Las leyes de la física son incapaces de describir el estado del universo antes de los 10-43 segundos, a excepción de lo que proponen algunos teóricos de la teoría de cuerdas. Por eso la siguiente descripción se referirá al estado del universo después de ese instante, incluso después de un período de tiempo suficiente para que el universo se enfríe y permita que las piezas que conocemos de los átomos se formen, luego continuaremos con la descripción hasta el momento presente. Debemos tener en cuenta que esta descripción no es sino información basada en ecuaciones matemáticas, en datos de observación y medición de nuestro universo actual, en el que hemos observado también algunos acontecimientos del pasado reciente y lejano. Cada vez que miremos en las profundidades del universo veremos los acontecimientos más antiguos del tiempo; porque como sabemos, viajan a una velocidad limitada, aunque fuera a la velocidad de la luz, por eso nos llegan después del momento en que ocurrieron, con una demora que aumenta cuanto más lejos estén de nosotros.
Narraremos nuestra historia como ocurrió con una serie de acontecimientos, desde justo después del comienzo hasta ahora. Los cosmólogos no la conocieron ni la leyeron a medida que avanzaba, sino que la leyeron y conocieron de una forma más parecida a leer un libro desde su final hasta su comienzo. Talvez esta lectura inversa requiera la lectura de partes que caen en la mitad del libro; por el motivo que previamente hemos explicado, que los acontecimientos, cuando más lejos estén de nosotros, más tarde llegarán.
En la física teórica hemos llegado a una conclusión, según la cual: en el comienzo o antes de los 10-43 segundos, es decir, dentro del tiempo de Planck, el universo era tan pequeño que para que los físicos entiendan cómo se comportaba necesitan una teoría y una ecuación que combine la teoría general de la relatividad de Einstein que describe el universo y los objetos grandes del universo como las estrellas y los planetas, con una teoría cuántica de Planck que describe los objetos minúsculos como los fotones y los electrones.
«A esta temperatura pasaría todo género de cosas extrañas. No solamente las fuerzas gravitacionales habrían sido fuertes y la producción de partículas por campos gravitacionales copiosa, sino que la idea misma de “partícula” no habría tenido aún ningún sentido. El “horizonte”, la distancia más allá de la cual es imposible haber recibido ninguna señal, habría sido en ese tiempo más cercano que una longitud de onda de una partícula típica en equilibrio térmico. Hablando vagamente, ¡cada partícula sería casi tan grande como el universo observable!».[1]
Hasta ahora, la teoría del todo, o la ecuación que describe lo que es muy grande (el universo) y lo que es muy pequeño (las partículas cuánticas) no existe en una forma completamente aceptada por los físicos teóricos y los cosmólogos. Así pues, está la teoría M, que es el borrador de una teoría y que talvez necesite algunas modificaciones y pasar pruebas para ser verificada. Hasta ahora, sigue siendo en teoría una ecuación bien demostrada matemáticamente. Hablaremos luego de la teoría M o teoría de supercuerdas.
«Entender el comportamiento del espacio, el tiempo, la materia y la energía desde el Big Bang hasta hoy es uno de los grandes triunfos del pensamiento humano. Si buscamos una explicación completa de los sucesos de los primeros momentos, cuando el universo era más pequeño y caliente de lo que lo ha sido después, hemos de hallar la manera de que las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza —la gravedad, el electromagnetismo, y las fuerzas nucleares débil y fuerte— hablen entre sí, se unifiquen y lleguen a ser una sola metafuerza. También deberemos encontrar el modo de reconciliar dos ramas de la física actualmente incompatibles: la mecánica cuántica (la ciencia de lo pequeño) y la relatividad general (la ciencia de lo grande).
Espoleados por el feliz matrimonio de la mecánica cuántica y el electromagnetismo a mediados del siglo XX, los físicos se pusieron en marcha enseguida para combinar la mecánica cuántica y la relatividad general en una teoría única y coherente de la gravedad cuántica. Aunque hasta ahora han fracasado todos, ya sabemos dónde están los principales obstáculos: en la “era Planck”, la fase cósmica de hasta 10–43 segundos (una diez millonésima-billonésima-billonésima-billonésima de segundo) después del comienzo.
Como la información no puede viajar a una velocidad superior a la de la luz, 3 x 108 metros por segundo, un observador hipotético situado en cualquier lugar del universo durante la era Planck no podría ver más allá de 3 x 10–35 metros (tricentésima mil millonésima-billonésima-billonésima parte de un metro).
El físico alemán Max Planck, que da nombre a estos tiempos y distancias inconcebiblemente pequeños, propuso en 1900 la idea de “energía cuantificada”; se le considera el padre de la mecánica cuántica. De todos modos, que nadie se preocupe de momento por la vida cotidiana. El choque entre la mecánica cuántica y la gravedad no plantea problemas prácticos en el universo contemporáneo. Los astrofísicos aplican los principios y las herramientas de la relatividad general y la mecánica cuántica a problemas completamente distintos. Pero al principio, durante la era Planck, lo grande era pequeño, por lo cual debió de haber alguna clase de boda de penalti entre las dos. Pero, ay, como las promesas intercambiadas durante la ceremonia siguen siéndonos esquivas, ninguna ley (conocida) de la física describe con suficiente solidez cómo se comportó el universo durante la breve luna de miel, antes de que su expansión obligara a lo muy grande y lo muy pequeño a separarse. Al final de la era Planck, la gravedad se libró de las otras fuerzas de la naturaleza, todavía unificadas, y alcanzó una identidad independiente muy bien descrita por las teorías actuales. Cuando el universo envejeció y superó los 10–35 segundos, continuó expandiéndose y enfriándose, y lo que quedaba de las antaño unificadas fuerzas se dividió entre la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte. Más adelante, la fuerza electrodébil se escindió entre las fuerzas electromagnética y nuclear débil, lo que dejó al descubierto cuatro fuerzas familiares y diferenciadas:
la fuerza débil que controla la desintegración radiactiva,
la fuerza fuerte que une las partículas de cada núcleo atómico,
la fuerza electromagnética que mantiene juntos a los átomos en las moléculas,
y la gravedad que sujeta la materia en grandes cantidades.
Para cuando el universo hubo envejecido hasta superar la billonésima de segundo de vida, sus fuerzas transformadas, junto con otros episodios críticos, ya habían conferido al cosmos sus propiedades fundamentales, cada una digna de su propio libro».[2]
Podemos resumir lo que nos interesa de la historia del universo que se inició justo después del comienzo de la siguiente manera:
Después del Big Bang disponemos de un universo caliente que, después de enfriarse un poco durante unas fracciones de segundo se convirtió en leptones, quarks y sus antipartículas, además de bosones y fotones. Pero los quarks y los leptones superan a sus antipartículas en una por cada mil millones, es decir que hay una superioridad de la materia sobre la antimateria. Esta superioridad es la causa de la existencia de las estrellas y los planetas, y de la existencia de nuestros cuerpos también.
Después de una fracción de millonésima de segundo el universo se enfrió más y permitió que los quarks se unan y se combinen. Así pues, los quarks se unieron unos con otros formando partículas de materia más pesadas que los leptones llamadas hadrones (como los protones y los neutrones). Frente a esto se formaron antihadrones, pero también con la misma proporción que los quarks y antiquarks, o sea, con una proporción de uno cada mil millones en favor de los hadrones, o en favor de la materia sobre la antimateria. Con la continua expansión del universo, su enfriamiento y la energía de los fotones disminuyendo en consecuencia, los fotones ya no tenían suficiente energía para producir hadrones y antihadrones. El resultado fue que solo quedó un excedente de materia, es decir, un hadrón por cada mil millones de hadrones aniquilados en favor de mil millones de fotones de menor energía que antes, como resultado de la expansión del universo (la materia y la energía) entre el primer segundo y el final del segundo segundo desde el comienzo del Big Bang.
Pero en este tiempo, el calor del universo y, por ende, la energía de los fotones, fue suficiente para producir electrones y positrones (antielectrones). Después de que el universo (la materia y la energía) continuó con más expansión y enfriamiento, alcanzó una temperatura inferior a la temperatura umbral de los electrones, y la energía de los fotones ya no es suficiente para producir electrones y positrones. Con ellos ocurrió lo que ocurrió antes con los hadrones, se completó el proceso de aniquilación de la materia (los electrones) y la antimateria (los positrones) y quedó un excedente de materia que como dijimos antes, fue de uno por cada mil millones. Por lo tanto, quedó un electrón por cada mil millones de pares de electrones y positrones que se aniquilaron.
Ahora en el universo tenemos hadrones (protones y neutrones) y electrones, que son la infraestructura de los átomos. Con el continuo enfriamiento, en los primeros minutos, el universo permitió que los hadrones se unan entre sí y que al colisionar formaran núcleos de hidrógeno, helio y algunos núcleos de otros elementos livianos como el hidrógeno pesado.
Después de cientos de miles de años, con el universo más frío, se alcanza una temperatura menor a los tres mil Kelvin. Esto permitió la formación de átomos de hidrógeno y helio a partir de los núcleos y los electrones que flotaban libres en el universo y que previamente se habían formado como explicamos. De esta manera, el universo se volvió trasparente, permitiendo la visión después de que los electrones se enlazaran en los átomos y los fotones comenzaran a moverse con libertad una vez que los electrones salieron de su camino. En esta etapa hemos llegado al nacimiento del universo físico que observamos. En cuanto a los otros elementos, aún no han cesado de producirse y cocinarse continuamente en un proceso de quema nuclear de hidrógeno y helio, de reestructuración y formación de átomos dentro de las estrellas en combustión o explosión.
«El Universo seguirá expandiéndose y enfriándose, pero durante 700.000 años no ocurrirá nada de mucho interés. Por entonces, la temperatura caerá al punto en que puedan formarse núcleos y átomos estables».[3]
«A medida que se producía la expansión, iba disminuyendo la energía transportada por cada fotón. A la larga, más o menos cuando el joven universo cumplió trescientos ochenta mil años, la temperatura disminuyó por debajo de los 3000 grados, con el resultado de que protones y núcleos de helio podían capturar electrones de manera permanente, con lo cual introducían átomos en el universo. En eras anteriores, cada fotón había tenido energía suficiente para descomponer un átomo recién formado, pero ahora los fotones habían perdido esta capacidad gracias a la expansión cósmica».[4]
[1] Fuente: Weinberg, Los tres primeros minutos del universo, pág. 146.
[2] Fuente: Tyson & Goldsmith, Orígenes, págs. 17-18.
[3] Fuente: Steven Weinberg, Los tres primeros minutos del universo, pág. 155.
[4] Fuente: Tyson & Goldsmith. Orígenes, pág. 27.
[5] Fuente: Agencia Espacial Europea. Image: The history of structure formation in the universe. ESA – C. Carreau. Satellite: Planck. 21 March 2013.
http://sci.esa.int/planck/51561-the-history-of-structure-formation-in-theuniverse/
Extracto del libro La ilusión del ateísmo de Ahmed Alhasan (a)
