época a través del estudio de la información implícita en el mapa de la radiación de fondo de microondas en donde quedó impresa la dispersión de las singularidades cuánticas generadas en estas épocas, e incluso anteriores. Incluso de la existencia de las primeras ondas gravitatorias creadas por el gran carajal gravitatorio que se vivió en aquellos momentos cuando lleguemos a ellas.

Hay un intervalo temporal mágico y constituyente.

Desde el momento t=10^-35 segundos tras la singularidad inicial: inicio de la fase exponencial expansiva. Al momento 200 segundos: se generan los primeros núcleos atómicos por la unión de neutrones y protones gracias a que el nivel energético cósmico es ya lo suficientemente bajo, 200 KeV, como para dejar expresarse a la fuerza nuclear fuerte. En el interregno, suponemos que en algún momento se fueron independizando las dos fuerzas nucleares y la electromagnética, y que se fueron creando nuevas partículas, algunas de las cuales pertenecen al acervo cultural básico de la humanidad: protones, neutrones, electrones, neutrinos y fotones,… incluso la partícula de Higgs. Una “eternidad” antes, tiempo 10^-14 segundos, las condiciones ya las podemos reproducir en nuestros laboratorios: había llegado el momento a partir del que encontramos ayuda y conocimiento en nuestros instrumentos. Y, como ya hemos comentado, el más potente, el que nos permite ver lo más profundo alcanzable por nuestra tecnología, el LHC. Nnos ha mostrado el nacimiento desde el bosón de Higgs de 125 Gev hasta todas las partículas, más aún que la nómina que listé unas líneas más arriba: los fermiones y bosones constituyentes de la materia más cercana a nuestra esencia humana.

No sólo el LHC, sino que también para esta época disponemos de nuestro Modelo Estándar, cuyos resultados teóricos vienen siendo confirmados por los resultados experimentales de nuestros aceleradores de partículas, lo que nos da esperanzas de que este modelo también sea correcto a energías mayores, y por tanto en tiempos más tempranos. Lo cual es una barbaridad, pues este límite del LHC está situado en los 10^-14 segundos tras el Big Bang. De allí para acá, ya no nos movemos por una inestable alfombra teórica. Desde este momento podemos tener evidencias de lo que pasó en nuestro joven Universo.

Un spoiler. Con nuestras teorías e instrumentos hemos llegado a deducir qué núcleos de elementos químicos y en qué proporción se pudieron producir en tal entorno del momento 200 segundos de edad: 75% hidrógeno y 25% helio… lo demás es marginal. Asombroso por lo simple y conciso. Lo perfecto es que la realidad que observamos se ajusta perfectamente a estas previsiones teóricas. Podemos pensar que vamos bien. Tenemos confianza en lo que decimos para estos momentos. Pero vayamos más allá.

Año 380.000 tras el Big Bang. Una temperatura de unos 3000K, ya lo suficientemente baja como para que la atracción electromagnética entre las cargas negativas de los electrones, hasta entonces libres, pudieran unirse a las cargas positivas de los protones o de los núcleos de deuterio o helio, generando los primeros átomos en la historia del Universo. El espacio quedaba libre para que corrieran también libremente los fotones, que hasta entonces se habían estado dando codazos en un tú a tú con los electrones. En las zonas de mayor densidad bariónica los fotones eran más energéticos. En las de menor densidad eran menos energéticos. Lo más glorioso es que hemos podido hacer una foto de la familia fotónica de aquel momento, un reflejo fiel de la distribución de las masas a lo largo de todo el volumen del pequeño universo de hoy en día. Fotones ancestrales, que aún a día de hoy andan por todos los lados a la velocidad de la luz. La radiación de fondo de microondas.

A partir de este momento, cuando el “cielo” se había aclarado y se había vuelto “transparente”, ya podemos prácticamente ver lo que hemos imaginado saber. La sofisticada tecnología de telescopios trabajando en un amplio rango de frecuencias y las infinitas posibilidades que nos brinda la tecnología de espectrometría de la luz, nos permiten analizar y deducir información más allá de la banda de frecuencias electromagnéticas visibles. Hemos visto cuásares y galaxias de hace unos 200 millones de años tras el Big Bang. De ahí a hoy en día, 13.800 millones después,^[3] se extiende un mundo bastante asequible para la ciencia. Con lagunas, sí, pero por el que avanzamos seguros.

Ese guion que parece deparar un fondo muy complejo realmente no lo es tanto. Como dice Abraham Loeb y Steven R. Furlanetto en su libro “Las primeras galaxias en el Universo”, página 23, “Las condiciones iniciales del universo se pueden resumir en una simple hoja de papel… es muy pequeño el número de parámetros [6] que nos suministran una precisa descripción de las condiciones iniciales… toda la información asociada con la complejidad posterior estaba encapsulada en esas simples condiciones…”

Toda esta asombrosa historia es la que me dispongo a contar. Ya sabemos que una parte son suposiciones y que otra son realidades. Iremos a por ello en la siguiente entrada.

1. Algunas personas se refieren al Big Bang caliente, proceso de expansión exponencial del Universo, como “el Big Bang”. Otros se refieren al Big Bang en el sentido de que también incluye épocas anteriores. De ello se hablará en entradas posteriores. [↩]
2. El colisionador de hadrones con su última actualización de julio de 2022 alcanza el nivel de energía de 13,6 teraelectrónvoltios -TeV- que es equivalente a 10¹² electronvoltios. 10 TeV son, por lo tanto, solamente 10⁴ GeV. [↩]
3. He optado por esta cifra como la mejor edad que tenemos ahora mismo del Universo. Realmente es de unos 13,798 +/- 0,037 miles de millones de años según (tabla 10, página 40) la misión Planck de la European Space Agency, 6 de junio de 2014. [↩]

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