L'univers se'ns escapa (i 4)

Avui arriba l'última entrega d'aquesta sèrie sobre la història de la cosmologia durant l'últim segle. Em queda per comentar una mica sobre els problemes filosòfics del Big Bang: què passa realment a l'inici de l'univers i com serà el final de tot plegat. Naturalment la física ni arriba ni arribarà mai a solucionar aquestes qüestions fins a les últimes conseqüències, però sempre es podran fer passos endavant.

Abans de tot presentaré uns objectes còsmics molt importants per a la discussió que molts ja coneixereu. Provenen d'una predicció de la relativitat general, que afirmava que quan una gran quantitat de massa es concentrava en una regió molt petita de l'espai, podia arribar a passar que el camp gravitatori es fes tan gran que la llum no tingués prou velocitat per escapar-ne. Si la llum no en pogués escapar, cap altra cosa podria fer-ho, i per tant aquests objectes es transformarien en un punt de no retorn de l'univers, en què la matèria podria entrar però mai sortir-ne. Posteriorment s'han anat observant indirectament un gran nombre d'aquestes regions disseminades per l'espai. El 1967 el físic americà John Archibald Wheeler les va batejar amb el popular nom de forats negres.

Els forats negres són importants per aquesta discussió perquè ens plantegen un problema semblant al del Big Bang: un lloc on la matèria es torna tan densa que la llum no en pot escapar i el temps s'acaba. Com podem tractar físicament aquestes situacions? La nostra física no està preparada per entendre-les? L'any 1965 el físic anglès Roger Penrose va demostrar aparentment que així era: va provar que les singularitats (situacions físiques en què una o més magnituds es tornen infinites) eren conseqüències generals de les equacions de la relativitat general i que estan presents en moltes de les solucions que podrien descriure el nostre univers.

La descripció d'en Penrose del seu descobriment és ben romàntica. Estava conversant amb un amic, i mentre creuaven un carrer va tenir una idea que va oblidar immediatament quan el seu amic va reprendre la conversa. Més tard, al vespre, se sentia estranyament eufòric i no sabia per què. Va ser només quan va repassar detalladament tot el que havia fet durant aquell dia quan va recordar la idea que havia tingut mentre creuava el carrer, que era una manera de demostrar matemàticament que les singularitats serien presents en totes les solucions que satisfessin un cert nombre de requisits.

Els teoremes de Penrose-Hawking, com així es van anomenar per la posterior contribució el 1970 del físic també anglès Stephen Hawking a la inevitabilitat de les singularitats, ens portarien a un punt mort, ja que en les singularitats no es poden aplicar les lleis de la física. Però aquests teoremes reposen sobre una assumpció molt dubtosa: que la relativitat general és aplicable, en la seva forma clàssica, en tots els punts de l'espai i el temps. I hi han raons ben fonamentades per pensar que en situacions com les del Big Bang o les dels forats negres entren en joc els efectes de l'altra gran descoberta del segle XX: la mecànica quàntica. No tenim cap teoria completa que combini la relativitat general amb la mecànica quàntica. De fet, els físics teòrics actuals estan com a bojos buscant el que s'ha anomenat una teoria de la gravetat quàntica, capaç de fer prediccions en aquestes situacions. La teoria de cordes és la que més suports rep de la comunitat física, però altres enfocaments alternatius com la gravetat quàntica de bucles o la teoria dels twistors també reclamen el seu paper. En qualsevol cas, cap d'aquestes ha sigut encara capaç de generar una predicció sobre les singularitats de la relativitat general.

Un altre problema actual de caire proper al filosòfic és el que es refereix al valor de les constants. La revolució de la mecànica quàntica iniciada l'any 1900 va culminar el 1975 amb el que es coneix com a Model Estàndard de la Física de Partícules. Aquesta veritable meravella de la creació humana descriu perfectament el comportament de la matèria a nivell microscòpic i el de totes les interaccions excepte la gravetat (per a això falta la gravetat quàntica). Els experiments sempre han coincidit amb les seves prediccions i ja fa més de 30 anys que funciona sense haver-li fet gaires modificacions. L'únic problema que té és que depèn d'una vintena de paràmetres fonamentals, tals com la massa del protó, la constant de Planck o la càrrega de l'electró, el valor numèric dels quals s'ha d'introduir “a mà”, és a dir, la teoria ens proporciona una gran quantitat de prediccions diferents que donarien lloc a universos diferents segons el valor d'aquests paràmetres, i és quan introduïm el valor numèric que obtenim a partir d'experiments que el model quadra perfectament amb la realitat.

Certament és un model vàlid, però ens agradaria encara anar més enllà i poder explicar el valor d'aquests paràmetres, que sortissin de forma natural d'algun raonament lògic. Més encara quan s'han fet models amb petites variacions d'aquests paràmetres i s'ha observat que en la gran majoria dels casos donen lloc a universos amb una vida molt curta, que no tindrien capacitat de crear estrelles i encara menys de crear estructures tan complexes com els éssers vius. Com pot ser que aquests paràmetres tinguin els valors tan precisos que tenen perquè l'univers hagi pogut arribar a crear vida? En quin moment es van ajustar aquests paràmetres i qui els va donar un valor tan perfecte per arribar a crear un univers com el nostre?

Finalment exposaré una possible solució, tant al problema de les singularitats com al del valor dels paràmetres. Es tracta d'una teoria ideada pel físic americà Lee Smolin i presentada en el seu llibre The Life of the Cosmos de 1997, que sona molt especulativa i de ciència-ficció però que és tan bella i elegant que m'ha enamorat i he hagut de posar-la. Espero que també us produeixi el mateix efecte que a mi.

L'Smolin parteix de dos postulats. El primer és que la gravetat quàntica eliminarà les singularitats del Big Bang i els forats negres, i que l'espai i el temps continuaran allà dins fins que eventualment s'expandiran a una nova regió que no podem observar. En els forats negres, aquesta nova regió podria ser un nou univers com el nostre, que podria expandir-se a partir del punt de densitat infinita del forat negre del nostre univers mitjançant un procés similar al Big Bang. A més a més, el nostre propi Big Bang podria provenir d'un forat negre d'un altre univers com el nostre. Així, tindríem un model d'universos que col·lapsen en forats negres, dels quals en surten nous universos. Aquest procés de compressió i expansió s'anomena Big Bounce (Gran Rebot). Això sol ja pot semblar molt aventurat, però de fet aquesta hipòtesi ja ha estat explorada per diversos científics i, curiosament, el juliol del 2007 el físic alemany Martin Bojowald va afirmar haver demostrat matemàticament la teoria del Big Bounce! Aquest treball està sent analitzat per altres cosmòlegs i suposo que hi deu haver un ardu debat al voltant de la demostració, però és una prova que el postulat no és una fantasia completa i té acceptació entre certs membres de la comunitat científica.

El segon postulat és que entre dos universos consecutius es produiran canvis petits i aleatoris en els paràmetres del model estàndard. La idea d'un Big Bounce amb canvis en els paràmetres no és nova, va ser proposada pel ja mencionat John Archibald Wheeler. L'únic que s'afegeix aquí és que aquests canvis són petits, cosa que pot semblar lògica però que serà la clau de la teoria.

Agafem ara un univers a l'atzar, amb els vint paràmetres del model estàndard amb uns valors numèrics qualssevol. Ja que en general els forats negres provenen del col·lapse de certes estrelles molt massives, el més probable és que un univers seleccionat a l'atzar no contingui forats negres, ja que tampoc formaria estrelles. De moment hem de requerir que després d'haver-se expandit, aquest univers es torni a contraure en un Big Crunch, perquè sinó se'ns acaba la història. En el moment del Big Crunch, seguint el primer postulat, la matèria rebotaria en un Big Bounce i s'expandiria en un nou Big Bang. Aquest nou univers, d'acord amb el segon postulat, tindria els paràmetres molt semblants a l'anterior, i per tant probablement tampoc generaria forats negres. Podem seguir la cadena durant el temps que faci falta fins que topem amb un univers que generi forats negres. Aleshores, diversos universos es formaran a partir d'aquest, altre cop amb petits canvis en els paràmetres. Alguns d'aquests canvis generaran universos un altre cop sense forats negres, i d'altres en canvi generaran universos amb encara més forats negres. En aquest punt podem tornar al principi del cicle i veure que no calia suposar que el primer univers acabaria en un Big Crunch, ja que la cadena podria acabar per aquell cantó però d'altres cadenes seguirien reproduint-se. Podem veure així que els universos amb més forats negres tindran més descendència, i que per tant després d'haver passat prou temps la població d'universos sense forats negres serà pràcticament menyspreable enfront de la que sí que en conté. Suposo que a hores d'ara ja heu vist perfectament el paral·lelisme amb la teoria de l'evolució de Darwin! No és estrany, doncs, que l'Smolin anomenés a la seva teoria selecció natural cosmològica.

L'última assumpció que hem de fer és que el nostre univers és un membre típic de la col·lecció. Això, si suposem que ha passat prou temps des que tot aquest cicle va començar, no és una aposta gaire arriscada. Per tant, el nostre univers tindria els paràmetres que té perquè són els que afavoreixen la producció de forats negres. Si tot això fos cert, l'evolució biològica de la Terra podria no ser més que una reproducció més complexa de l'evolució cosmològica! I tindria certa lògica, ja que seria molt estrany que el procés evolutiu terrestre s'hagués generat del no res, sense cap referència física més fonamental.

Una teoria realment elegant d'en Lee Smolin, que descansa sobre dos postulats una mica agosarats però que tenen certa raó de ser. Potser tot això no valdrà per res, però només per com estimula la imaginació i ajuda a crear connexions entre diverses àrees de la ciència ja val la pena. I, si és certa, ja només ens quedaria per respondre d'on va sorgir tot aquest cicle d'universos reproduint-se, i si continuarà per sempre. Però, com ja he dit al principi, respondre aquest tipus de preguntes fins a les últimes conseqüències probablement no ho podrem arribar a fer mai.

He fet un resum de la cosmologia moderna tan bé com he pogut i fins on arriben els meus limitats coneixements, i, si algú ho ha llegit tot fins aquí, espero haver-li pogut contagiar una mica de la meva il·lusió per tots aquests temes.

Bon Nadal a tots els habitants d'aquest i dels altres universos!!