lunes, 10 de marzo de 2014

UN VIAJE AL ORIGEN DEL UNIVERSO (PRIMERA PARTE)

"Como astrónomos no podemos decir nada excepto que esto es un milagro  que parece casi sobrenatural, un suceso que ha cruzado el horizonte y entrado en la ciencia mediante el big bang. ¿Se puede seguir el camino inverso, retroceder hasta fuera de la barrera y finalmente hallar la respuesta a la pregunta de por qué existe algo y no la nada ? No, no se puede, no dentro de la ciencia. Pero queda en pie un increíble misterio. ¿Por qué existe algo y no la nada?" Son palabras del astrónomo estadounidense Allan Sandage (1926-2010) que mostraba con sus palabras el sobrecogimiento , la fascinación, el vertiginoso misterio , la maravilla que nos envuelve, esa inmensa vastedad, ese océano cósmico que nos rodea y de lo que la Tierra, nuestro hogar, no es más que un pálido punto azul, una mota de polvo, una gota de agua entre incontables otras gotas. Si , un pequeño y pálido punto azul , nuestro hogar, apenas un pequeño planeta en el Sistema Solar, otro pequeño punto en una galaxia que recorrerla de un extremo a otro nos llevaría cien mil años viajando a la velocidad de la luz. Una galaxia que no es más que una entre otros cien mil millones de galaxias que albergan billones, trillones de planetas y estrellas. Entre la Tierra y nuestra estrella , el Sol, nos separan ciento cincuenta millones de kilómetros, una distancia que apenas podemos imaginar y que, sin embargo , no es nada con las dimensiones que los astrónomos estiman para el Universo, novecientos mil trillones de kilómetros ¿qué significa esa cifra? Nos es tan misteriosa e inconcebible como la propia naturaleza del Universo.

 El gran divulgador de la astronomía que fue Carl Sagan(1934-1996), el creador de la serie "Cosmos"  que en 1980 nos enseñó a tantos a maravillarnos por la belleza de aquel Universo que nos rodea y del que somos parte, decía en el episodio con el que iniciaba aquel viaje extraordinario por el cosmos "El cosmos es todo lo que es, todo lo que fue y todo lo que será. Nuestras más ligeras contemplaciones del cosmos nos hacen estremecer, sentimos como un cosquilleo , nos llena los nervios, enmudece nuestra voz, despierta una ligera sensación como de un recuerdo lejano o como si cayéramos desde gran altura. Sabemos que nos aproximamos al más grande de los misterios." Un misterio sobrecogedor, hermoso, al que la mayoría de nosotros sólo podemos intentar acceder a través del lenguaje poético y unos pocos privilegiados mediante el lenguaje matemático en el que según Galileo Galilei(1564-1642) está escrito el libro de la naturaleza . De nuevo Sagan, que se nos fue demasiado pronto, expresaba un anhelo de regresar a aquel misterio y escribía "Ansío regresar a las estrellas" , porque todo lo que nos rodea, todo lo que nuestros ojos perciben, nosotros mismos, somos el polvo de las estrellas, compartimos con ellas la materia y el origen, un origen que la ciencia ha logrado rastrear casi hasta su mismo inicio, casi...pero aquel momento inicial se escapa a nuestro conocimiento, no podemos alcanzarlo ¿tal vez nunca lo hagamos? No hay respuesta para esa pregunta , no de momento pero sólo a través de las preguntas el ser humano abandonó la oscuridad de las cavernas y elevó su mirada al cielo, observó aquellos puntos luminosos que brillaban en la distancia ¿qué eran?¿dioses, llamas celestiales? No podía responder pero aquel día nació la ciencia y la religión, el hombre comenzó a preguntarse por su origen, por el significado de su existencia.

"EN LA ORILLA DEL OCÉANO CÓSMICO" CAPÍTULO 1 DE COSMOS

Este es el primer capítulo de la serie "Cosmos: un viaje personal" que se estrenó en televisión en 1980 y constaba de trece capítulos escritos y presentados por Carl Sagan que nos enseñó lo que el ser humano había aprendido sobre el Universo y también nos ayudó a tomar conciencia sobre el lugar que ocupa nuestro planeta en ese inmenso espacio y la importancia de cuidar el que por ahora es nuestro único hogar, ese lugar que Sagan definía como el pálido punto azul. Justo en el día en que estoy escribiendo este artículo se estrena una nueva versión de "Cosmos" en National Geographic que esperemos  que logre que las nuevas generaciones se enamoren de la ciencia de la misma forma que Sagan lo consiguió hace tres décadas 




Por eso dice Sagan  que "el estudio del Universo es un viaje para autodescubrirnos" porque preguntarnos sobre el origen del Universo, sobre su naturaleza, es un viaje a nuestro propio origen, una búsqueda de la respuesta para las grandes preguntas ¿qué hacemos aquí?¿quiénes somos?¿por qué existimos?¿por qué existen los planetas, las estrellas y las galaxias?¿por qué hay leyes matemáticas que regulan el movimiento de los astros? ¿por qué existe la materia, la fuerza de la gravedad  o la fuerza electromagnética? ¿por qué hay neutrones, protones y electrones? , como decía Allan Sandage ¿Por qué existe algo y no la nada? Hoy os propongo que hagamos un viaje al pasado, pero no al pasado que suele ser protagonista en el Mentidero , un tiempo que se puede contar en siglos o milenios, habitado por reyes, emperadores, artistas, descubridores, revoluciones, guerras o conquistas , se trata de un viaje en el tiempo  hasta aquel punto en el que todavía no existía ni el tiempo ni el espacio, algo inconcebible para nosotros. No se trata de un lugar porque no existía el espacio, ni de un momento , porque el tiempo no había nacido, ni siquiera de algo porque no había un observador que pudiera constatar que allí había algo. No tengo palabras para explicarlo mejor y se que no tengo capacidad intelectual necesaria  para desarrollar mejor lo que quiero contaros hoy , pero vamos a viajar lo más cerca que podamos hasta el origen de todo lo que fue, todo lo que es y todo lo que será , un enigma que durante siglos los astrónomos han tratado de desentrañar, apoyándose unos sobre los descubrimientos de sus antecesores . En 1675 el gran Isaac Newton (1642-1727) escribía en una cara al también físico y astrónomo inglés Robert Hooke(1635-1703)  "Si he logrado ver más lejos , ha sido porque he subido a hombros de gigantes" reconociendo que sin la labor de los que le precedieron jamás habría logrado revolucionar nuestro conocimiento del Universo gracias a la exposición de la Ley de la Gravedad. 

Un agradecimiento cuyas palabras no eran suyas, porque en el siglo XII el historiador y eclesiástico Juan de Salisbury (1115-1180) citaba en 1159 en su obra "Metalogicon" a su maestro Bernardo de Chartres  escribiendo que "Decía Bernando de Chartres que somos como enanos a los hombros de gigantes. Podemos ver más, y más lejos que ellos, no por la agudeza de nuestra vista  ni por la altura de nuestro cuerpo, sino porque somos levantados por su gran altura" Y ahora nosotros vamos a subirnos sobre esos hombres  para tratar de lanzar un vistazo a través de eones de tiempo hasta llegar al primer segundo de la existencia de nuestro Universo hace  alrededor de unos trece mil setecientos millones de años. Los astrónomos han logrado llegar no ya a los primeros años , meses o semanas del Cosmos, sino a lo que sucedió en aquel primer segundo a partir de un punto al que los astrónomos denominan la Era de Planck, nombre dado en honor del físico alemán Max Planck (1858-1947), creador de la mecánica cuántica que se dedica al estudio de los fenómenos físicos a escala microscópica gracias a la cual se ha podido estudiar y explicar la existencia del átomo y sus elementos, protones, neutrones y electrones y de unas partículas todavía más diminutas, las llamadas partículas elementales, que podríamos definir como los ladrillos con los que está construido todo lo que existe, sin esas partículas elementales no habría átomos y sin átomos no existiría nada de lo que nos rodea y tampoco , por supuesto, nosotros mismos. Pero ¿qué es la Era de Planck? Es el lapso de tiempo entre el momento 0 del Universo y 10 elevado a -43 segundos(es decir, 0,0000000000000000000000000000000000000000001 segundos). En ese periodo de tiempo se levanta un velo que impide a los astrónomos saber que sucedió . Ese 10 elevado a -43 segundos es una constante llamada Tiempo de Planck  y sería el intervalo temporal más pequeño que puede ser medido, porque más allá de esa constante las leyes físicas fallan  .


File:WMAP.jpg
Imagen de la sonsa WMAP(siglas en inglés de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Esta sonda fue lanzada por la NASA en el año 2001  y sigue en activo en la actualidad  y su misión consiste en proporcionar información para  comprobar las teorías sobre el origen y evolución del Universo. Esta fotografía muestra lo que los astrónomos denominan radiación del fondo cósmico  que se consideran que son los ecos que se extienden por todo el Universo del estallido inicial , el Big Bang, aunque todavía no hay un consenso general sobre ello ya que no hay que olvidar que el Big Bang sigue siendo una teoría. , aunque es la más aceptada entre los astrónomos (Imagen procedente de http://es.wikipedia.org )


Lo que aconteció entre el momento 0 y el diez elevado a - 43 segundos escapa a nuestro conocimiento y posibilidades de observación y los físicos y astrónomos tienen que limitarse a especular sobre lo que había entonces. ¿Cómo era en aquel tiempo el Universo (y recordad que estamos hablando de una fracción de tiempo diminuta dentro de un segundo)? Se trata de un Universo de dimensiones tan diminutas que no podemos imaginarlo. Sus dimensiones son  de 10 elevado a - 32 centímetros que es poco menos que decir que apenas es algo o que  está muy cerca de ser nada. Su tamaño era tan diminuto que miles de millones de este microuniverso cabrían en el núcleo de un átomo y tal vez os hagáis una mejor idea de las dimensiones de la que estamos hablando si tenemos en cuenta que en la cabeza de un alfiler puede haber cinco billones de átomos y en sólo uno de estos billones de átomos que hay en la cabeza de un alfiler cabrían miles de millones de aquel Universo primigenio. Casi escapa a nuestra capacidad de comprensión, pero sigamos adelante. En el interior de ese Universo primigenio las condiciones son infernales, la presión interior es extrema, la temperatura en grados centígrados sería un 10 seguido de treinta y dos ceros, y probablemente no hay ni átomos ni electrones, es decir, la materia tal como la conocemos no existe ni tampoco la radiación, sólo existe una fuerza que controla lo que está sucediendo en el interior de este diminuto espacio y a la que podríamos llamar Fuerza Primordial, a la que se someten un infinito número de partículas para las que no tenemos nombres.  Imaginad ahora  el interior de este Universo como un líquido en el que la presión y el calor crean continuamente burbujas en su superficie , cuando cuando el agua está hirviendo. Estas burbujas estallan y desaparecen y se forman otras nuevas. Este huevo cósmico es muy inestable , la temperatura y la presión son demasiado fuertes y amenazan con escapar al control de la Fuerza Primordial. 

Y entonces, una de aquellas burbujas estalla con violencia y desencadena una explosión general del Universo que comienza su expansión. En realidad no debería de hablar de expansión porque como bien dice nuestro Diccionario de la Lengua , expandir es "extender, dilatar, ensanchar, difundir" y para ello es necesario que exista un espacio, algo hacia lo que expandirse y en el momento del estallido del Universo, ese instante que los físicos denominan Big Bang, el Gran Estallido, , no existe ningún espacio hacia el que expandirse , no hay nada, será el Universo quién al expandirse crea su propio espacio . Como lo define un artículo de la revista Geo que estoy consultando al escribir este relato "los acontecimientos son tan extraños que como ser humano uno no lo puede imaginar , sólo puede aceptarlo" Vamos a hacer un alto en el camino para resumir lo visto hasta ahora que se produce entre el momento 0 y el 10 elevado a -43 segundos en la vida de nuestro Universo, es decir, el lapso de tiempo en el que los físicos sólo pueden especular con lo que sucedió porque todos los modelos físicos fallan a la hora de describir lo que sucedió entonces . Un Universo tan diminuto que cabrían miles de millones de universos como este en un núcleo atómico, y en cuyo interior habría temperaturas infernales (que se estiman en  10 elevado a treinta y dos  grados centígrados ) y una presión inimaginable. No hay materia ni tampoco radiaciones y su interior podría ser como una espuma hirviente, hasta que en un determinado momento la Fuerza Primordial que lo controla todo no puede evitar que el estallido de una de aquellas burbujas cause una reacción en cadena que inicia , por decirlo de alguna forma, la expansión del Universo. Y nada más iniciar esa expansión comienzan a bajar las temperaturas. El Universo inicia su enfriamiento en el mismo momento de su nacimiento y eso será decisivo para explicar todo lo que vendrá después porque será el enfriamiento lo que permita al Universo crear una estructura tal y como la conocemos hoy


En este gráfico veis la evolución del Universo a partir de ese instante, el 10 elevado a menos 43 segundos . Todo lo que hubo entre ese momento y el momento cero  se escapa a nuestra capacidad de observación, es la denominada Era Planck en la que  los físicos y astrónomos sólo pueden especular con lo que dio lugar a la gran explosión , el Big Bang. Podemos imaginarlo  como un diminuto espacio donde reinan temperaturas infernales , una especie de sopa o plasma primigenio en el que todavía no existen partículas como los átomos, los electrones  ni tampoco radiaciones. Sólo hay un tipo de partículas a las que podemos denominar exóticas y que nos son desconocidas cuyo comportamiento está regulado por una Fuerza Primordial. Pero pronto la presión será tan excesiva que la Fuera Primordial no podrá controlarla y causará el estallido del  Big Bang, el nacimiento de nuestro Universo. Ese es el momento del 10 elevado a menos 43 segundos , el momento a partir del cual los astrónomos ya pueden observar lo que sucedió (Imagen procedente de http://red-estelar.webcindario.com )

La temperatura está relacionada con el orden y el desorden de las partículas. Trataré de explicarlos mejor. Pensad en un elemento tan común como es el agua. Cuando se encuentra en estado líquido las partículas que la componen se mueven  de forma desordenada, podríamos decir que a su aire. Ahora vamos bajando la temperatura  y a medida que esta descienden las partículas dejan de moverse libremente y se van uniendo poco a poco unas a otras. Cuando la temperatura baja aún más estas partículas forman con las otras partículas a las que se han ido agregando unos pequeños cristales a los que llamamos hielo. De esta manera han pasado del estado desordenado cuando el agua era líquida a un estado ordenado cuando ha descendido la temperatura hasta formarse el hielo. Es decir,al bajar la temperatura las partículas dejan de moverse desordenadamente y comienzan a constituir estructuras ordenadas. Según los físicos este enfriamiento  tendrá como primera consecuencia que de la Fuerza Primordial se separa una nueva fuerza,  la gravitación , que tiene la capacidad de lograr que dos cuerpos que tienen masa se atraigan, como sucede por ejemplo en nuestro Sistema Solar, donde la fuerza de gravedad de Sol consigue que la Tierra y los demás planetas que lo integran no se pierdan en el espacio profundo y se mantengan dando vueltas alrededor de la estrella que nos da la vida. La fuerza de la gravedad recién nacida atrae ahora a las partículas del Universo que acaba de estallar y tratará de frenar esa expansión como el jinete que tira de las riendas para frenar a su caballo. Pero la fuerza de la expansión es tan inmensa que la gravedad carece del poder necesario para detenerla. 

El espacio multiplica su tamaño por cien en un periodo de tiempo que os puedo escribir pero no explicar ,la cientrillonésima parte de una trillonésima de segundo . Sigue enfriándose y aparecen dos nuevas fuerzas  que se diferencian de la Fuerza Primordial y van a acompañar a la Fuerza de la Gravedad,  la  Fuerza Nuclear Fuerte ,gracias a la cual la materia se mantienen unida, y la Fuerza Nuclear Débil , por la que existe la radiactividad o la energía eléctrica. Estas energías se manifestarían bajo la forma de unas partículas a las que los astrofísicos han dado el nombre de Inflatones. Suceden cosas muy extrañas en este Universo recién nacido y la Fuerza de la Gravedad en lugar de hacer que los inflatones se atraigan unos a otros lo que consigue es que se repelan y con eso consigue acelerar la velocidad de expansión del Universo ya que los Inflatones se empujan unos a otros hacia adelante. , hacia el exterior. Estamos en el  momento 10 elevado a -36 segundos  y el Universo tiene ahora el tamaño de una pelota de treinta y cinco centímetros de diámetro Un crecimiento que se produce a una velocidad inimaginable, superior a la velocidad de la luz. Ya sabéis que Albert Einstein (1879-1955) estableció que en el espacio no es posible superar la velocidad de la luz, pero no olvidemos que se refiere a la velocidad de la luz en el espacio y cuando nace el Universo no hay espacio, se va creando al mismo tiempo que se expande el Universo, por lo que ninguna ley limita su velocidad de expansión. Los astrónomos denominan a este momento como la Fase de Inflación, cuando el Universo alcanza una velocidad de crecimiento que no volverá a repetirse. En el artículo de la revista Geo ponen un ejemplo que creo que os ayudará a visualizar la velocidad de su crecimiento. Imaginad la cabeza de un alfiler, si esta creciera a la misma velocidad que el Universo en ese instante al que hemos llamado Fase de Inflación, sería mil veces más grande que nuestro actual Universo en menos tiempo del que tardáis en pestañear una sola vez. Lo se, incomprensible, pero fue así. 


Esquema con las partículas elementales de la materia, los ladrillos con los que se ha construido todo lo que existe en el Universo, divididos en Quarks( que tienen esos curiosos nombres de Up, Down, Top, Bottom, Strange,Charm) y los Leptones (electron, electron neutrino, muon, muon neutrino, tau , tau neutrino) y sus correspondientes antiparticulas, como si se tratara de la imagen invertida en un espejo . Cuando una partícula de materia y una partícula de antimateria entran en contacto se destruyen ambas . Si en el Universo había el mismo número de partículas de materia a y de antimateria el Universo estaría avocado a su destrucción. Mañana veremos que esto no fue así , aunque es otro de los enigmas del nacimiento del Universo (Imagen procedente de http://www.lhc-closer.es ) 

Pero el enfriamiento del Universo tendrá nuevas consecuencias .Los inflatones se desintegran  y de ellos surgirán nuevas partículas . Una de ellas son los fotones , unas partículas que carecen de masa  y viajan a una velocidad constante de 299.792.458 metros por segundo, es decir casi trescientos millones de metros por segundo, y que hoy conocemos como Velocidad de la Luz. Ellos son los encargados de transportar los diferentes tipos de radiación, desde los Rayos X hasta los Rayos Infrarrojos, y por ejemplo gracias a ellos la luz del sol llega hasta nosotros. Pero no es la única. partícula que nace de los inflatones. Aparecen también los neutrinos, una partícula que carecen de carga eléctrica y tienen una masa tan pequeña que  son casi indetectables, los electrones, que tienen carga eléctrica negativa y que podemos imaginar (aunque no es exacto) como unos pequeños satélites que giran alrededor  de los núcleos atómicos,  y finalmente los Quarks , que son los ladrillos fundamentales que constituyen la materia y de los que conocemos seis (Up, Down, Charm,Strange, Top y Bottom) que luego formarán los protones y neutrones que a su vez forman los átomos que constituyen toda la materia que vemos, incluido nosotros mismos , y los leptones,otras partículas elementales como los quarks . Pero además a cada una de estas partículas con masa, es decir, electrones y quarks, existía una partícula con carga opuesta, una antipartícula . Así a un electrón , que tiene carga negativa, se le opone un positrón, con carga positiva, y a los seis tipos de Quarks, unos con cargas positivas y otros negativas, se les oponen los Antiquarks. Es como si tuviéramos dos Universos diferentes y paralelos, un Universo de materia, constituido por electrones y quarks, y un Universo de antimateria, formado por positrones y antquarks y luego, como elementos neutrales en la guerra que se desatará entre materia y antimateria, se encuentran los fotones, que ya sabemos que no tienen masa, y los neutrinos que casi carecen de ella. La gravedad ejerce su influencia entre las partícula de materia y antimateria, consigue que se atraigan y cuando chocan entre si se destruyen.  El Universo tiene una diez mil millonésima parte de un segundo, , la temperatura es de mil billones de grados centígrados  y su tamaño ahora es como el de nuestro Sol. El Universo está muy cerca de vivir un momento decisivo que determinará su existencia o su desaparición. Pero ha llegado la hora de detener aquí el relato y proseguir mañana en la segunda parte del nacimiento del Universo, algo tan desconcertante que Blaise Pascal lo definió así "El Universo es una esfera infinita cuyo centro está en todas partes , y  su circunferencia en ninguna"

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