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Biografía del Universo 01: Introducción a una historia real




Tiempo 0/∞

 … “Desde mi posición en [α1110 β5 π47 … ΩtΛtx] 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 … ΩtΛtx]…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 sensibles, 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.

En los primeros pasos nos ayuda la teoría del Modelo Estándar de física de partículas. Un modelo teórico cuyas predicciones se vienen comprobando con exquisita precisión. Conjugando la Física 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 conocemos, ni tenemos herramientas para teorizar y poder luego comprobar, 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 tenemos ya 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.

Tres constantes físicas fundamentales de nuestro Universo nos definen 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 temperatura gigantescamente inimaginables. Las tres constantes son c, la velocidad de la luz; G, la constante gravitatoria universal; y h, la constante de Plank. Con las tres, y solamente con ellas tres, podemos definir este diminuto y superpotente punto 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 encaja en nuestras teorías como posible punto de partida sobre el que, si se generó un proceso inflacionario, como siguen diciendo nuestras teorías, pudo construirse un mundo frío y en expansión: 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 la inflación, el Big Bang, terminó. No tenemos medios para acceder experimentalmente al Cosmos de este momento. No podemos inferir nada especial a partir del más profundo banco de datos disponible, como es el espectro de la radiación de fondo de microondas, emitida cuando el Universo tenía unos 380.000 años. No sabemos qué campos ejercerían realmente un papel en este momento. Suponemos que la física que funcionó en aquella época es la que conocemos. Quizás fueran unos momentos fríos y hubo que esperar al final de la inflación para calentar el ambiente. 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 aunque la teoría que conocemos la podemos aplicar, y de hecho es la que nos propone argumentos para el inicio, desarrollo y salida del Big Bang, no hay forma de poder comprobar si fue así, si las partículas que conjeturamos en este mundo post expansión son exactamente las que nacieron de la gran energía liberada tras el frenado de dicha expansión, o bien son un producto de nuestro raciocinio apto exclusivamente para nuestros libros. Nosotros vemos, encontramos nuevas partículas gracias a que podemos generar estados de suficiente alta energía como para poder colapsar las masas de estas partículas. Pero nuestra joya es el LHC que llega tan sólo a un poco más allá de diez TeV, 1013 eV, ¡cuando en el momento fundacional nos encontrábamos en la historia de un mundo energético que se movía en el entorno de 1028 eV!

Algo se podrá deducir de esta época por el estudio de la información implícita en el mapa de la radiación de fondo de microondas. La dispersión de las singularidades cuánticas generadas en estas épocas, e incluso anteriores. O la existencia de las primeras ondas gravitactorias creadas por el gran carajal gravitatorio que se vivió en aquellos momentos.

Momento t=10-35 segundos tras el Big Bang: inicio de la fase exponencial expansiva. 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. Con poderes en el orden de diez TeV, nos 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.

Hemos echado un vistazo a cuán real es lo que podemos saber antes de la nucleosíntesis. Realmente empezamos a sentirnos confortables con la historia que vamos a contar. Después…. Después de la nucleosíntesis estamos mucho, pero que mucho más cómodos. La historia es casi real.

El confort es de tal calibre porque tenemos fuertes evidencias de que nuestras teorías son correctas y de que nuestras matemáticas son superpotentes, y por tanto, sus deducciones exactas. Sabemos aplicar la teoría de la relatividad especial de Einstein y las teorías cuánticas a un mundo post inflacionario, que seguía una curva descendente de temperatura. Con estas teorías se llega a predecir, sobre el papel y el cálculo, qué núcleos de elementos químicos y en que proporción se pudieron producir en tal entorno. Por simplificar: 75% hidrógeno/25% helio… lo demás es marginal. La realidad que observamos se ajusta perfectamente a estas previsiones teóricas. 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.

A partir de este momento, con la confianza puesta en que el “cielo” se había aclarado, se había vuelto transparente, y con la confianza de que nuestras teorías funcionan, con la confianza de que la gravedad universal tal como la conocemos mueve de la forma que sabemos a los astros celestes, próximos o lejanos, a velocidades terrestres o relativistas, sabemos que sabemos… o que podemos saber. Podemos experimentar lo que pensamos. 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 permite ver 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,[1] se extiende un mundo confortable para la ciencia. Con lagunas, sí, pero en el que nos sentimos seguros.

Toda esta 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. 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. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 8 } Comentarios

  1. Gravatar Max | 19/02/2017 at 11:35 | Permalink

    Esta si que es una gran aventura , saber como se forma un astro , una galaxia , un planeta . Es de esperar que haya mucha información ; es fascinante , estoy ansioso por la siguiente entrada . Gracias Jreguart por este nuevo e interesante trabajo

  2. Gravatar jreguart | 20/02/2017 at 08:53 | Permalink

    Hola Max,

    aquí vuelvo al ataque de nuevo. Espero que la serie colme tu curiosidad.

  3. Gravatar Kiko | 20/02/2017 at 11:19 | Permalink

    Una serie sobre antes del origen del universo. Me parece fascinante propósito. Te deseo inspirwción.

  4. Gravatar branco T | 21/02/2017 at 12:27 | Permalink

    leí por ahí que el cosmos surgió de una fluctuación cuántica proveniente del vacío cuántico , del cual la materia siempre viene acompañada de antimateria – condición sine qua non – . en tal caso la materia y su contraria comenzaron una colosal aniquilación y que por cada billonada de partículas aniquiladas quedaban algunas de materia rezagadas . esa materia y energía resultantes son las que dieron como resultado este universo . no se si esta información tiene respaldo científico y si sirve de aporte para esta entrada , que por lo que acabo de leer pinta para buena . estaré a la espera de tu respuesta , suerte .

  5. Gravatar jreguart | 21/02/2017 at 10:14 | Permalink

    Hola Kiko,

    realmente mi osadía no es tanta como la que tu esperas. La serie habla del Universo, del nuestro, de su historia, de lo que fue y de cómo creemos que fue a partir de cómo creemos que nació. Así que es la historia de DESPUÉS de su origen. Supongo que es lo que querías comentar. Y sí, gracias por el deseo de inspiración. Al final de la serie veremos a ver que pasa y me comentas tu opinión.

  6. Gravatar jreguart | 21/02/2017 at 10:20 | Permalink

    Hola Branco T,

    efectivamente lo que cuentas es lo que nos parece más probable. ¿Certezas? Ni una. Tenemos capacidad de teorizar sobre ello en base a unas físicas y unas matemáticas muy potentes. Hasta lo que podemos experimentar (con un máximo de 10 a 100 TeV en el LHC) no nos va demasiado mal lo que nos dicen estas teorías. Pero el Universo nació a mucha más alta energía… y allí andamos ciegos. Sólo podemos imaginar y ver si luego esto que imaginamos nos lleva al mundo que vemos sin ninguna contradicción. Ahí entra lo de la fluctuación cuántica inicial. Saldrá en la serie. Como no podía ser de otra manera.

    Y gracias por los buenos deseos de suerte.

  7. Gravatar Albert | 13/05/2017 at 10:31 | Permalink

    ¡Muy interesante!, voy a leerme toda la serie. Gracias por divulgar Ciencia y Tecnología, saludos cordiales.

  8. Gravatar jreguart | 13/05/2017 at 12:19 | Permalink

    Hola Albert,

    encantado de tenerte en nuestra “comunidad” de enamorados del Universo. Espero te siga resultando interesante la serie y que puedas mejorarla con tus comentarios. De verdad que toda aportación nos es muy positiva. Un saludo.

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