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El destino del Universo 8: Muerte térmica




Llegan los últimos compases en la biografía de nuestro Universo. En la entrada anterior de esta miniserie nos habíamos despedido de lo que parecía ser el receptáculo final de la materia/energía: los agujeros negros. Aunque también esos monstruos de la gravedad se nos fueron de las manos. En esta entrada continuamos con lo que pueda ser el eterno final en donde quizás solo coexistan electrones, positrones, gravitones, fotones y neutrinos de bajísima energía. Una nada cuántica.

Acto V. Evanescencia

Los últimos instantes de los agujeros negros no van a ser el final suave de una lenta evaporación, sino que una vez más el Universo observará un castillo de fuegos artificiales. Ya sabemos que a medida que van emitiendo la radiación de Hawking los agujeros negros van perdiendo masa y aumentando su temperatura. Un proceso que se autoalimenta, ya que a mayor temperatura, mayor radiación. El proceso es inestable en sí mismo y termina por desbocarse como un caballo desatado en un galope cada vez más rápido. Los segundos finales son de un inusitado brillo seguido de una explosión de calor: se cree que hasta un millón de kilos de masa se evanescen como energía en un último segundo. En la explosión se genera mucha radiación y partículas con masa, electrones y protones con sus correspondientes antipartículas, que durarán poco tiempo al transformarse también en radiación.

En esta era más allá del año 10100, con solo una materia restante muy difusa, con niveles de energía muy bajos y escalas de tiempo muy grandes, la actividad del Universo se habrá reducido drásticamente en comparación con lo que sucedía en tiempos anteriores. Los fotones y neutrinos seguirán con el ensanchamiento de sus ondas hacia un mundo cada vez más gélido. Mientras, en un espacio tan poco poblado, los electrones y positrones[1] difícilmente se van a encontrar, aunque ocasionalmente lo harán formando átomos de positronio en los que las dos partículas se verán ligadas en órbitas enormes. Quizás haya que esperar hasta el año 1071 tras el Big Bang.[2] Sin embargo, estas estructuras son inestables, aniquilándose ambas partículas entre ellas generando nueva radiación ¿cuándo? En el laboratorio duran poco, pero en el espacio exterior de un Universo difuso, con pocas perturbaciones, se formarán los positronios con órbitas de muchos millones de años luz de diámetro por donde circularán muy muy lentamente un electrón y un positrón. El juego de aniquilación durará hasta el año 10116 , quedando aquí o allá algún electrón o algún positrón suelto.

Positronio en sus dos estados posibles: con espines antiparalelos -singlete- o paralelos -triplete- (Imagen de la red, fair use)

En el Universo habrá “muchísima” radiación comparada con el resto que no es energía oscura. Desde sus inicios se ha ido generando principalmente a través de varios procesos que ya conocemos. Comenzando por los fotones del fondo de microondas, tan importantes hoy en día, casi tanto como los que se están generando en los procesos de fusión estelares. Tras esos últimos, dentro de escalas temporales cosmológicas, vendrán a dominar los producidos en la aniquilación de la materia oscura dentro de las enanas blancas. Más tarde van a seguir los fotones nacidos de la desintegración de los protones y mucho más tarde los nacidos en los procesos de evaporación y extinción de los agujeros negros (ver figura siguiente). Cada una de esas familias va a tener su momento de esplendor… mortal. A medida que el universo se va expandiendo, la longitud de onda de esa radiación también se va alargando, restándole energía momento a momento. Según nuestros cálculos, en la época de muerte definitiva de los agujeros negros, 10100 años tras el Big Bang, el universo habrá crecido con relación a su tamaño actual en un factor de 1060 lo que hará que la longitud de onda del fondo de microondas se alargue hasta dimensiones cósmicas ¡1041 años luz! Lo mismo pasará con las otras familias de radiación, incluso con los tardíos y fríos fotones de los agujeros negros, con longitudes de onda semejantes al tamaño de esas estructuras.

Familias de radiación a lo largo de la vida del Universo (Imagen modificada de “The five ages of the Universe”, pagina 162, Fred Adams y Greg Laughlin, A Touchstone Book, 1999. Fair use)

Mientras la materia decae y la radiación se diluye, nada comparable le sucede a la energía oscura, que continúa embalsándose en el tejido del espacio. Dijimos más arriba que desde el momento actual hasta t=10100 el Universo va a crecer en un factor de escala de 1060. Si la densidad de la energía oscura, una constante cosmológica, es constante, la cantidad de energía oscura habrá crecido en un factor de ¡un uno seguido de 180 ceros!

¿Qué va a pasar en adelante? Parece que todo está definitivamente muerto y el potencial térmico prácticamente agotado. Tan distanciado y frío en su conjunto que todo apunta a que se habrá llegado a un definitivo equilibrio termodinámico.  Quizás se vaya a llegar a un punto en el que la entropía se mantenga constante, por lo que no tendría por qué estar violándose el principio termodinámico de maximizar la entropía. Pero no parece que vaya a ser así. Encontramos la solución en la idea de que el Universo va a seguir expandiéndose de forma continua e inacabable, marcando una senda de variación descendente para la temperatura: la expansión impedirá que se alcance el equilibrio termodinámico, por lo que nunca se llegará a una temperatura límite constante y, por tanto, siempre habrá un mínimo motor de flujos. Ahí estarán los electrones y positrones intentando enlazarse en teóricos núcleos de positronios tan difusos que sus órbitas serán del tamaño de 1012 años luz. Pero como el tiempo es gratuito llegará también el día en que se aniquilarán en un festival de nueva radiación. Lo mismo pasará con cualquier otra partícula que aún quede presente, lo que también hará crecer la entropía. No importa cuál sea la edad del Universo… siempre habrá alguna posibilidad nimia para algún suceso de aniquilación, si bien la fracción de energía que se vaya a poder ir aniquilando va a ser pequeña, cada vez más pequeña. Siempre habrá una infinitesimal posibilidad teórica de extraer trabajo e incrementar la entropía.

Aunque bien pudiera suceder, en una última pirueta, todo lo contrario, como afirma Penrose en su modelo de cosmología cíclica conforme: al infinito de la muerte térmica se habrá llegado pasando por un universo “deglutido” prácticamente en su totalidad por los últimos y definitivos agujeros negros que, a su vez y a lo largo de los eones, se habrán ido evaporando hasta desaparecer en lo que él dice un “pop” energético. Este desvanecimiento supone la pérdida [...o no][3] de toda la información del universo que había caído en el pozo gravitatorio del agujero negro, es decir, supone la desaparición de los múltiples grados de libertad existentes en los últimos eones que permitían el desorden de un mundo de alta entropía.[4] Gracias a ello se recuperaría el orden, una disminución brutal de la entropía. Depósito lleno para seguir trabajando.

¿Qué sucederá en el futuro infinito? ¿Nueva física, cosas inimaginables, nuevos universos? ¿La teoría de Penrose? Quién sabe. Cabría pensar que la hipótesis que hemos contemplado de desintegración de los protones bien pudiera no ser cierta. Entonces todo iría más lentamente y por otros derroteros. En ese caso en el que aun sobrevivan los protones, a lo largo de esas eras tan dilatadas se hace posible la existencia de una probabilidad de que ocurran sucesos extraños gracias a efectos de tunelación cuántica. El tema es que, gracias al principio de incertidumbre, y aunque la probabilidad sea muy pequeña, si bien no nula, cualquier elemento de un átomo tiene la posibilidad de estar en cualquier sitio. De forma que visualizando su historia a lo largo de muchísimo tiempo la materia, aparentemente sólida, se podrá comportar como un líquido muy viscoso que puede fluir debido a los efectos mecánico-cuánticos. Como dice Freeman J. Dyson cuando nos propone hacer el ejercicio mental de imaginarnos un trozo de roca, o un planeta, enfriados hasta la temperatura mínima de 0K: “Incluso los materiales más rígidos no van a poder mantener sus formas o sus estructuras químicas más allá del tiempo 1065 [años]… cada trozo de roca se comportará como un líquido, fluyendo hacia una forma esférica impulsado por la… gravedad. Sus átomos y moléculas estarán incesantemente difundiéndose de un lado a otro de la misma forma que lo hacen las moléculas de agua en una gota.[5] Lo que implicaría que en cualquier momento, dentro de los parámetros temporales que estamos considerando, va a haber una pequeña posibilidad de que cualquier “objeto” atómico salte espontáneamente de su sitio en la estructura y aparezca en otra parte. Al amparo de este concepto, que favorece la probabilidad de aproximación de átomos y partículas, se pueden sortear las constricciones electromagnéticas. En cuerpos con una cantidad de masa estelar se podrían dar fusiones de los elementos más ligeros que las constituyen ¿cuál sería el producto final? Lógicamente el hierro 56, cuyo núcleo, ya sabemos, es el poseedor de la máxima energía de enlace por nucleón. El resultado sería el de estrellas de hierro muy muy frías. Se piensa que esta tunelación al hierro puede llevar a algunas enanas marrones a explotar como supernovas, dado que el proceso puede disminuirles el límite de Chandrasekhar. Esto sucedería entre los años 101100 y 101500 tras el Big Bang. Esperando aún más tiempo se pueden dar tunelaciones cuánticas al hierro desde elementos más pesados por emisión de partículas alfa ¡en el año 1032000!

Los túneles cuánticos también deberían permitir el convertir objetos grandes en agujeros negros, que a estas escalas temporales podemos decir que se evaporarán rápidamente en partículas subatómicas. Esto podrá suceder entre los años  y  tras el Big Bang. En esta última “fecha” los túneles cuánticos también pueden hacer que las estrellas de hierro colapsen en estrellas de neutrones.

¿Es ese el futuro? Nadie lo puede asegurar. La historia contada es lo que nos dice nuestra mejor teoría. Pero nuestra mejor teoría quizás no sea válida en un futuro próximo o lejano. Quizás haya un cambio de fase, o varios, que alteren la forma de proceder del Universo que conocemos. El proceso descrito está fundamentado en los principios termodinámicos, pero ¿y si la entropía no es la magnitud física directora del Universo?[6] También está fundamentado en la teoría de la relatividad y en el modelo estándar de partículas… ¿serán válidos tal como los conocemos a lo largo de toda la vida del Universo? Está fundamentado en un universo plano, homogéneo e isotrópico, ¿y si más allá de nuestro horizonte cosmológico hubiera un Universo inobservable completamente distinto? Está fundamentado en una expansión cuantificada por una constante de Hubble que no sabemos cuánto vale con exactitud y ni siquiera si es constante. No sabemos qué es la materia oscura. No sabemos qué es la energía oscura. Entre ambas acumulan el 96% de la energía del Cosmos. Tampoco sabemos, aunque la razón no lo puede descartar, si pudiera haber más mínimos energéticos, más vacíos verdaderos hacia donde se pueda tunelar nuestra existencia.

Entonces, ¿cuál es nuestra certeza? Personalmente creo que ninguna. Quizás seamos unos sabios precopernicanos a la espera de que alguien nos centre… o mejor, nos descentre de nuestro actual nivel de conocimiento ¿Sucederá alguna vez? ¿Tendrá tiempo la humanidad para desvelar la verdad? ¿Desaparecerá la especie antes de ello? ¿Somos verdad o una ilusión sentida?

Me quedo con la frase con la que Fred C. Adams y Gregory Laughlin concluyen su estudio “A DYING UNIVERSE: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects”: “Como cierre de este artículo presentamos el punto de vista de que el universo debería obedecer a una especie de principio copernicano que se aplicaría a lo que podamos pensar sobre el futuro. Este principio sostiene que la actual época cosmológica (1010[…la del humano supremo…] no tiene un lugar especial en el tiempo. Por lo que, en otras palabras, en el Universo del futuro puede seguir sucediendo cosas realmente interesantes que ocurrirán en los cada vez más bajos niveles de energía y entropía disponibles.”

Hasta aquí llego. Espero que esta aventuresca biografía al menos os haya entretenido. O quizás enriquecido como personas. El sino del Universo es una de nuestras trascendencias básicas.

Bibliografía

  1. - Fred C. Adams y Gregory Laughlin.: “A DYING UNIVERSE: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects“. (aquí)
  2. - Fred Adams y Greg Laughlin: “The five ages of the Universe”.
  3. - Paul Davies: “Los últimos tres minutos”.
  4. - Freeman J. Dyson: “Time without end: physics and biology in an open universe”. (aquí)
  5. - Michio Kaku: “Universos paralelos“.
  6. - Katie Mack: “El fin de todo”.
  7. - Roger Penrose: “Ciclos del tiempo: Una extraordinaria nueva visión del universo”.
  8. - Carlo Rovelli: “Siete breves lecciones de física“.
  1. Quizás pueda resultar sorprendente que aún queden positrones y electrones por el universo. Vimos cómo en la desintegración de los protones aparecía un positrón y debemos suponer que, por aquello de la conservación de la carga eléctrica, existirán tantos electrones como positrones. Si la desintegración es de protones dentro de una estrella o de un remanente, el recién nacido positrón no escapa, queda atrapado dentro de la masa de la estrella y se aniquila con un cercano electrón. Pero no todo el hidrógeno se va a encontrar en las estrellas. Una pequeña parte no se acreó y rondó desde siempre por los espacios interestelares. Al decaer estos protones, los correspondientes nuevos positrones tendrán la oportunidad de ser independientes. []
  2. El positronio es un sistema cuasiestable formado por un electrón y su antipartícula, el positrón, orbitando alrededor de su centro de masas común formando así un átomo exótico. La órbita de ambas partículas y los niveles energéticos son similares a los del átomo de hidrógeno (formado por un protón y un electrón), pero, debido a la diferente masa del sistema, las frecuencias asociadas a las líneas espectrales son menos de la mitad que en el hidrógeno. []
  3. Eso de la pérdida de la información del Universo es una cosa que produce alergia en los físicos, porque viola la ley comúnmente asumida de que en principio la información completa acerca de un sistema físico en un punto y en un tiempo debe determinar su estado en cualquier otro tiempo. Es decir, debe prevalecer el principio de reversibilidad por el que se permite que numerosos estados físicos puedan volver al mismo estado inicial. Y eso no se conseguiría si se pierde información. Según esto los agujeros negros deberían guardar una memoria de las estrellas que los originaron, información que debería volver al Universo a través de algo equivalente a la radiación de Hawking. []
  4. La idea es sencilla, según los físicos cuantos más grados de libertad dispone un sistema… más configuraciones distintas podrán adoptar sus estructuras. Lo cual es índice de alta entropía. Algo así como cuando en un trozo de hielo la temperatura acelera la movilidad de las moléculas de agua, lo que favorece su liberación del influjo de las fuerzas electromagnéticas. En el proceso el agua va ganando grados de libertad mientras se va licuando, lo que supone una estructura menos ordenada y de mayor entropía. []
  5. Time without end. Physics and Biology in an open Universe”, página 9, 1979, Freeman J. Dyson. []
  6. A ese respecto aconsejo la lectura del libro “El orden del tiempo“, del físico experto en gravedad cuántica Carlo Rovelli. Para él la entropía y el tiempo son conceptos emergentes de nuestra conciencia, que se manifestaron muy útiles en nuestro desarrollo evolutivo. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

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