La "Era de Planck" y los orígenes de nuestro universo.
-Los orígenes de nuestro universo-
"El elemento creativo de la mente humana surge de un modo misterioso al igual que las partículas experimentales que existen momentáneamente en grandes ciclotrones, para desvanecerse de nuevo como fantasmas infinitesimales". Arthur Stanley Edwwington
Como ya detalláramos, fue el polémico astrónomo británico Fred Hoyle (1915-2001) que no estaba de acuerdo con la teoría desarrollada por George Lamâitre sobre la expansión del Universo, el que en el año 1949 en una emisión de radio de la BBC, se refirió a esta teoría , como la "Gran Explosión", en idioma inglés el "Big Bang". Por supuesto que nada identifica a este instante como una gran explosión que necesitaría de un espacio, ni tampoco podrían extenderse las ondas sonoras de un "bang" en donde todavía no existía el propio espacio. Hay un crecimiento, nunca una explosión. A la teoría de Lamâitre originalmente se le llamaba como "la hipótesis del átomo primigenio" o "huevo cósmico". La mención de Fred Hoyle bautizando el inicio de nuestro universo como el "Big Bang" la hizo con un claro sentido peyorativo, y por supuesto nunca imaginó que paradójicamente, estaba acuñando la denominación que se haría rápidamente popular de la teoría a la que dedicaría tantos esfuerzos para invalidar. Posiblemente, hoy es más recordado por esta mención que por sus aportes en la teoría de la nucleosíntesis estelar que creó una nueva disciplina en la astrofísica. El Big Bang anticipado por la matemática de la relatividad general, comenzó a adquirir verosimilitud, ya a raíz de la abundancia en el espacio de los elementos ligeros (hidrógeno y helio), ya por el alejamiento de las galaxias y de los cúmulos de galaxias (las estructuras más grandes del universo conocidas hasta el presente) entre sí y también por el fondo cósmico de microondas que se extiende por todo el universo conocido. En el año de 1965, el descubrimiento del denominado fondo cósmico de microondas confirmaría la teoría a la que se oponía Hoyle, aunque éste, hasta su fallecimiento nunca la admitiría. En 1948, los científicos norteamericanos George Gamow, Rhalp Alpher y Robert Herman habían propuesto que los elementos químicos podrían haber sido producidos por reacciones nucleares que se habrían producido en la bola de fuego inicial del universo. Fred Hoyle mediante su teoría de la nucleosíntesis estelar contradeciría esa hipótesis y así se demostraría. Tanto Hoyle como Gamow, Alpher y Herman tenían razón, pues el Big Bang sí habría producido por fusión nuclear elementos "livianos" como el hidrógeno (algunas trazas de deuterio), el helio, el litio y el berilio. Luego de que el universo se enfrió por debajo del límite de fusión, ya no se pudieron producir más elementos, estos se generarían en el interior de las estrellas. Ya en el año 1931, Karl Jansky un ingeniero de Bell Telephone Laboratory que procedía a estudiar las perturbaciones de las líneas telefónicas constató que dichas alteraciones eran producidas por algo que procedía del espacio. El "descubrimiento" del fondo cósmico de microondas se realizó de forma accidental por dos científicos (Arno Penzias y Robert Wilson) de Bell Telephone Laboratory que llevaban a cabo una serie de investigaciones relacionados con el primer satélite de comunicaciones (el Telstar). Dichos científicos asignados a la tarea de eliminar el "ruido" detectado por la antena dedicada a la telecomunicación satelital, comprobaron luego de eliminar todas las posibles fuentes, que la misma señal de microondas no variaba a lo largo del tiempo y que además era isotrópica, es decir que se presentaba igual sin importar en que dirección se rastreaba. El 25/01/1983 se lanzo el IRAS (Infrared Astronomical Satellite) en una misión de la NASA en conjunción con los Países Bajos y el Reino Unido con la tarea de hacer un mapeo en longitudes de onda infrarroja¹). En su corta misión de diez meses llegó a mapear cuatro veces el 96% del cielo aportando unas 350.000 nuevas fuentes de infrarrojo, muchas de las cuales continúan sin identificar. El 18/11/1989 fue lanzado el Explorador del Fondo Cósmico COBE²) (Cosmic Background Explorer) desarrollado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA para medir la radiación infrarroja y de microondas de nuestro universo primitivo. Fue construido expresamente para tratar de confirmar los postulados de la teoría del "Big Bang". Los tres instrumentos científicos que portaba contribuyeron con importantes datos al conocimiento de nuestro universo primigenio confirmando en gran parte los supuestos de la teoría del Big Bang. La sonda espacial Planck fue lanzada el 14/05/2009 operada por la Agencia Espacial Europea (ESA) y demostró la existencia de pequeñísimas variaciones de temperatura (anisotropías) correspondientes a diferentes densidades de los primeros momentos del universo (unos 380.000 años después del Big Bang, límite al cual pretende llegar la observación del Telescopio Espacial James Webb). El DMR (Differential Microwave Radiometer) (Radiómetro Diferencial de Microondas) uno de los tres instrumentos que portaba el COBE encontró por primera vez que la radiación de fondo de microondas poseía una anisotropía intrínseca. Estas pequeñas variaciones muestran como se distribuía la materia y la energía en un universo muy temprano. Se especula que estas ondas de densidad han dado lugar a las estructuras que dan forma a nuestro universo actual (cúmulos de galaxias, espacios intergalácticos, etc.). El 30/06/2001 la NASA lanzó el WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) para profundizar los estudios que había realizado COBE.
Imagen del WMAP del CMB (fondo cósmico de microondas). Cortesía: NASA
Diagrama del WMAP (modificado al español). Cortesía: NASA
El observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea colocado en órbita en el punto Lagrange 2 a 1.500.000 km. de la Tierra, ha servido para precisar con una mayor exactitud los parámetros cosmológicos fundamentales.
Crédito: ESA
Con posterioridad al llamado "Big Bang", adelante del muro de Planck que oculta lo inalcanzable, en un increíblemente breve instante (10-44 a 10-43 segundos) encontramos lo que se ha denominado la "Era de Planck". Antes del "comienzo", quizás la nada. En una oportunidad, el físico teórico y Premio Nobel 2004 Franck Wilzeck dijo: "La razón de que existe algo en lugar de nada, es que la nada es inestable".
Las leyes de la física se expresan en fórmulas matemáticas. El problema original es que las leyes de la física no se pueden aplicar al "Big Bang". Hay una discrepancia. Las ecuaciones de la relatividad general de Einstein colapsan entre 0 y 10-36 segundos. Es una de las que se han denominado "singularidades" cósmicas. En este caso hablamos de la singularidad cósmica inicial a la que debe agregársele la ley de causalidad. Como hemos comprobado con las observaciones anteriormente descriptas, el universo está en expansión siguiendo la ley de Hubble, también conocida como ley de Humason-Hubble (Edwin Hubble y Milton Humason), reconocida con justicia como ley de Hubble-Lamâitre a partir de octubre de 2018. Es la ley del corrimiento al rojo que establece básicamente que la velocidad de alejamiento de una galaxia es proporcional a su distancia. Cuanto más alejada una galaxia de la nuestra más rápido se retira. Esto no quiere significar, por supuesto, que en esa que ha sido tendencia histórica de la humanidad seamos el centro del universo, todas las galaxias se alejan unas de otras, comparándoselas con puntos en un globo que se expande.
En ese instante del llamado Big Bang se despliega el espacio-tiempo y la materia desde lo que se define habitualmente como un punto infinitesimalmente pequeño, pero que no es en realidad un punto en un espacio porque es el inicio del espacio mismo. Pero tampoco se trata del tiempo y el espacio como lo podemos concebir con nuestra experiencia actual. Se trata de una etapa sumamente turbulenta y es muy poco lo que podemos especular sobre como se podría describir. Si pretendiéramos introducir un fotón para observar este período, la energía tan alta lo convertiría en un pequeño agujero negro que destruiría la información que procurábamos. En este esfuerzo de interpretar la estructura tempranísima del tejido del espacio-tiempo y la gravedad cuántica, encontramos las teorías de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles o de lazos, LQG ("Loop Quantum Gravity"). La popularizada teoría de cuerdas se aleja del concepto de dualidad onda-partícula y trata de explicar las partículas fundamentales como ondas en una cuerda. Esas cuerdas subatómicas vibran y ese patrón de vibración o armónico es lo que le confiere una identidad variada y no por el material que da forma a la propia cuerda. Es una teoría eminentemente matemática y se comenta irónicamente que existen tantas teorías de cuerdas como teóricos que la adoptan. Los medios de comunicación le han dado una manifiesta promoción. La llamada teoría de cuerdas M es el intento en la década de los noventa de parte de un grupo de científicos, entre los que destaca Edward Witten de unificar las cinco grandes corrientes de la teoría de cuerdas en una sola. Se trata de una forma de querer crear una teoría del todo uniendo las cuatro fuerzas fundamentales. Digamos que el propio Einstein fue ridiculizado en la década de los cuarenta cuando quiso unificar la teoría cuántica y la gravedad. Por otra parte la teoría LQG ofrece una manera hipotética de descomponer el espacio-tiempo en sus componentes más pequeños, a los que les asigna el nombre de nodos (en el tamaño del volumen de Planck 10-33 cm). Según dicha teoría, los nodos serían los que proveerían al espacio-tiempo de un tejido de soporte. Siendo estos nodos unidos por enlaces. El espacio inicial con mucha energía y temperatura, se postula que tendría muchas dimensiones. Al decrecer la energía también disminuirían las dimensiones. Este proceso de decrecimiento de la energía es llamado "túnel cuántico" y consistiría en la capacidad de los sistemas atómicos de cambiar de una energía a otra, que parecería violar la ley de la conservación de la energía. Suceden de esta forma una serie de modificaciones en los nodos creando lo que John Wheeler denominó espuma cuántica espacio-temporal. Hasta hace muy poco describíamos al espacio-tiempo como extendiéndose en cuatro dimensiones. Ancho, altura, profundidad correspondientes al espacio, y tiempo. Pero todo indica que esto debería cambiar. No hay acuerdo de que tanto se deberían ampliar el número de dimensiones. Hasta hace muy poco, la idea que prevalecía entre los teóricos de cuerdas era la de la existencia de un universo decadimensional, en el cual encontraríamos nueve dimensiones espaciales más el tiempo. Sin embargo, la minoría defensora de la teoría de la supergravedad no cesaría en su labor de demostrar la existencia de una decimoprimero dimensión. Stephen Hawking era de la opinión que deberían existir once dimensiones espaciales, pero que las ondas gravitacionales por su supuesta capacidad de estirar el espacio nos impedirían observar las siete restantes. Finalmente, la concepción de una decimoprimera dimensión englobando las diez anteriores en forma de membranas, parecería interpretar nuestro universo integrando las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La decimoprimera dimensión se concebiría como de una longitud infinita pero de un diámetro pequeñísimo. Se especula que parte de la fuerza de gravedad podría estar emigrando de esas membranas en forma de gravitones, pero la existencia de los mismos no ha sido comprobada aún. Nuestro universo sería una membrana o una burbuja en el hiperespacio que podría estar vecina a otras membranas vibrando al otro lado de la undécima dimensión. La existencia de otros universos sería una forma de explicar lo débil de la gravedad en relación con las otras fuerzas. Es claro que estamos en un campo especulativo por ahora, donde recién damos los primeros pasos. Recién estamos empezando a conocer y comprobar ciertos comportamientos de las partículas del universo que no solo podrían conformar materia, sino también las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza conocidas, constituidas en la "Era GUT" (10-43 a 10-36 segundos), inmediatamente posterior a la "Era de Planck". De acuerdo a las teorías actuales, el universo primitivo sumamente caliente y denso originó una única "súper fuerza", que al expandirse y enfriarse derivó en la creación de las otras. Durante la "Era de Planck" las cuatro fuerzas estaban unificadas en una sola. Teoría de la unificación total (TOI). Luego habría una separación entre la gravedad y las otras tres fuerzas. Posteriormente, mientras se dice que la gravedad se "congela", las otras fuerzas fundamentales evolucionan. Esto es de acuerdo a un modelo en física de partículas, la teoría de la gran unificación, GUT por su sigla en inglés ("Gran Unification Theory") que unificaría tres de las cuatro fuerzas fundamentales existentes en la naturaleza: la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética; dejando fuera a la fuerza gravitacional. Se ha logrado demostrar mediante experimentos que a alta energía es posible crear una interacción electrodébil que unifica a la fuerza nuclear débil y a la electromagnética. Su predicción en 1979 contribuyó a que a Steven Weinberg, Abdus Salam y Lee Glashow obtuvieran el Premio Nobel de Física. En 1983 el descubrimiento de los bosones ³) vectoriales intermedios, las partículas W y Z que junto con el fotón, partícula que estaba involucrada en la interacción electromagnética, proporcionan las condiciones para unificar las interacciones débiles y electromagnética.
Imagen fuera de escala, ilustrativa de la evolución del universo con la representación del WMAP. Cortesía: NASA
El período abarcado por la "era de Planck" y la "era GUT" es el espacio que está dentro del ovalo rojo de este diagrama de la evolución del universo. Se extienden desde el "Big Bang" hasta la "era inflacionaria". Desde el inicio del tiempo hasta los 10 -36 segundos. Desde ese instante hasta transcurridos 10 -34 segundos, durante la "era inflacionaria" el tamaño del universo se multiplicó por un factor gigantesco.
¹)- IRAS fue el primer telescopio infrarrojo basado en el espacio. Su misión estuvo limitada por el sistema de enfriamiento activo por encontrarse en órbita alrededor de la Tierra como en el caso de la mayoría de los observatorios infrarrojos, como ya advertíamos en el relato de la misión del Telescopio Espacial James Webb. Construido por Ball Aerospace & Technologies Corp. se trató del primer satélite enfriado criogénicamente con helio superfluido (poco más de 77 kilos, unas 170 libras). No solamente aumento el número de fuentes de infrarrojo detectadas en aproximadamente un 70% y aportó datos trascendentes sobre las galaxias lejanas, sino que también obtuvo las primeras imágenes del centro de la Vía Láctea. Fue suplantado en su tarea por el telescopio espacial Spitzer puesto en órbita el 25/08/2003.
²)- También llamado Explorer 66, su lanzamiento estaba planeado para ser realizado en 1988 a bordo de un transbordador espacial, pero la tragedia del Challenger retrasó el mismo, siendo el mismo finalmente efectuado por un cohete Delta II. Aprovechando las tecnología innovadoras desarrolladas para IRAS que había mapeado el universo infrarrojo en la longitud de onda de 8 a 120 micrómetros, el COBE amplió el rango de exploración de 1,25 a 240 micras. Se puede afirmar que el COBE inauguró la cosmología de precisión.
³)- Según el Modelo Estándar de la física de partículas, que hasta este momento es la mejor manera de describir la materia, y es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial, aunque deja fuera una de las fuerzas fundamentales que interactúan con ella (la gravedad), existen unas series de subpartículas atómicas que utilizan los físicos de la actualidad para describir los componentes de la materia. Hablamos de los fermiones y de los bosones observables experimentalmente. Para explicarlos de una forma sencilla digamos que tendríamos las partículas de la materia (fermiones), las que sirven para transmitir las fuerzas de interacción entre las mismas (bosones) y el bosón de Higgs.
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