Cuando retrocedemos en la historia hasta los tiempos del pasado remoto del universo vemos estrellas gigantes cocinando hidrógeno y helio para producir otros elementos pesados como el carbono y el hierro. Luego si retrocedemos más los elementos pesados habrán desaparecido y se habrán desintegrado en elementos más livianos, hasta llegar a un universo cuya materia es hidrógeno, deuterio, tritio, helio y talvez un poco de litio. Luego, si retrocedemos más llegaremos a una etapa en la que la energía de los fotones no permite que los átomos de hidrógeno permanezcan estables por lo cual los encontraremos descompuestos en electrones, núcleos de hidrógeno (protones). núcleos de isótopos de hidrógeno y núcleos de helio. Luego llegamos a un universo compuesto de hadrones (como los protones), leptones (como los electrones y los neutrinos) y fotones. Luego, si retrocedemos más en la historia, la temperatura será tan alta que la elevada energía de los fotones permitirá que colisionen entre sí produciendo partículas de materia. Así pues, encontraremos partículas y antipartículas de materia apareciendo y aniquilándose unas con otras en un universo compuesto de fotones o energía (los fotones carecen de masa), de leptones, de quarks y antiquarks, así como de bosones.
Pero, en cualquier caso, no podremos retroceder más allá del obstáculo y la barrera que impide el estudio científico cuando la temperatura llega aproximadamente a 1032 y el tiempo a 10-43 desde el comienzo del universo, pues las leyes de la física no funcionan antes del tiempo de Planck. Sí, solo hay algunos trabajos que teorizan sobre el funcionamiento de la teoría de cuerdas más allá de este momento.
«Sin embargo, podemos al menos imaginar un tiempo en que las fuerzas gravitacionales fueran tan fuertes como las interacciones nucleares fuertes a las que nos hemos referido. Los campos gravitacionales no se generan solamente por masas de partículas, sino por todas las formas de energía. La Tierra se desplaza alrededor del Sol un poco más velozmente de lo que lo haría si el Sol no fuera caliente, porque la energía del calor del Sol se suma a la fuente de su gravitación. A temperaturas superelevadas, las energías de las partículas en equilibrio térmico pueden llegar a ser tan grandes que las fuerzas gravitacionales entre ellas sean tan fuertes como cualesquiera otras fuerzas. Podemos calcular que este estado de cosas se alcanzó cuando la temperatura fue de cien millones de millones de millones de millones de millones de grados (1032 K).
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!
No sabemos aún lo suficiente sobre la naturaleza cuántica de la gravitación ni siquiera para especular inteligentemente acerca de la historia del universo anterior a este tiempo. Podemos hacer una tosca estimación de que la temperatura de 1032 K se alcanzó unos 10−43 segundos después del comienzo, pero realmente no está claro que tal estimación tenga algún significado. Así, cualesquiera que sean los otros velos que podamos levantar, hay uno concerniente a la temperatura de 1032 K que aún oscurece nuestra visión de los tiempos primigenios.
Sin embargo, ninguna de estas incertidumbres afecta mucho a la astronomía de 1976. El quid es que, durante todo el primer segundo, el universo presumiblemente estuvo en un estado de equilibrio térmico, en el que las cantidades y las distribuciones de todas las partículas, incluidos los neutrinos, estaban determinadas por las leyes de la mecánica estadística, y no por los detalles de su historia anterior. Cuando medimos la abundancia actual del helio, o la radiación de microondas o aun los neutrinos, estamos observando las reliquias del estado de equilibrio térmico que terminó al final del primer segundo. Hasta donde llega nuestro conocimiento, nada de lo que podamos observar hoy depende de la historia del Universo anterior a esa época. (En particular, nada de lo que podamos observar ahora depende de si el Universo fue isótropo y homogéneo antes del primer segundo, excepto quizá la misma proporción entre fotones y partículas nucleares). Es como si se preparara con gran cuidado una cena —con los ingredientes más frescos, las especias más cuidadosamente elegidas, los vinos más finos— y luego se arrojara todo a una gran olla para que hirviese durante algunas horas. Sería difícil, aun para el comensal de mejor gusto, saber qué se iba a servir».[2]
«Hace unos catorce mil millones de años, en el origen de los tiempos, todo el espacio y toda la materia y toda la energía del universo conocido cabían en una cabeza de alfiler. El universo estaba entonces tan caliente que las fuerzas básicas de la naturaleza, que en conjunto describen el universo, se hallaban fusionadas en una sola fuerza, unificada. Cuando el universo era un infierno a 1030 grados y tenía sólo 10−43 segundos de vida —tiempo antes del cual todas las teorías de la materia y el espacio pierden sentido—, a partir de la energía contenida en el campo de fuerzas unificado se formaron, desaparecieron y volvieron a formarse espontáneamente agujeros negros. Bajo esas condiciones extremas —en lo que hay que admitir que es física especulativa—, la estructura del espacio y el tiempo llegó a ser muy curva mientras borbotaba en una estructura esponjosa, como de espuma. Durante esa era, los fenómenos descritos por la teoría general de la relatividad (la teoría moderna de la gravedad) de Einstein y la mecánica cuántica eran indistinguibles».[3]
Nuestro conocimiento de los comienzos del universo se hace retrocediendo en la historia y el tiempo, llevando con nosotros la información del presente que obtuvimos con la observación y las mediciones, armados con ecuaciones y leyes comprobadas de la materia como la ecuación de Einstein y su teoría especial de la relatividad y la general, y la teoría cuántica de Planck. Muchas cuestiones que han planteado los cosmólogos y físicos teóricos sobre el modelo estándar, la teoría del Big Bang y la marcha del universo especialmente en sus primeros minutos, se basan en mediciones precisas de lo que contiene nuestro universo actual. Si bien no las tenemos en cuenta en nuestra vida diaria y talvez las consideremos extrañas, no son ficción, sino hechos que nos rodean. Así pues, las huellas de los agujeros negros cuya existencia fue predicha por la teoría general de Einstein, han sido observadas en el universo. Recientemente, estos también han sido observados con precisión en el siglo XXI y ya no son una simple posibilidad predicha por teorías científicas como la de Einstein. El bosón de Higgs fue observado en el siglo XXI en el colisionador de hadrones, así como otras partículas cuánticas de la física moderna que comenzó con la teoría cuántica de Planck, la teoría de la relatividad de Einstein y sus ecuaciones de la energía y la materia. Las cosas ya no son como la gente está acostumbrada a ellas. El concepto del tiempo y el espacio ya no es como era. El cuerpo del ser humano ya no es solamente cercano a los demás animales y plantas por su conexión con ellos por el mismo mapa genético formado al principio del surgimiento de la vida terrestre, sino que el ser humano se ha vuelto cercano a cada roca, piedra, trozo de hierro y a todo elemento de materia, aunque éste no contenga ningún cuerpo vivo. Todo está compuesto de leptones y de hadrones que a su vez están formados por quarks.
Hoy los cosmólogos y los físicos teóricos pueden decir —con un buen grado de confianza: que teóricamente hemos viajado lo más lejos posible hasta el comienzo del universo. Hemos predicho los estados posibles del universo en el que vivimos, hemos visto cómo se han formado los hadrones, los leptones y sus antipartículas a partir de la energía, cómo se han aniquilado dejando una de cada mil millonésima de partes de la materia o hadrones y leptones, cómo se han formado las cuatro fuerzas del universo, la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil, luego los núcleos de los átomos de hidrógeno y helio, luego los átomos livianos como los átomos de hidrógeno, helio y litio, elementos que se reagruparon en nubes gigantes de gas en movimiento y rotación cuyas temperaturas se elevaban hasta el punto de fusión del núcleo. De esta manera se formaron reactores nucleares gigantes llamados estrellas donde se cocinaron los demás elementos más pesados como el carbono y el hierro. Luego la estrella puede explotar después de agotar su combustible nuclear esparciendo estos elementos en el universo y formando parte de los planetas o las estrellas de la siguiente generación. Así, hasta formarse finalmente el universo actual que vemos.
Todo esto pueden decir los cosmólogos, pero —también científicamente— se puede decir: que todo lo que observamos y todas las leyes que hemos descubierto solamente describen un sitio del universo en el que estamos. En otros términos: que la región observada en la que vivimos y llamamos universo es solo una porción del universo. Las propiedades que hemos observado y las leyes que hemos formulado solo reflejan lo que sucede en esta región que podemos imaginar en el universo como a un bloque de hielo flotando en uno de los océanos de la Tierra. Además, también hay un comienzo del universo completamente velado para nosotros que no se puede observar ni se puede conocer con todos sus detalles. Lo que se propone sobre este tema son apenas simples posibilidades e hipótesis.
«Al seguir esta descripción de los tres primeros minutos, el lector quizá experimente la sensación de que los científicos tienen un exceso de confianza. Tal vez tenga razón. Sin embargo, no creo que la mejor manera de promover el avance científico sea mantener un espíritu abierto a rajatabla. A menudo es necesario olvidar las propias dudas y seguir las consecuencias de nuestros supuestos dondequiera nos conduzcan: lo importante no es estar libre de prejuicios teóricos, sino tener los prejuicios teóricos correctos. Y siempre, la prueba a la que debe someterse todo preconcepto teórico reside en aquello a lo cual conduce. El modelo corriente del Universo primitivo ha registrado algunos éxitos y brinda un marco teórico coherente para futuros programas experimentales. Esto no significa que sea verdadero, pero sí significa que merece ser tomado en serio.
Sin embargo, hay una gran incertidumbre que pende como una nube oscura sobre el modelo corriente. Subyacente en todos los cálculos descritos en este capítulo está el principio cosmológico, el supuesto de que el Universo es homogéneo e isótropo; (por “homogéneo”, queremos significar que el Universo presenta el mismo aspecto a todo observador que sea arrastrado por la expansión general del Universo, dondequiera que este observador pueda estar situado; por “isótropo”, queremos significar que el Universo presenta el mismo aspecto en todas las direcciones para un observador semejante). Sabemos por observación directa que el fondo de radiación cósmica de microondas es altamente isótropo a nuestro alrededor, y de esto inferimos que el Universo ha sido altamente isótropo y homogéneo desde que la radiación salió del estado de equilibrio con la materia, a una temperatura de unos 3.000 K. Sin embargo, no tenemos ninguna prueba de que el principio cosmológico sea válido para épocas anteriores.
Es posible que el Universo fuera inicialmente no homogéneo y anisótropo, pero posteriormente se haya homogeneizado a causa de las fuerzas de fricción ejercidas por las partes del Universo en expansión unas sobre otras. Tal modelo «mixto» ha sido defendido particularmente por Charles Misner, de la Universidad de Maryland. Hasta es posible que el calor generado por la homogeneización e isotropización friccionales del Universo sea el causante de la enorme proporción actual de mil millones a uno de los fotones a las partículas nucleares. Sin embargo, hasta donde alcanza mi conocimiento, nadie puede decir por qué el Universo habría de tener un grado inicial específico de ausencia de homogeneidad y de anisotropía, y nadie sabe cómo calcular el calor producido por su homogeneización.
En mi opinión, la respuesta apropiada a tales incertidumbres no es (como creen algunos cosmólogos) desechar el modelo corriente, sino más bien tomarlo muy en serio y desarrollar totalmente sus consecuencias, aunque sólo sea con la esperanza de hallar una incompatibilidad con la observación. Ni siquiera es claro que una gran anisotropía y falta de homogeneidad iniciales modificasen mucho la historia presentada en este capítulo. Podría ser que el Universo se haya homogeneizado en los primeros segundos; en ese caso, la producción cosmológica de helio y deuterio podría calcularse como si el principio cosmológico hubiera sido siempre válido. Aun si la anisotropía y la ausencia de homogeneidad hubiesen persistido más allá de la era de la síntesis del helio, la producción de helio y deuterio en todo grumo en expansión uniforme sólo dependería del ritmo de expansión dentro del grumo, y no sería muy diferente de la producción calculada en el modelo corriente. Hasta podría ser que todo el Universo sujeto a nuestra mirada cuando remontamos todo el camino de vuelta a la época de la nucleosíntesis sólo sea un grumo homogéneo e isótropo dentro de un universo más grande no homogéneo y anisótropo.
La incertidumbre que rodea al principio cosmológico se hace realmente importante cuando miramos retrospectivamente hacia el comienzo mismo o hacia el fin futuro del Universo. Seguiré apoyándome en este principio en la mayor parte de los dos últimos capítulos. Sin embargo, debe admitirse siempre que nuestros modelos cosmológicos sencillos pueden describir sólo una pequeña parte del Universo o una parte limitada de su historia».[4]
Es más, Steven Weinberg va más allá al suponer la posibilidad de que nos demos cuenta en el futuro que lo que hoy consideramos leyes universales de la física sean en realidad leyes construidas y basadas en accidentes históricos como la dirección de la rotación de los planetas del sistema solar alrededor del Sol causada por la dirección de la rotación de las nubes de gas y polvo a partir de la cual se formaron el Sol y los planetas. Pues esta nube rotaba en esta dirección y por eso los planetas giran en esta dirección. Este es un evento histórico y no una ley física.
«Por supuesto, cualquier determinismo que sobreviva en principio no nos ayuda mucho cuando tenemos que lidiar con sistemas reales que no son simples, como el mercado de valores o la vida en la tierra. La intrusión de accidentes históricos establece límites permanentes a lo que podemos esperar explicar. Cualquier explicación de las formas de vida actuales en la tierra debe tener en cuenta la extinción de los dinosaurios hace sesenta y cinco millones de años, lo cual actualmente se explica por el impacto de un cometa, pero nadie podrá explicar por qué ocurrió que un cometa golpeara la tierra justo en ese momento. La esperanza más extrema para la ciencia es que podremos rastrear las explicaciones de todos los fenómenos naturales hasta las leyes finales y los accidentes históricos.
La intrusión de accidentes históricos en la ciencia significa también que debemos tener cuidado con el tipo de explicaciones que exigimos de nuestras leyes finales. Por ejemplo, cuando Newton propuso por primera vez sus leyes de movimiento y gravitación, se planteó la objeción de que estas leyes no explicaban una de las regularidades sobresalientes del sistema solar, que todos los planetas giran alrededor del sol en la misma dirección. Hoy entendemos que esto es una cuestión de historia. La forma en que los planetas giran alrededor del sol es una consecuencia de la forma particular en que el sistema solar se condensó en un disco giratorio de gas. No esperaríamos poder deducirlo solo de las leyes del movimiento y la gravitación. La separación de la ley y la historia es un asunto delicado, uno que aprendemos a hacer continuamente a medida que avanzamos.
No solo es posible que lo que ahora consideramos condiciones iniciales arbitrarias puedan deducirse en última instancia de las leyes universales —sino que también es posible que los principios que ahora consideramos leyes universales acaben convirtiéndose en accidentes históricos. Recientemente, varios físicos teóricos han estado jugando con la idea de que lo que generalmente llamamos universo, la nube de galaxias en expansión que se extiende en todas las direcciones durante al menos decenas de miles de millones de años luz, es simplemente un subuniverso, una pequeña parte de un megauniverso mucho más grande que consta de muchas de esas partes».[5]
[1] Imagen: Sitio de la Agencia Espacial Estadounidense NASA. Credit: NASA, ESA, G. Illingworth (University of California, Santa Cruz), R. Bouwens (University of California, Santa Cruz, and Leiden University), and the HUDF09 Team. Available at:
http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/farthest-galaxy.html
[2] Fuente: Weinberg, Los tres primeros minutos del universo, págs. 145-47.
Steven Weinberg (3/5/1933) es un físico teórico que recibió el premio Nobel en 1979.
[3] Fuente: Tyson & Goldsmith, Orígenes, pág. 25.
[4] Fuente: Weinberg, Los tres primeros minutos del universo, págs. 119-121.
[5] Fuente: Weinberg, El sueño de una teoría final, págs. 37-38.
Extracto del libro La ilusión del ateísmo de Ahmed Alhasan (a)