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El destino del Universo 6: ¿Inevitable?




La entrada anterior de esta miniserie la acabamos con esta frase: “Creciente soledad, aislamiento y vuelta a las esencias más elementales. Eso será el paisaje mientras avanzamos hacia el año 1025 , momento en que la materia oscura de los halos galácticos ya es solo dominio de enanas blancas y se va oyendo el progresivo rugido de los agujeros negros. Nos abocamos a momentos de una total e inevitable descomposición.” Nuestro personaje está embarcado en un crucero inexorable hacia su dilución ¿Inevitable? Hoy toca filosofar un poco.

La eterna inquietud ante el misterio de qué es lo que hay afuera. El pie de la ilustración reza: “Un misionero medieval cuenta que había encontrado el lugar en el que el cielo y la Tierra se tocan”. El grabado Flammarion es una famosa ilustración aparecida en el libro de Camille Flammarion “L’Atmosphere: Météorologie Populaire” (París, 1888) en su página 163 (Imagen: dominio público)

Quizás la inevitabilidad sea una mera conclusión extraída de un conocimiento parcial e incompleto del mundo, quizás el mundo sea de otra manera distinta a como lo percibimos. Quizás solo percibamos lo que realmente haya sido preciso para una evolución biológica exitosa que, cual caverna de Platón, nos sugiere que el tiempo tiene una dirección preferente fijada por el desorden. Esa parece ser la irrefutablemente útil realidad. Seguiremos en ella.

Voy a tomar perspectiva con mi imaginación y situarme en ese espacio pluridimensional argumentado en la anterior entrada tercera, en el que “flota” mi brana-universo espacio/temporal. Desde fuera lo observo como si fuera un gran saco de forma misteriosa que va creciendo con el paso del tiempo. Veo ese saco que me parece transparente y con una frontera espacial muy definida y estanca. Es transparente porque dentro prácticamente no hay nada, el equivalente a cinco núcleos de hidrógeno y tal vez un cuarto de neutralino por metro cúbico[1] además de una cantidad de radiación, fotones y neutrinos, comparativamente despreciable, del orden de cien mil veces menor. Quizás también los desconocidos gravitones sin masa. Desde donde observo no deja de ser más que un globo lleno de una sutilísima niebla de gases. Veo que su interior es poco denso y frío, a la temperatura de los fotones de fondo, y que tiene una frontera impermeable en ambos sentidos. Tengo que reconocer que mi Universo es bastante normal y que no deja de ser más que un sujeto físico, al igual que una piedra o una flor, que como conjunto sigue  obligatoriamente las leyes físicas más generales. Hasta ahora en su interior se ha ido construyendo, enlazando, mezclando, horneando… aunque sin variar mucho en su fondo más elemental, simplemente iba cambiando el perfil de sus estructuras. Pero ya hemos llegado al año 1025 , por lo que hace ya mucho tiempo que se había dejado atrás la época de las florituras y hat tricks propios de los primeros cientos de miles de años. Vamos a empezar a ver cómo en el interior de ese globo empiezan a producirse cosas realmente destructivas.

Dentro del menú de obligadas normas de conducta termodinámica, la fundamental es buscar el posible equilibrio interno en un estado de mínima energía estructural. En ese afán ha estado y estará nuestro Universo, deslizándose por una descendente rampa energética (mejor sería una ascendente rampa entrópica), a través de caminos que en conjunto no escaparán al sino de la irreversibilidad. El incesante goteo energético que se fuga a lo largo de ese continuo e inacabable proceso realmente no se pierde, sino que se transforma -primer principio de la termodinámica- en otro tipo de energía más desordenada y difícilmente utilizable para hacer un trabajo. Lo que es otra forma de decir que su entropía, su desorden, estará continuamente aumentado -segundo principio de la termodinámica-. Como todo en la vida, nuestro saco de gases se está volviendo senil. Y vamos a empezar a ver cosas propias de la senilidad, no precisamente orientadas hacia mantener la interesante existencia constructiva disfrutada hasta el momento. Como a los humanos, la carne del Universo se hace flácida y su metabolismo se ralentiza provocando el frío orgánico.[2] Densidad y temperatura son las funciones de estado que lo han ido conformando. Y sin duda lo seguirán haciendo.

Muy bien… entonces densidad y temperatura… y los principios termodinámicos, que quizás no se mantengan en el tiempo ante la posibilidad de que vayan apareciendo nuevas físicas. Ya pasó en el principio de la biografía con la GUT, la teoría de la gran unificación, la física unificada que fue abriéndose con el tiempo hacia interesantes nuevas físicas menos fundamentales -de fundar-. De todas formas, ante la duda, seguiremos apostando por la clásica que nos permite intuir que de alguna manera se podrán correlacionar ambas funciones de estado de forma biunívoca: como ya se comentó en otro capítulo, durante una expansión adiabática como la que diluye los contenidos de nuestro Universo se produce una pérdida de energía interna que necesariamente se refleja como una disminución de la temperatura del sistema. Una dinámica que va a ser omnipresente a lo largo de toda su vida y que va a afectar a los dos mundos paralelos que en él conviven, el de la materia y el de la radiación. Dos mundos que interactúan, pero con características distintas.

La materia, compuesta principalmente por restos de la debacle, estrellas apagadas, planetas errantes, por aquí y por allá, con sus masas apreciables y cada vez más aislados unos de otros, enfriándose desde posiciones de relativas altas temperaturas según van irradiando fotones desde sus superficies. Y gases difusos completando la nómina de la materia, intentando ocupar el total, muchos de ellos a altas temperaturas. Materia que surca el cosmos en su mayoría a velocidades no relativistas de forma cada vez más inalterada, ya que los pozos gravitatorios donde podrían caer se van haciendo progresivamente más livianos con las distancias, en una larga espera hacia su total descomposición, como veremos en las siguientes entradas. Por su lado, la radiación, básicamente fotones con masas en reposo nulas y viajando a la velocidad de la luz. Seguramente también neutrinos yéndoles a la zaga. Personajes que van a ser los robinsones del futuro. Dos mundos paralelos, materia y radiación, en los que siempre existirán conviviendo dos tipos de relaciones entre la densidad y la temperatura.

La teoría clásica por la que nos hemos decantado intenta hacer propuestas de cuál pueda ser esa relación en cada momento. Relación que, como ya hemos insinuado, dependerá de la naturaleza del sistema. El caso de mayor interés en la Astrofísica lo constituye el submundo particular de la materia particularizada en un gas ideal monoatómico, para el que propone una relación densidad/temperatura muy sencilla que planteamos a continuación y que se completa con la más intuitiva para el submundo de la radiación. Realmente, la temperatura de la materia será un reflejo de su energía cinética y la de la radiación función de su longitud de onda.[3]

para la materia       Tmat α ρmat2/3

para la radiación   Trad α ρrad1/4

Si recordamos las correlaciones presentadas en la entrada primera de esta miniserie, fácilmente podemos imaginar cómo, en la simple aproximación teoría, la temperatura del mundo de la materia va a decaer a mucha más velocidad que el de la radiación, dejando a esta última como protagonista en cuya niebla van a ir sucediendo “macro procesos” como la mayor disgregación de la materia con el tiempo y la “repoblación” de radiación que le acompaña. Hablaremos de esta última peripecia dentro de dos entradas.

En los años jóvenes la densidad y la temperatura eran relativamente altas con respecto a lo que es el momento actual de nuestro “saco universo”. Pero desde nuestra atalaya exterior hemos ido observando claramente cómo poco a poco, a medida que se va expandiendo, su densidad y temperatura iban disminuyendo progresivamente. Ahora bien, nuestro gas cósmico es un poco especial. Ya hemos comentado con anterioridad en esta miniserie que su densidad media es del orden de cinco protones por metro cúbico, aunque eso es el promedio. Hay zonas, cúmulos, gases intergalácticos, estrellas…, donde la densidad de la materia es muy elevada y se ve dominada por la gravedad. La compresión gravitatoria está haciendo que esos materiales suban progresivamente su temperatura. Incluso sabemos que durante los últimos 10 mil millones de años la temperatura promedio del gas cósmico aumentó más de 10 veces, alcanzando así alrededor de 2,2 millones de grados.[4] Eso quiere decir que los materiales de esos gases cósmicos se mueven a gran velocidad pero… en un entorno global que se encuentra a la temperatura de los fotones del fondo de microondas, 2,725K. En el resto del vacío universo, la expansión hará que los representativos cinco protones por metro cúbico cada vez tengan más difícil el encontrarse, interactuar y construir. Este mundo es el que se expande, se difumina y se enfría.

En los momentos de “alta” densidad se va a favorecer el que la materia tienda a estar integrada en estructuras estables -átomos, estrellas, galaxias…- en sus mínimos energéticos, que es lo mismo que decir en unas posiciones de equilibrio donde la entropía se les ha hecho teóricamente la máxima para el sistema. Sin embargo unas “altas” temperaturas empujarán dinámicamente hacia una desintegración de las mismas, a su evaporación, a su ionización. Lo que viene a ser lo mismo por otro camino entrópico, el del desorden. En todo momento de la vida del Universo ambos efectos contrapuestos están y estarán presentes aunque podemos estar seguros de que ese desorden siempre irá creciendo. Mirándolo a muy muy larga distancia hacia el futuro del tiempo, sabemos que la densidad de la materia, gracias a la expansión exponencial, tenderá a cero. Incluso en el límite podemos decir que será cero[5] Mientras que la temperatura, que también con la expansión tenderá hacia el cero absoluto, nunca llegará a ello pues siempre va a estar sometida al tercer principio de la termodinámica. Siempre quedará por encima de -273,15ºC. Algunos cálculos voluntariosos apuntan como posible el límite 10-30K.[6] Si eso es así podemos imaginar cómo en el infinito temporal teórico la capacidad integradora de la densidad va a desaparecer del todo, quedando solo un mínimo potencial remanente en la temperatura, unos “menos que mínimos” gradientes, como para imaginar una infinitesimal construcción. Vemos así que el camino del Universo paulatinamente se va dirigiendo, sí o sí, inevitablemente hacia la casi-nada.

Ahora me toca volver al inicio del capítulo en donde me hacía preguntas acerca de la completa exactitud de ese sino entrópico. Desde que nos lo propuso Boltzmann sabemos que la entropía es un juego de probabilidades al que juega el poco intuitivo, para nosotros los humanos, mundo microscópico. En este mundo no hay obligación que premie el orden o el desorden, simplemente en su “rumor” de interrelaciones son más probables que se den las configuraciones desordenadas que las ordenadas. Pero ¿quién define el criterio de lo que es ordenado o no, la base de la flecha del tiempo? Una biología racional como la del hombre. Un criterio que por tanto aparecería “ex-novo” en un nivel más global, menos complejo, seguramente más ordenado, en donde las necesidades evolutivas biológicas han dibujado las exigencias que, por esa posible razón, se nos hacen las únicas intuitivas. Quizás la evolución haya marcado las cartas del orden: ¿no será que la vida nos condiciona psicológicamente la definición del sentido de la flecha del tiempo? Como obligándonos a decir que es bueno e ineludible que vaya de pasado a futuro. A fin de cuentas los hombres vivimos de la memoria, del presente y del imaginado futuro. La esencia de nuestro Yo. Algo de exclusividad biológica… porque en el micro-mundo eso no existe, allí no hay ni orden ni desorden, allí solamente hay una fría dinámica de interrelaciones que genera sus efímeras, múltiples y cambiantes realidades inalteradas en la dimensión tiempo.[7] El mundo que enfoca los píxeles más minúsculos es así. Y posiblemente esta sea la realidad íntima de nuestro Universo, al cual vemos y juzgamos desde la perspectiva del macro-mundo nuestro, la del pixel grueso, con un necesario y biológicamente útil desenfoque vital.[8] El concepto “tiempo” como emergencia de la consciencia humana. Si fuera así, el último suspiro del Universo va a ser distinto del que describo en esta miniserie. El que vemos desde nuestra cueva de Platón. La auténtica realidad, la del micro-mundo, no somos capaces de verla ni de imaginarla.[9] De ahí nuestra interrogación: ¿Irremediable?

Por eso, aferrándonos a la teoría que explica nuestra “exitosa” existencia -la de la “flecha entrópica”-, vemos cómo a lo largo del proceso de expansión y enfriamiento las cosas grandes y pequeñas en algún momento van a comenzar a “evaporarse”, a “ionizarse”, a “desbaratarse”, perdiendo gradualmente átomos o incluso electrones y protones camino del máximo desorden permitido. Hasta ahora el potencial constructor ha sido el que ha mandado y sigue mandando. Pero llegará el momento del desmontaje. Y esto es precisamente lo que ya estará sucediendo en los tiempos a los que habíamos llegado en nuestra historia de los caminos hacia el destino fatal del Universo. Volvamos al año 1025 tras el Big Bang, era en la que parece que el mundo da el giro, de la construcción en las galaxias y estrellas al inicio de la degeneración de la materia oscura al que se va a unir la de los protones (si es que los protones se desintegran, que está por ver). En adelante… es lo que queda. Evaporación hacia la entropía. INEVITABLE. Como veremos en las siguientes entradas.

  1. Sabemos que hay cinco veces más materia oscura que bariónica, quizás formada por neutralinos, con una masa que conjeturamos 100 veces mayor que la del protón, de donde deducimos la cuantía de ¼ de neutralino por metro cúbico []
  2. Lo que no deja de ser una tonta apreciación personal eso de calificar la situación de forma tan gris. Creo que al Universo le importa una higa lo que le vaya a pasar. []
  3. Podemos ver la demostración matemática de esta relación en el libro “Introducción a la Astrofísica”, página 186, de Eduardo Battaner. []
  4. El estudio que describe estos hallazgos, “The Cosmic Thermal History Probed by Sunyaev-Zeldovich Effect Tomography“, apareció en septiembre 2020 en The Astrophysical Journal. El estudio fue dirigido por Yi-Kuan Chiang, investigador de The Ohio State University. []
  5. Según podemos leer en el libro “The five ages of the Universe”, página 159, de Fred Adams y Greg Laughlin, en el año 10100 tras el Big Bang el Universo se habrá expandido hasta 1060 veces el tamaño actual. Si pensamos que ahora el numero de protones por metro cúbico es del orden de las pocas unidades… podemos extrapolar a la edad de 10100, cuando los actores equivalentes a los protones actuales sean los positrones 2000 veces menos másicos: la densidad de materia será 1060x1060x1060x2x103 veces menor ¡2×10183! Y la expansión aún no se habrá acabado… ¡qué no será a 1010000! O más allá. []
  6. La temperatura se aproximará al cero absoluto pero nunca tendrá ese valor que podemos considerar como nulo. A esta temperatura el nivel de energía interna del sistema es el más bajo posible, por lo que las moléculas, según la mecánica clásica, carecen de movimiento. No obstante, según la mecánica cuántica, para poder así cumplir el principio de indeterminación de Heisenberg el cero absoluto debe tener una energía residual llamada energía de punto cero ¿cuál puede ser este valor? Partimos de la idea de que la teoría de la relatividad general nos dice que a cada solución de las ecuaciones de Einstein para un universo homogéneo, isótropo y con una constante cosmológica, contenido dentro de un horizonte causal, se le puede asociar una temperatura. El término “horizonte causal” no se refiere necesariamente solo a los horizontes de eventos, como el de un agujero negro, sino que también podría representar, por ejemplo, al horizonte de sucesos del universo visible. Estos horizontes causales conforman una superficie frontera del espacio-tiempo tal que los eventos a un lado de ella no pueden afectar a un observador situado al otro lado y que podemos imaginar que, como cualquier cuerpo caliente, irradian hacia ambos lados. Es bien conocido que los observadores inerciales dentro de ese tipo de universos se sienten sumergidos en un baño de partículas térmicas a una temperatura característica conocida como de Gibbons-Hawking. Pensemos en algo así como la temperatura que fija la radiación de fondo de microondas, que en el momento actual es de 2,725K. Vamos a imaginar ahora a ese observador que mira a su horizonte de sucesos y que se va a sentir “bañado térmicamente”  por la radiación que proviene de la frontera de su horizonte cosmológico, al igual que el horizonte de un agujero negro irradia con energía de Hawking. La radiación térmica de un horizonte cosmológico está a una temperatura específica proporcional a la constante de Hubble. Que a su vez depende del valor de la constante cosmológica Λ [T Gibbons-Hawking = 1/2π (Λ/3)1/2  ≈ 2.3 × 10−30 (Ω˄/0.7)(Hubble/70)2 K]. Si hacemos una estimación aproximada de la constante cosmológica de acuerdo con lo que mejor sabemos hoy en día, la temperatura que obtenemos para el horizonte cosmológico de sucesos es de unos 10-30 Kelvin. Ver. []
  7. Podemos leer a Penrose en su enciclopédico libro “El camino a la realidad: una guía completa de las Leyes del Universo“: “Puesto que, según la mecánica cuántica, el entrelazamiento es un fenómeno tan ubicuo ¿por qué es algo que apenas advertimos en nuestra experiencia directa del mundo?… Un enigma al que hay que hacer frente es el hecho de que los entrelazamientos tienden a difundirse. Parecería que finalmente todas las partículas en el universo deben entrelazarse entre sí ¿O ya están todas entrelazadas entre sí? ¿por qué no experimentamos precisamente un revoltijo entrelazado? []
  8. De nuevo Penrose: “La definición [de Boltzmann] parece depender de la cercanía con la que decidamos examinar un sistema. Dos estados que son “macroscópicamente indistinguibles” para un experimentador podrían ser distinguibles para otro… Mi propia posición respecto al estatus físico de la entropía es que no la veo como una noción “absoluta” en la teoría física actual, aunque resulta muy útil.“ []
  9. Volvemos una vez más a nuestros principios antrópicos. Tan particulares, tan antrópicos. Recomiendo para un mayor conocimiento de sus implicaciones filosóficas le lectura de las entradas publicadas en el blog “El Tamiz” que se inician con la siguiente: “¿No es mucha casualidad que haya vida en el Universo?”. Con respecto a los aspectos más generales sobre la entropía y su enlace con el tiempo podéis acudir a la siguiente entrada del blog “El Cedazo”: “Eso que llamamos “Tiempo” – La flecha del tiempo”. La relación de la memoria y el correr del tiempo autobiográfico en la emergencia del Yo en el hombre se explica a través de varias entradas de la serie de El Cedazo “Biografía de lo Humano”, comenzando por esta. Y no os perdáis la lectura del libro de Carlo Rovelli, “El orden del tiempo”, para profundizar más el tema del “desenfoque” con que los humanos miramos la baraja de la entropía. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

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