Regístrate | Conectar
El Tamiz Libros Recursos Series Únete 5 Users Online
Skip to content

Biografía del Universo 02: Momento cero




t = 10-43 segundos

Tras la introductoria entrada anterior, en la que intenté explicar el contenido y propósito de esta serie titulada “Biografía del Universo”, viene esta de hoy, en la que ya vamos a entrar en materia. Para empezar, me voy a tomar la confianza de repetir uno de los primeros párrafos de la entrada anterior, como recordatorio de algo muy real:

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 un rebote de algo anterior? ¿o surgió exnovo del vacío? Pero, ¿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”.

Es una época de niebla en nuestro conocimiento. No tenemos herramientas teóricas para estudiarlo deduciendo certezas. Ni capacidad técnica para comprobar nuestras deducciones, a pesar de que hay una buena nómina de buenos y serios hombres de ciencia que se fajan a fondo con ello. Quizás alguno de ellos sea de categoría einsteniana y nos descubra el antiguo mundo. Pero, hoy por hoy, no sabemos nada de él.

Breve -y simpático- esquema de los pioneros cerebros pensantes (Imagen: Sergio Torres Arzayús, fair use)

Sabemos que nos estamos apoyando en dos cuerpos de teoría: la relatividad de Einstein y la teoría cuántica de campos, el mundo de lo grande y el de lo pequeño.[1] Al conjuntar lo grande y de energías relativistas con el mundo de lo pequeño y de incertidumbres cuánticas hemos podido calcular un Universo teórico que se expande lleno de materia y energía. Y funciona muy bien -la realidad observable coincide con las previsiones- asegurando unas hipotéticas condiciones iniciales de gran densidad y temperatura. ¿En qué momento? Ni idea, pero esta teoría no chirría.

A decir verdad no sólo funciona teóricamente, sino que, repetimos, también es lo que se observa. En los años 20 del siglo pasado un astrónomo llamado Edwin Hubble se dedicó a estudiar los resultados obtenidos al aplicar técnicas espectroscópicas a la luz que venía de lo que se suponía estrellas de la Vía Láctea. La luz que llega de ellas lleva una impronta, unas bandas características, que depende de los niveles energéticos de las órbitas electrónicas de los átomos que las contienen, y se le conoce como el espectro de emisión.[2] Estas bandas no dejan de ser más que la huella de unos fotones de una determinada longitud de onda, que se han gestado como consecuencia de saltar en un átomo un electrón previamente excitado desde su orbital de mayor energía a uno interior y menos energético. La longitud de onda del fotón emitido en ese proceso se ajusta a la diferencia de energías entre ambos orbitales de acuerdo a la conocida correlación propuesta por Max Planck[3]. Y son características, como una foto, de los elementos químicos que se encuentran en la estrella. Si la estrella en donde se encuentra ese átomo se aleja de nosotros, la longitud de onda del fotón, por el mero hecho de que está cabalgando un espacio en expansión, se “estira” por lo que las bandas características de emisión propias de esta estrella se van a situar sobre el espectro en frecuencias más pequeñas (mayor amplitud de onda) a las que teóricamente le corresponderían, lo que se conoce como “corrimiento al rojo”.[4] Pues bien, Hubble determinó con sus estudios que una gran cantidad de aquellas “estrellas” eran otras galaxias y no estrellas de la Vía Láctea, y que además se alejaban de nosotros, con la circunstancia de que cuanto más alejadas estuvieran lo hacían a mayor velocidad. Lo realmente sorprendente es que no estamos en un lugar privilegiado: todo se aleja de todo.

Eso de que el Universo se expande, que en el fondo es la explicación de que todo se aleje de todo, ya se lo había encontrado Einstein. Alexander Friedmann que había estudiado las ecuaciones de la relatividad simplificándolas para un universo isótropo y homogéneo,[5] llegó a formular la ecuación que sigue (conocida como la primera ecuación de Friedmann) y que sorprendente, para aquellos momentos, el Universo se expandía. Esta ecuación, en el mundo de la Cosmología, es de gran trascendencia ya que describe precisamente la dinámica de esa expansión. En ella, el factor H es la constante de Hubble, que da idea de la velocidad de esa expansión.

que podemos verbalizar como:

el cuadrado de la velocidad de expansión del universo por unidad de longitud

es igual a

una función que depende de su materia y energía (y presión interna), menos otra función que depende de su geometría

Sabido lo anterior, era casi lógico el que se llegara a la siguiente idea: “Entonces, si hay una marcha “adelante” real y las ecuaciones la describen bien siguiendo el sentido de la expansión, teóricamente –OJO, digo teóricamente- podemos conjeturar lo que pasó antes del momento inicial de nuestros cálculos -que no es el momento inicial del Cosmos- haciendo una regresión de los mismos”. De forma que si hacia delante vamos a un volumen cada vez mayor, hacia atrás llegaríamos a una dimensión puntual: todo concentrado en la realidad adimensional de un punto singular.

Pero había problemas. No es solamente que este estado incomode a las matemáticas por añadir un difícilmente manejable infinito, sino también porque a escalas pequeñas -en donde entra la cuántica necesariamente acompañada de la relatividad, dado que los efectos gravitatorios en un mundo de altas energías son inimaginables- vamos a necesitar una teoría gravitatoria cuántica. Y aunque los físicos se han planteado de qué manera se puedan incorporar las ideas de la cuántica a la interacción gravitatoria, aun es el día en que no hay una teoría completa que lo haya conseguido. No tenemos ni idea. Las aproximaciones de las que disponemos no funcionan en todo el rango. Quizás teorías físico-matemáticas más abstractas, como la de cuerdas o la de bucles, arrojen una luz. Pero hoy por hoy, a fuer de ser sinceros, no sabemos conjeturar con seguridad y consistencia lo que pudo suceder en un punto inicial tan pequeño. Que, por otro lado, recuerdo, es simplemente una regresión de tipo matemático de las deducciones de la relatividad al forzar el reverso de la película teórica.

Por tanto, no hay nada que nos asegure la existencia concreta de una singularidad inicial, ningún factor, ni experimental ni matemático. Es una mera especulación muy usada, cuya simplicidad como idea posiblemente ayuda a comprender lo que pudo suceder.

Pero esto no es un freno para los imaginativos teóricos. Ésos que no se arredran al enfrentarse a la sugerente idea de que, en aras de la simplicidad, naturalidad y elegancia,[6] en el límite del inicio todo tuvo que ser un igual. Aquellos que persiguen la esperanza einsteniana de que en el nivel más básico de la realidad hay una ley física universal que compendia todo lo que experimentamos. Y cuyas propuestas se recogen en teorías con nombres tan sugerentes como la de la gran unificación (GUT), o la de la supersimetría (SUSY) o la de cuerdas, que en su aspecto más integrado se la conoce como la teoría M. O aún algo más sofisticado como es la teoría de la gravedad cuántica de bucles.[7] Estas dos últimas teorías parecen conciliar la coexistencia de la cuántica con la gravedad, que aseguraría la confluencia energética de tres de las cuatro fuerzas fundamentales que conocemos hoy en día, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. E incluso la gravitatoria.[8]

Como imaginar es fácil me permito visualizar -pura figuración- los inicios a partir de esas nieblas, comenzando la historia en un mundo de burbujas infinitesimales, en un estado del espacio(tiempo)[9] de consistencia espumosa, unas inestabilidades provocadas por la incertidumbre cuántica. Puede que cada una de estas burbujas cuánticas fuera una estación de tránsito cuasi puntual a donde había llegado un universo anterior. No lo sabemos, pero es un aceptable comienzo que no contraviene a nuestras teorías y experiencias. Admitamos, por tanto, como hipótesis de partida la existencia de un tejido espacio/temporal compuesto por un entramado de elementales cuantos “ordenados” por dimensiones -cuatro, once, veintiséis…-, que están vacíos -los especialistas se refieren al vacío como el estado más estable de mínima energía cuando no hay partículas físicas presentes- y sometido a las realidades ineludibles de la física cuántica. La cual nos dice que a partir de este vacío es posible que se genere energía de la nada, incluso grandes cantidades, siempre y cuando exista durante una fracción de tiempo lo suficientemente corta como para que no se viole el principio de incertidumbre de Heisenberg. Técnicamente, al medir simultáneamente ciertos pares de variables conjugadas, si necesitamos apurar mucho con la precisión de la medida de una de ellas, irremediablemente veremos que se nos impone el poder ser muy laxos en la precisión de la medida de la otra, ya que el producto de ambas precisiones debe ser mayor o igual que un valor que descifró Planck, su constante ħ, del orden de 10-15 electrón-voltios por cada segundo. Uno de estos pares conjugados son la posición y el momento lineal. Otro, como hemos dicho, lo forman la energía y el tiempo. Que como ecuación matemática queda como sigue:

mΔv x Δx ≥ ħ   ΔE x Δt ≥ ħ [10]

La incertidumbre nos asegura que tanto la energía como el tiempo durante el que esta energía es real no puedan medirse simultáneamente con una precisión arbitraria. Es decir, que a escala microscópica, si precisamos con gran exactitud el valor del tiempo no nos quedará más remedio que admitir una gran campo de desviación en la exactitud de la medida de la energía. Lo que nos deja un buen abanico de posibilidades, con su mayor o menor probabilidad, para que aparezca “mágicamente” de la nada una gran cantidad de energía… que va a durar en la existencia menos que un mini suspiro. Diremos que la “energía mágica” que aparece puede concretarse en masa o momento de pares de partículas evanescentes. Energía potencial más energía cinética. Tras el periodo de tiempo que encaje según la anterior ecuación de Heisenberg con la cantidad de energía nacida, ésta vuelve a ser recogida por el campo emisor que vuelve a su vacío desapareciendo las partículas.[11] Pero ojo… si hay algo que proporcione por fuera la energía cedida por el vacío cuántico al par de partículas virtuales generadas, y ese algo retorna la energía prestada al vacío, las partículas virtuales conseguirán concretarse como reales.[12]

Juguemos un poco con los números. En el mundo de Planck, cuyas magnitudes introdujimos someramente en la entrada anterior, se nos sugiere una energía del orden de los 1028 eV. Así que calculemos: la teoría nos insinúa que en un espacio/tiempo vacío de energía, si hay que desarrollar este mundo minúsculo, que se asimila al más primigenio de 1028 eV, según el principio de incertidumbre (ecuación anterior) tendríamos de tiempo tan sólo la constante de Planck, 10-15 eV por cada segundo, dividida por esa incertidumbre en la energía, del orden de 1028 eV. Lo cual nos dice que podríamos obtener esta energía durante un tiempo acotado por una incertidumbre de magnitud alrededor de los 10-43 segundos -similar al tiempo de Planck- para darnos prisa y hacer el trabajo. Si además el mundo está expandiéndose a una velocidad tal que los pares de partículas “virtuales” que materializan esta energía se separan tan rápido que no vuelven a interactuar entre ellas y desaparecer, tendríamos un mundo en marcha.[13] Y una ¿casualidad? más: si ponemos a la luz a correr a su inmutable velocidad de 300.000 kilómetros por segundo durante este tiempo de Planck, recorrería una distancia igual a la longitud de Planck. Curioso. ¿Es que la teoría nos está intentando sugerir que el universo está íntimamente constituido por unos parámetros que indican que para el tejido del espacio-tiempo no haya tamaño más pequeño que la longitud de Planck?

La dimensión del cuanto del espacio se puede calcular teóricamente. Para poderlo medir habría que depositar algo ahí, en el cuanto, una partícula que pueda ser observable. Tiene que haber algo allí que “veamos” y nos permita “ver”. Pero como el cuanto se supone muy pequeño, la partícula cuántica estará súper localizada y, por tanto, moviéndose a gran velocidad. De nuevo el principio de incertidumbre. Lo que es igual a que tendrá una altísima energía. Lo que es igual a deformación del espacio/tiempo brutal ¡la partícula desaparecerá en un agujero negro! Y si desaparece la partícula ya no tendremos nada con lo que medir el cuanto espacial. En resumen, no podemos medir regiones arbitrariamente pequeñas de espacio porque este desaparece en agujeros negros. Tiene que haber un mínimo. Bajo esas premisas y tras un cálculo adecuado, se llega a la conclusión de que la dimensión del mínimo cuanto de espacio(tiempo) sobre el que no desaparece la partícula coincide con la distancia de Planck.[14]

¡Un espacio-tiempo cuantificado! Como lo afirman los teóricos de la gravedad cuántica: el espacio es genuinamente granular a pequeña escala, cuantos de gravedad unidos en bucles, reverberantes con los otros campos cuánticos, y que no están en el espacio porque ellos son el mismo espacio. ¿Uno de esos cuantos como semilla del Big Bang?

La idea de un espacio(tiempo) inicial cuantificado nos permite seguir motivando a nuestra imaginación. Uno de los pensamientos que surgen nos lleva a la idea de que si el cuanto mínimo de tiempo es el de Planck de 10-43 segundos, realmente nunca hubo un tiempo de valor cero para nuestro universo. Luego… no busquemos qué fue lo que pasó en t=0, lo cual incluso satisface a muchos, ya que entonces no habría una singularidad inicial que invalide las ecuaciones de la Relatividad.[15]

Otra idea que se nos ocurre se deriva del hecho de que en cualquiera de los minúsculos cuantos planckianos que podían conformar el espacio(tiempo) inicial se producirían continuamente inestabilidades, durante las que aparecían y desaparecían partículas virtuales. Al ser la zona espacio/temporal donde eso pasaba tan pequeña, la energía de movimiento de dichas partícula sería muy grande: a espacio más confinado, velocidad -energía de movimiento- más elevada. Lo cual no deja de ser un reflejo más de un nuevo enlace de incertidumbres, ahora entre otras dos variables conjugadas como son la posición y el momento lineal de las partículas. Mucha energía que, si recordamos lo que nos dijo Albert Einstein, mantendría un tejido del espacio/tiempo altamente deformado… lo cual es la base de la interacción gravitatoria. Es decir, la gravedad tuvo que existir independiente ya desde el mismo momento inicial. Sin contravenir a las teorías GUT de unificación de fuerzas.[16] [17]

La gravedad es una fuerza atractiva y universal. Para no sentir su efecto teóricamente nos tendríamos que desplazar hasta el infinito, alejados del origen de masas gravitatorias. Si queremos desplazar un objeto con masa -por ejemplo, una piedra- desde cualquier punto también con masa -por ejemplo, la superficie de la Tierra- hasta el infinito, tendremos que aportar energía al sistema para luchar contra el potencial gravitatorio conteniendo a su fuerza atractiva. Realmente estamos llevando a la piedra a un punto de mayor potencial gravitatorio. Pero si abandonamos a la piedra, esta iniciará una caída libre hacia la masa de atracción gravitatoria -la Tierra-, acelerándose a medida que transita por el campo gravitatorio desde valores altos de éste hacia valores bajos, mientras incrementa progresivamente su energía cinética: la variación en el potencial del campo gravitatorio se ha transformado en energía (cinética) para la piedra. Realmente está sucediendo algo así como que la gravedad está devolviendo a la piedra, en forma de velocidad, la energía que le habíamos cedido al llevarla al infinito. Vemos entonces que la normal acción atractiva de la gravedad, gracias a su potencial, hace que ese campo se comporte realmente como una ilimitada fuente de energía gratuita.

Sabido lo anterior volvamos al principio de la vida del Universo tras la excursión de inestabilidad cuántica inicial. Ya sabemos que desde los momentos inaugurales la potente gravedad de aquellos momentos interactuaba con la energía -materia- surgida del vacío y que en esos tiempos iniciales el Universo se expandía y, por tanto, todo se separaba. También acabamos de decir que en su normal trabajo la gravedad se comporta como una fuente infinita de energía. ¿y si el incremento de la energía del propio sistema universo fuera debido al trasiego de energía cedida por el campo gravitatorio de forma que se compensaran? ¿qué hubiera pasado si esa disminución de energía en su campo fuera igual al incremento de la masa equivalente a aquella energía inicial que surgió robada del vacío cuántico? Que esta fugaz energía inicial pudo haberse visto contenida en el tiempo gracias a la acción de la gravedad que indujo. Una por otra… promedio cero.

Lo que razonablemente nos permite hacer la siguiente hipótesis: el cuanto constituyente del tejido básico del espacio(tiempo) universal se vio sometido a un “destello” de energía que lo expandió y deformó, permitiendo la gravedad asociada el que esa energía permaneciera en el tiempo. Ese es el “alguien externo”, banquero de energía, al que nos habíamos referido unos párrafos antes. Con ello se había creado nuestro eje de coordenadas temporal.

energía cuántica fundacional + (-energía gravitatoria) = cero:

una posible explicación del inicio de todo

Otra forma de decir lo mismo la he encontrado en las palabras del profesor Leopoldo Infante que dijo: “… si la densidad de energía en el universo es justo la necesaria para que éste se expanda a una velocidad constante [universo plano], entonces la energía [decreciente] asociada a ese movimiento es igual a la energía [creciente] asociada a las distancias entre las partículas. Dicho de otra forma, la energía cinética es igual a la energía potencial. Ahora bien, como la energía de un sistema material es la suma de estas dos energías, entonces la energía total debe ser exactamente cero. En otras palabras, el universo nace de la nada y no hay que hacer para crear un universo”.[18]

De hecho, se cree que en el punto temporal de un segundo la energía cinética del impulso de expansión y el potencial gravitatorio tuvieron que haber diferido en menos de una parte en 1015 para conseguir un universo plano.[19]

Con eso no digo que éste fuera el inicio de la historia, sino que esto es lo que nos sugiere una posible matemática que desarrolla los mundos de la relatividad y la cuántica. Todo pudo surgir en un cuanto del espacio, tras una de las infinitas fluctuaciones cuánticas que se deben suceder en este espacio(tiempo): un robo al vacío de un campo desconocido, por el que surge mucha energía en un corto espacio de tiempo. Si el cuanto del espacio(tiempo) escenario del suceso está en un proceso de expansión, es posible que el suceso sea irreversible. Y si hay alguien que está dispuesta a ayudar, como veremos que lo hace la gravedad… miel sobre hojuelas.

Esta “función de circo” cósmica es el punto de partida en las teorías más sólidas de la evolución del Universo. Aunque no me canso de insistir que el hecho de que sean sólidas, y que lo que digan se ajuste a la realidad observada, no las hacen más reales: seguirán siendo conjeturas mientras la realidad de los inicios permanezca escondida en la niebla del desconocimiento humano. Esto puede querer decir que quizás el tiempo, como tal lo imaginamos, no existía en aquellos ¿momentos? O puede querer decir que tal vez la confiable física que manejamos no era aplicable en aquella “esfera” mínima y deformada de espacio/tiempo. Y quién sabe si realmente aquel momento fue súper energético o súper denso. O si fue el inicio o simplemente la continuación de algo. No lo sabemos. Nos intriga el desconocimiento, pero no nos desazona. Muchas de nuestras conjeturas las hemos podido comprobar como reales en el mundo frío y poco denso, casi vacío, en el que vivimos. Conjeturas y teoría en el tiempo t=10-43 segundos. A partir de ahí, el amoldar esta teoría con la realidad parece exigirnos, como veremos en otra entrada, un episodio de una gran expansión del tejido espacio/tiempo. Más rápida que la velocidad de la luz. Al final de la cual se creó la materia y la radiación.

La senda de expansión de nuestro Universo (Imagen: Andrei Linde, fair use)

La imagen anterior, extraída de una conferencia del prestigioso cosmólogo Andrei Lynde, nos permite apercibir de un solo vistazo los escenarios que dibuja la teoría que analizaremos con un poco más de detalle en una entrada posterior. Como vemos, según él, todo habría podido surgir a partir de una espuma espacial, espuma de burbujas en las que se habría condensado la estabilidad.

O como asegura el no menos prestigioso físico Michio Kaku especialista de la teoría de campo de cuerdas: “La teoría de Einstein dice que el universo es una especie de burbuja y que la burbuja se está expandiendo. Esto es la teoría del Big Bang. Pero la teoría de cuerdas dice que nuestra burbuja es solo una burbuja en un baño de burbujas más grande de universos. Cuando una burbuja se divide para crear dos burbujas bebé, o cuando chocan y forman una burbuja más grande, se origina el Big Bang. Entonces, la teoría de cuerdas reemplaza al Big Bang con un baño de burbujas de universos en colisión y división.”[20] Así que quedémonos con esa imagen fundacional que nos propone el hecho de que durante un cortísimo espacio temporal inicial una o varias burbujas se fueron uniendo para encontrarse inmersas en un entorno que sigue en expansión.

Así que quedémonos con esa imagen fundacional que nos propone el hecho de que durante un cortísimo espacio temporal inicial una o varias burbujas se fueron uniendo para encontrarse inmersas en un entorno que aún hoy sigue en expansión. Entremedias llegó el momento en el que la inflación empezó a acelerarse siguiendo una excursión exponencial y que finalizó produciendo un Universo caliente y expansivo. Esta expansión, que ya no inflación, continuó después mucho más ralentizada. Y hasta nuestros días. De todas formas, la imaginación es adictiva y nos encontramos con teorías que dibujan otros escenarios los cuales se van configurando según sea la cantidad de energía en juego y la curvatura espacial. Escenarios que se mueven desde el que postula que un exceso de gravedad colapsaría relativamente pronto el proceso de creación de un universo, hasta el contrario que dejaría al tejido espacio/tiempo como una tenue niebla vacía y congelada. Todo ello se explica con mayor detalle en la miniserie hermana de esta, “El destino del Universo“.

En la siguiente entrada no iremos tan allá, tan sólo intentaremos seguir nuestra recién estrenada historia para entrar en los laberintos del periodo de inflación que llevó al calentamiento del Universo.

  1. Tengo que aclarar aquí un tema. Ya es conocido cómo la relatividad tiene dos cuerpos de teoría: la especial y la general. La especial surgió como resultado del estudio del movimiento de los cuerpos sometidos a las ecuaciones del electromagnetismo de Maxwell, y no tenía nada que ver con la gravedad. Cosa de la que hasta el propio Einstein fue consciente, pues no en vano se puso a pensar hasta que encontró su teoría de la relatividad general, que sí se trata de una teoría gravitatoria. La gracia está en que la primera parte sí podía ser estudiada usando la forma de pensar cuántica de la física, mientras que la segunda, al ser una extensión de la física clásica, no. De ahí la dificultad de incorporar la visión gravitatoria a la visión cuántica, que trabaja un mundo en que la gravedad pudiera ser irrelevante. []
  2. Para más información sobre espectros de la luz y demás, podéis avanzar hasta la entrada 23. []
  3. La longitud de onda es proporcional a la constante de Planck dividida por la energía. []
  4. Para más información podéis consultar esta entrada de otra serie también publicada en El Cedazo “El Universo- La corta historia de la fascinación por algo tan grande”. []
  5. Un universo es isótropo -uniforme- si desde un punto de observación, mires en la dirección que mires, siempre observas lo mismo; mientras que un universo es homogéneo si a lo largo de una dirección de visión no se observa diferencias apreciables. []
  6. En el moderno mundo de la física teórica, en donde las ideas calculadas van por delante de las ideas experimentadas, los físicos no disponen de datos suficientes como para basar sus teorías, confiando en su defecto a principios “bellos” -es su terminología- como los que he presentado: simetría, simplicidad, naturalidad y elegancia. El olfato profesional nacido de la experiencia acumulada al detectar estas sutilezas, se ha manifestado muchas veces como buena bitácora para marcar un rumbo de éxito. []
  7. La gravedad cuántica de bucles o Loop Quantum Gravityes una teoría que busca comprender la naturaleza elemental del tejido espacio-tiempo suponiendo que, a escala de Planck, dicho espacio-tiempo no es continuo, sino que consiste en una red de nodos y líneas de unión, bautizada como de spin, en la que se configuran unos bucles que se entrelazan entre ellos en una malla infinita. La unidad elemental del espacio-tiempo serían unos lazos entretejidos en una especie de espuma cuántica. Todas las nociones espaciales van a aparecer de la red de espines. []
  8. En cuanto a la unificación de las fuerzas hay opiniones acerca de la existencia de una “metaley” en la base de toda realidad que pudiera desarrollarse de forma darwiniana, de forma diferente en cada universo específico, de acuerdo con las condiciones particulares nacidas en su particular big bang, de forma que nos encontraríamos con una especie de circunstancias “genéticas” y otras “epigenéticas”. Según fueran los parámetros que condicionan su expansión y estructura -como puedan ser la intensidad de las fluctuaciones cuánticas durante la inflación, el valor de la energía del inflatón, el valor de la constante crítica de la materia/energía, la intensidad de las fuerzas físicas resultantes…- la cascada de cambios de estado en cada universo serían distintas. Como dice Martin Rees en su libro “Nuestro hábitat cósmico”, capitulo 11, “Lo que llamamos leyes de la naturaleza gobiernan todo el dominio que observamos, pero… a mayor escala pueden ser reglas locales consistentes con alguna teoría general que rija el conjunto, pero que no estén fijadas únicamente por dicha teoría.” []
  9. Aviso: en esta entrada que introduce el concepto de cuanto de espacio-tiempo prefiero anotarlo como espacio(tiempo) cuando hablo en concreto de cuanto. Lo que quiere manifestar que el cuanto es del espacio de cuyas interacciones surge el tiempo. En el resto de la serie seguiré usando el concepto einsteniano de espacio-tiempo. []
  10. El principio de incertidumbre se aplica a todas las cosas, tanto a los electrones como a los árboles. Pero ¿por qué no advertimos el principio de incertidumbre en la vida cotidiana? La clave para la respuesta a esta aparente incongruencia está en la masa que aparece en la fórmula [mΔv x Δx ≥ ħ] y en la pequeñez de la constante de Planck. En el caso del electrón su pequeña masa apenas compensa el pequeño valor de la constante ħ. Pero la masa del árbol es enorme comparada con la constante de Planck lo que hace que las incertidumbres combinadas de Δv y Δx puedan ser bastante pequeñas. []
  11. El proceso espontáneo de creación de una pareja electrón-positrón dura un tiempo increíblemente corto. Podemos calcularlo a partir de la ecuación del principio de incertidumbre. En el caso del electrón su masa es de 9.11·10-31 kg. Por tanto

    Así pues, una pareja electrón-positrón puede aparecer y desaparecer espontáneamente sin violar ninguna ley física, siempre que su existencia dure menos de 3,22 x 10-22 s. En este tiempo habrán recorrido a la velocidad de la luz 10-13 metros. Para partículas con mayor masa el tiempo será menor. Por ejemplo, el protón tiene aproximadamente 2.000 veces más masa que el electrón, por lo que las parejas protón-antiprotón pueden aparecer de la nada siempre que desaparezcan en un tiempo 2.000 veces menor que el anterior calculado para la pareja electrón-positrón. []

  12. Aporto aquí las palabras del físico teórico Lawrence M. Krauss extraídas de su libro “Un Universo de la nada”: “La conclusión es evidente: la gravedad cuántica no solo parece permitir que se creen universos a partir de nada —‌en referencia, en este caso, insisto, a la ausencia de espacio y tiempo—, sino que puede requerirlo así. Así, la «Nada» —‌en este caso, la ausencia de espacio, de tiempo, de todo: la «nada de nada»— es inestable”. [Ediciones Pasado y Presente, formato digital Kindle, p. 195]. []
  13. Para asegurar que el universo permanezca homogéneo se requiere que las velocidades iniciales de los fluidos tomen valores muy precisos. Si las velocidades iniciales son ligeramente demasiado pequeñas, el universo vuelve a colapsar en una fracción de segundo. Si son un poco demasiado grandes, el universo se expande demasiado rápido y rápidamente se vuelve casi vacío. []
  14. La realidad no es lo que parece”, páginas 137-138, Carlo Rovelli. []
  15. “…los cuantos de gravedad [cuantos del espacio] no evolucionan en el tiempo. Es el tiempo el que nace como consecuencia de sus interacciones… El tiempo, como el espacio, surge del campo gravitatorio cuántico.” Del libro “La realidad no es lo que parece”, página 159, Carlo Rovelli. Y en la página 164: “Las cosas cambian solamente unas con respecto a otras. A nivel fundamental, el tiempo no existe. La impresión del tiempo que discurre es sólo una aproximación que únicamente vale a nuestra escala macroscópica, y que se deriva del hecho de que observamos el mundo a grandes rasgos.” []
  16. En otra entrada veremos qué es eso de la GUT []
  17. No la conocemos, pero se teoriza con la partícula gravitón como la responsable de las interacciones gravitatorias. En el artículoThe Challenge of Ruling Out Inflation via the Primordial Graviton Background” de Sunny Vagnozzi y Abraham Loeb, The Astrophysical Journal Letters noviembre 2022, se propone la hipótesis de que por encima de la escala de Planck, pudieron aparecer cuatro partículas, de las que dos de ellas serían gravitones, cuyas interacciones puntuales mantuvieron en el plasma primordial a esos últimos en equilibrio térmico, es decir, el ritmo de los que iban apareciendo se igualaba con el de los que se iban aniquilando. Esa familia de partículas constituiría un fondo conocido como el fondo cósmico de gravitones que, si más tarde no se hubieran encontrado con la inflación exponencial, ahora los encontraríamos a temperaturas de unos 0,9 K, pero que, bajo la hipótesis de inflación exponencial, un Big Bang caliente, creemos que su temperatura es inferior a los 50 μK. Si lográramos encontrarlos, cosa que con las tecnologías actuales es harto difícil, se colocarían al lado de otros fondos cósmicos como el de neutrinos o el de fotones, como otro de los grandes transportadores de información primordial. De ellos se hablará más adelante en esta serie. []
  18. [https://www.emol.com/especiales/2014/tecnologia/columnas-astronomia/6-enero.asp] []
  19. Martin Rees. “Nuestro hábitat cósmico“, capítulo 9, “Cómo empezaron las cosas”. []
  20. Entrevista publicada en el periódico El Mundo, 12 de junio de 2022. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 11 } Comentarios

  1. Gravatar Bram | 05/03/2017 at 03:36 | Permalink

    Es posible inferir que desde ese vacío cuántico con inconmensurable energía no sólo emergiera nuestro cosmos , sino otros también? . Me confunde lo siguiente : en este universo y en cualquier punto de él se accede al vacío cuántico desde donde surgen las partículas virtuales como otras tantas cosas raras . Estamos hablando del mismo vacío desde del que surgió nuestro cosmos? . Tiene sentido lo que leí por ahí ; que este universo es algo así como un préstamo del vacío cuántico a nivel de energía? . Esperando tu respuesta y muy agradecido con este interesante y apasionante tema que abordas. No había encontrado en la red a alguien que lo disfrute relatando tanto y se preocupe de hacerlo fácil para los legos en el tema como yo . Gracias

  2. Gravatar jreguart | 05/03/2017 at 06:18 | Permalink

    Hola Bram,

    lo primero agradecer tus palabras sobre mi trabajo. La verdad es que para mi siempre ha sido un gustazo el intentar entender estos temas. Parte del proceso de comprensión personal pasa por escribirlo.. y aquí se produce la segunda derivada de mi disfrute. Y si algún lector queda enganchado al tema por mis palabras… triple satisfacción. Vamos ahora a lo difícil: el vacío.

    Sería muy fácil el decir. El vacío es el vacío… no hay más. Ya sé que lo definido no debe entrar en la definición, pero a lo mejor lo entenderíamos mejor si al “vacío estado” -eso de la cuántica- le hubiéramos llamado de otra manera y no de la misma manera que al vacío “objeto” -¡cielos, no hay nada!-. Quizás eso sea lo que confunda y que la evolución -una vez más aparece la evolución- nos haya hecho usando las piezas que había por ahí -materia, energía y leyes fundamentales- y que ensambladas sencillamente hicieron algo que encajara y fuera sostenible. Por lo que algunas cosas, como eso del vacío “estado”, cuya existencia -si es que existe- no precisamos para vivir nos sea de difícil entendimiento (ni falta que nos hace para vivir). Y lo mismo que digo el vacío “estado” digo el tejemaneje de probabilidades y posibilidades que parece ser el mundo cuántico. Para vivir nos basta con entender el vacío perceptivo, el hueco, el tridimensional, a veces ausente de materia y energía.

    El vacío “estado” es en dónde (no me gusta decir eso de “dónde” ya que parece que el vacío es un sitio) creemos que pueden existir unos fantasmagóricos “campos” -¿qué es un campo sino una ficción matemática que parece tener su respuesta en el mundo físico?- y de dónde creemos emergen ciertas cosas -básicamente algo que llamamos energía-, no es un espacio con sus dimensiones, ni siquiera un espacio de dimensiones cero. Es “algo” -olvídate “ser cuatridimensional” de querer imaginarlo- en donde existe la posibilidad de funcionar unas cuantas leyes, posiblemente una sola de la que no tenemos ni idea… aunque a los niveles de energía en que nos movemos y en donde la evolución nos hizo, la vemos como pasada por “un especial prisma de Newton” que nos hace percibir un espectro de cuatro fuerzas fundamentales. Desde la gravedad a las dos nucleares, pasando por el electromagnetismo. La naturaleza del vacío “estado” es cuántica… al menos es lo que creemos hoy en día. Y esa naturaleza es lo que permite que del vacío “estado” se engendre energía y que sus campos consustanciales la transformen en la física ordinaria que observamos y usamos de forma automática en nuestro vivir.

    Con lo dicho puedes pensar que el vacío es “algo”. Pues SI. Es un estado de la realidad como lo es la misma realidad que observamos como espacio-tiempo relleno de energía. Un estado cero y un estado uno, que interaccionan entre sí ¡Lo estamos observando! El que nuestra “escala” de la física humana no sea capaz de imaginarlo, el que nuestras neuronas no lo interpreten, no tiene la más mínima importancia ¡cosas de la pragmática y eficaz evolución! Te preguntas: “¿Estamos hablando del mismo vacío desde del que surgió nuestro cosmos?” Puede que ya te puedas dar una respuesta: el vacío ni es el mismo ni es distinto, aunque le he llamado “estado” por aclarar nuestro razonamiento, no es un objeto al uso. Es un estado de la realidad. Estás vivo o estás muerto. ¿Pero qué es estar vivo sino la idea abstracta que nos hemos inventado para definir una serie de realidades físico-químicas y de comportamiento? Pero una idea que nos funciona. Y el ente abstracto “vacío cuántico” también nos funciona.

    Bueno, quizás después de leer lo de arriba hayas llegado a la conclusión de que no sólo es una locura eso de la cuántica sino que también Jreguart haría bien en ir al psiquiatra. De verdad que la clave de nuestra incomprensión, o incapacidad de comprender, está en la Evolución -con mayúsculas- que nos ha hecho. No le busquemos los tres pies al gato porque no estamos fabricados para tener éxito en este intento. Iremos hablando más de la incertidumbre cuántica en las próximas entradas de la serie, tras lo que espero te ayude a tomar la necesaria distancia a la hora de intentar comprender.

  3. Gravatar Franco | 05/03/2017 at 11:04 | Permalink

    Que temazo y que valiente jreguart , bram pregunta si desde este mismo vacío es que los físicos coquetean con la idea de la formación de otros universos? Considerando la colosal energía de la cual dispone y el mecanismo de formación del nuestro , por qué no ? Que crees ?. Felicitaciones , como siempre muy buen trabajo.

  4. Gravatar jreguart | 06/03/2017 at 08:43 | Permalink

    Hola Franco,

    es verdad que Bram me preguntaba sobre lo que tu dices. Cualquiera de los cosmólogos teóricos de hoy en día admiten la posibilidad de lo que tu dices: ¿Por qué si ha podido generarse nuestro Universo a través de un proceso físico cuántico, va a ser el único? Parece lógico pensar que esto ha tenido que suceder muchas veces. En donde discrepan es en la forma en que se producen las excursiones desde el vacío. Toda la teoría sobre los multiversos, desde universos dentro del nuestro pero más allá de nuestro horizonte de observación, a universos hermanos dentro de una espuma de universos, a universos racimos… originados por inestabilidades cuánticas, por choque entre branas,… Lo que la imaginación, la física que conocemos y la teórica matemática nos permitan. La verdad es que no me subyuga demasiado el tema por eso, por lo teórico que es. Tengo más que suficiente para quedar con la boca abierta al intentar entender mi Universo.

    Y gracias por tus palabras.

  5. Gravatar Bastian | 07/03/2017 at 02:43 | Permalink

    “un robo al vacío de un campo desconocido, por el que surge mucha energía en un corto espacio de tiempo” se parece a lo que sucede cuando un neutrón se convierte en un protón y para que ello ocurra un cuark down del neutrón cambia de sabor y se convierte en un cuark Up , para ello el cuark down emite un boson w de la interacción débil el cual tiene una masa 20 mil veces más grande que este mismo cuark down que lo emitió y todo esto en 10-25 segundos . De donde sale esta descomunal masa? , vacío cuántico? Y Nótese que aplica perfectamente al principio de indeterminación de heisenberg que también reza que es inversamente proporcional la cantidad de energía con el tiempo que dura uno de estos eventos . Quiere esto decir que a tiempos infinitamente cortos se pueden desplegar cantidades colosales de energía ergo materia ergo un universo ?. cuando leí esta entrada – muy interesante por lo demás – recordé el tema este de los nucleones y su conversión y no se si realmente aplica al tema tratado acá del nacimiento del universo y el origen de la energía y la materia .

  6. Gravatar jreguart | 07/03/2017 at 08:25 | Permalink

    Hola Bastian,

    es el mismo proceso físico de fondo que el que tu explicas tan bien para los nucleones. No sólo en el paso de protón a neutron y viceversa gracias a la interacción fuerte marginal, sino para la que mantiene a tres quarks formando un nucleón. Y para otras muchas cosas. Recuerda que estos “nacimientos” desde el vacío por inestabilidades permitidas en la incertidumbre son la base del efecto Casimir y que es el día a día de cualquier campo cuántico en todos sus puntos. Estamos rodeados de “virtualidades” y parece que una en expansión se concretó en un Universo. En la serie saldrá esta realidad bastantes veces como artista principal o como telonera.

    Y gracias por tus palabras. Espero seguir contando con tus aportaciones.

  7. Gravatar nahuel | 12/03/2017 at 10:41 | Permalink

    lo que me cuesta entender es como el higgs le dio masa a las partículas . me explico , ¿el electrón por ejemplo existía virtualmente y el campo de higgs le entregó masa ? . lo interesante es pensar que sin la acción del mentado campo no estaríamos aquí ni en sueños.

  8. Gravatar jreguart | 13/03/2017 at 08:49 | Permalink

    Hola Nauhuel,

    más o menos es lo que tu dices. Lo veremos con un poco más de detalle en una entrada que aún está por venir de la serie. La teoría dice que se necesita la interacción del campo de Higgs con los campos de las partículas elementales para conferirles esta característica que llamamos masa. En los momentos en que el universo tenía una energía media por encima de la condensación del bosón de Higgs, unos 125 GeV, no es correcto pensar que las partículas fueran sólo del tipo virtual como me parece que piensas (la masa no es lo que las hace virtuales o no. El fotón no tiene masa y pude ser realísimo). Lo que no tenían era masa y eran indistinguibles muchas de ellas. Por ejemplo, los bosones intermediadores de la fuerza electrodébil -electromagnetismo/fotones y nuclear débil/bosones W y Z- eran iguales, por lo que no había aún manera de que ambos campos de fuerzas hicieran con las partículas exactamente lo que vemos que hacen… cosas fundamentales para la forma de ser de nuestro mundo.

  9. Gravatar yang | 14/03/2017 at 02:34 | Permalink

    la masa curva el espacio , antes de que el campo de higgs le diera masa a las partículas había solo energía , significa ello que no había curvatura espacio-temporal al no existir masa y por tanto gravedad ?. y si no existía partículas materiales en movimiento no existía el calor ni el tiempo?. antes de seguir leyendo las siguientes entradas me puedes ayudar a resolver estas dudas ya que me apasiona este tema y tu tienes el talento de explicarlas con fluidez.

  10. Gravatar jreguart | 14/03/2017 at 09:04 | Permalink

    Hola Yang,

    creo que es más sencillo. Al menos por lo que pensamos que sabemos. El espacio-tiempo se deforma según la distribución de energía en él (A efectos relativistas de las ecuaciones de Einstein, Energía = no tan sólo la propia energía, sino también la masa y la presión interna del sistema). Luego desde los inicios del Universo, y debido a su energía, su tejido espacio-temporal estaba deformado y por tanto la gravedad estaba allí. Quizás no había masas -aunque sí energías- para “caer” por esas deformaciones, pero la gravedad, el campo gravitatorio, SÍ estaba presente. De hecho creemos que fue lo que justificó el dilema de cómo la energía del vacío no volvió otra vez ahí, anulándose y dejándonos sin lo que observamos.

    Comentas “no había partículas materiales”, lo cual no es correcto. Había partículas, eran materiales entendiendo materia como distinto a energía (aunque en el fondo sea otra cara de la moneda de esta última), pero no tenían masa… algo parecido a un fotón o un gluón: partículas sin masa y que, por tanto, se desplazarían a velocidades relativistas próximas o iguales a la de la luz. Eso les pasaría a las partículas habituales de nuestro entorno. Hay que pensar que además de la interacción con el campo de Higgs pueden haber otros mecanismos que inducen masa en las partículas. Higgs sólo es el responsable para quarks, electrones, muones, tauones -quizás los neutrinos- y los bosnes de la interacción débil. Por eso podemos hablar de la existencia de partículas masivas exóticas -no afectadas por el campo de Higgs y sí por otro tipo de interacción desconocida- en aquellos momentos que además tendrían una componente masiva importante relacionada con su cantidad de movimiento (Según Einstein la energía de una partícula cumple Eexp2=(m.cexp2)exp2 + (m.v.c)exp2, [la primera "m" sería la masa "que pesa" -la de la popular y conocida ecuación de Einstein, la masa en reposo- y la segunda "m" la masa "que empuja" -la implícita en la cantidad de movimiento, la energía de movimiento-] siendo m.v la cantidad de movimiento de la partícula).

    Luego SÍ existían partículas materiales en movimiento -sin masa-, SÍ existía calor (seguro que te refieres a la temperatura que no deja de ser más que una manifestación de la energía o, visto de otra manera, de la velocidad de las partículas) y SÍ existía el tiempo que había comenzado en el mismo momento en que se gestó el Universo. Sin tiempo no hay Universo como lo entendemos (el sustrato identitario del Universo es precisamente el espacio-tiempo, cuatro dimensiones íntimamente imbricadas e intercambiables).

    Espero haberte aclarado alguna duda. Seguimos en contacto.

  11. Gravatar bastian | 14/03/2017 at 02:59 | Permalink

    yang . la presión de radiación en las estrellas para lograr el equilibrio hidrostático es una demostración de que la energía ejerce una fuerza en este caso contraria a la gravedad .

Escribe un comentario

Tu dirección de correo no es mostrada. Los campos requeridos están marcados *

Al escribir un comentario aquí nos otorgas el permiso irrevocable de reproducir tus palabras y tu nombre/sitio web como atribución.