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!!

L'univers se'ns escapa (3)

Continuem on ens havíem quedat. Ahir vam presentar la teoria del Big Bang i la història de com va acabar-se imposant com a teoria científica gràcies a les evidències observacionals. Ara toca parlar dels problemes que comporta acceptar aquesta teoria, i quins han sigut els intents de solucionar-los. Parlaré bàsicament de dos problemes: un de caire més tècnic, que exposaré avui, i un de caire més filosòfic, que quedarà per a la propera i última entrada.

La imatge popular del Big Bang és la d'un origen de l'univers format per un punt adimensional de densitat infinita que “explota” i comença una expansió de velocitat decreixent que l'ha portat a la situació actual. Però això no és exactament així. En realitat, la relativitat general no diu que totes les partícules es troben en el mateix punt al moment inicial, sinó que totes elles comencen a expandir-se, simultàniament però separadament. Just després del primer instant de temps, l'univers ja té unes dimensions espacials finites. Això vol dir que des del principi, hi ha regions de l'univers que no han estat mai en contacte entre elles, degut a la finitud de la velocitat de la llum.

Això origina un problema lògic. Per les observacions, podem afirmar que l'univers té el mateix aspecte, mirem en la direcció que mirem. Aspectes com la temperatura o la densitat de matèria són iguals en tots els punts observables, si ens ho mirem a una escala prou gran. És el que s'anomena Principi Cosmològic. Això seria normal si totes aquestes regions haguessin estat en contacte, per la tendència natural de dos cossos a estats diferents a assolir un equilibri entre ells. D'altra banda, degut al pas del temps i l'expansió de l'univers, la llum ha posat en contacte regions que abans no ho estaven, i sempre s'observa aquesta mateixa uniformitat de les característiques de l'univers. Com pot ser que regions creades separadament i que han tingut una evolució diferent, tinguin la mateixa pinta? És la mateixa pregunta que ens fem quan en moltes sèries de ciència-ficció veiem que tots els alienígenes parlen anglès. Aquesta qüestió s'anomena en cosmologia el problema de l'horitzó.

El 1981, l'astrònom americà Alan Guth va proposar una solució. Descobrí que alguns models de partícules predeien que en les condicions inicials d'alta densitat del Big Bang, l'univers podia “superrefredar-se”. I quan va analitzar els efectes gravitatoris d'aquesta matèria superfreda, va trobar-se que es tractaria d'un material molt tens gravitacionalment repulsiu, cosa que de fet actuava com a una constant cosmològica! No exactament com la constant cosmològica “clàssica”, sinó com una constant temporal que desapareixeria així que l'univers hagués assolit un cert grau d'expansió. Durant el temps en què aquesta energia estigués activa, l'univers patiria una fase de creixement exponencial, que ell va anomenar inflació. L'expansió durant aquest període treballaria “més depressa que la llum” (de fet, només l'espai s'expandiria, així que realment no hi hauria informació viatjant més depressa que la llum), possibilitant que, regions que avui ens semblen massa llunyanes per haver estat mai en contacte, estiguessin abans de la inflació intercanviant-se informació, obrint així els horitzons. El pitjor error d'Einstein ressorgia del pou de l'oblit!

La inflació és la teoria que més consens ha generat entre els científics, però no hi ha evidència observacional que li doni suport i existeixen teories alternatives que reclamen el seu dret a jugar un paper. Una de les més interessants és la de la variabilitat de la velocitat de la llum, ideada originàriament per John Moffat el 1992, i desenvolupada independentment el 1997 pel cosmòleg portuguès João Magueijo, que diu que la llum podria haver viatjat a una velocitat molt major que l'actual en el passat, donant així temps a regions llunyanes per interactuar entre elles i equilibrar les seves propietats. La teoria ha tingut cert èxit ja que té un ventall més ampli d'aplicacions que la inflació, si bé no resol alguns problemes concrets del Big Bang com ho fa la primera. Només el temps i les observacions diran qui té raó. En Magueijo fa una descipció entretinguda i apassionant de la seva teoria al seu llibre Faster than the Speed of Light, publicat el 2003.

Finalment, el 1998 un nou descobriment va sacsejar tota la teoria de formació i evolució de l'univers: mitjançant observacions a certs tipus de supernoves, els astrònoms Adam Riess i Saul Perlmutter van concloure que l'expansió de l'univers s'està accelerant! Realment és molt estrany, ja que recordem que cap dels 3 models de Friedman provinents de la relativitat general fa això! I certament, amb una teoria únicament gravitatòria és impossible d'explicar, ja que com ja hem dit, la gravetat únicament te efectes atractius, i una acceleració de l'expansió l'hauria de causar per força una interacció repulsiva. Els físics han anomenat a aquesta força misteriosa energia fosca en un exercici de precaució, si bé les seves característiques ens remeten de nou a pensar en la famosa constant cosmològica! Podria ser que l'energia repulsiva no s'hagués evaporat al final de la inflació, sinó que hagués continuat actuant per sempre? Podria ser que el pitjor error d'Einstein fos en realitat la seva millor intuïció?

Aquest és un dels temes que més preocupa a la comunitat cosmològica avui en dia. Hi ha teories rivals i científics que lluiten per mostrar els punts positius d'una teoria respecte les altres, i tot està a l'espera de futurs descobriments observacionals que portin una mica de llum a l'assumpte. Per l'última entrada em queda parlar dels aspectes més filosòfics de la teoria del Big Bang: què és realment el moment inicial i d'on va sorgir l'espurna que el va fer “explotar”? Quin serà el final del nostre univers? Tot això, a l'última entrega de “L'univers se'ns escapa”.

L'univers se'ns escapa (2)

Continuaré amb la història d'ahir. Vaig quedar-me amb la demostració observacional per part d'Edwin Hubble de què l'univers s'està expandint. De la visió generalitzada d'un univers estàtic i etern, el primer adjectiu quedava descartat. Després de la descoberta de Hubble, ràpidament es van trobar problemes per al segon. Si l'univers s'està expandint actualment, podem viatjar mentalment enrere en el temps i deduir que com més lluny viatgem, més petit era el cosmos. Si seguim viatjant fins al final, arribarem a un moment inicial en què la matèria estava concentrada amb densitat infinita, de forma similar al Big Crunch que hem mencionat, però ara com a origen i no com a final.

Aquesta teoria va ser proposada inicialment pel sacerdot (sí, ho heu sentit bé, sacerdot) i astrofísic belga Georges Lemaître l'any 1927, abans de les observacions de Hubble. Lemaître també va haver de passar pel mal tràngol de ser refusat per Einstein: el físic alemany li envià una carta en què li va dir: “els vostres càlculs són correctes, però la vostra física és abominable”. L'any 1935 Einstein, després d'una conferència de Lemaître a Princeton, diria en canvi que aquesta era “la més extraordinària explicació de la creació que he sentit mai”.

El 1948, Hermann Bondi, Thomas Gold i Fred Hoyle van proposar una teoria alternativa a la de Lemaître. Van proposar que, al mateix temps que l'univers s'expandia, nova matèria era creada de tal forma que la densitat global de l'univers es mantenia constant i aquest no només es mantenia simètric respecte a l'espai, sinó també respecte el temps. No tenia principi ni final. S'anomenà la teoria dels estats estacionaris. Un any més tard, en un programa de ràdio sobre cosmologia de la BBC, Fred Hoyle, un dels inventors d'aquesta teoria, es va referir despectivament a la teoria rival com la del “Big Bang”. Irònicament, el terme va causar furor i lluny de ridiculitzar la teoria de Lemaître, va ser el primer pas per a la seva victòria en aquesta batalla per definir l'origen de l'univers.

Realment, la demostració empírica de la validesa de la teoria del Big Bang va donar-se el 1965 amb el descobriment per part de Arno Penzias i Robert Woodrow Wilson d'una radiació electromagnètica de microones que cobreix l'univers sencer anomenada Radiació Còsmica de Fons, que ja havia estat predita teòricament el 1948 per George Gamow. Aquesta radiació concordava perfectament amb la teoria del Big Bang si provenia del predit origen de l'univers amb densitat de matèria i temperatura molt altes, i en canvi no tenia explicació en l'univers estacionari de Hoyle i companyia.

Visió esquemàtica de l'evolució de l'univers des del Big Bang: el temps està representat en l'eix vertical i l'espai en l'horitzontal.

Tenim doncs, de moment, ampli consens en quin és l'origen de l'univers i en el seu estat actual d'expansió, i tres possibles finals corresponents als tres models de Friedman. Però ràpidament es van trobar problemes amb la teoria del Big Bang, i es van fer noves observacions que van possibilitar l'elecció entre els 3 models de Friedman. La història continuarà en la propera entrada.

L'univers se'ns escapa (1)

Finalment m'he decidit a fer una entrada que concordi amb el tema nominal d'aquest blog: física. Parlare d'un dels temes més interessants per a molts: la cosmologia, l'estudi de l'univers com a un tot. Quin és l'origen de l'univers? Com hem arribat al lloc on estem, i quin és el seu possible final, si és que n'ha de tenir? Vull fer un resum molt breu de les teories actuals de formació i evolució del cosmos i comentar els problemes científics i filosòfics més evidents que comporten.

Podríem dir que la cosmologia moderna neix amb la Relativitat General d'Einstein l'any 1915. Aquesta teoria confirmava la idea newtoniana que la única força que actua a grans escales cosmològiques és la gravetat, si bé la va descriure d'una forma molt diferent en termes de la curvatura de l'espai i el temps. Einstein aviat es va trobar amb un problema entre la seva teoria i una creença generalitzada en el seu temps: tothom creia en un univers estàtic i etern, però si la gravetat és l'única força que actua a grans distàncies, tota la matèria de l'univers s'atrauria mútuament i l'univers sencer s'hauria de comprimir. Per contrarrestar aquest efecte, Einstein va afegir un famós terme a la seves equacions de camp, anomenat constant cosmològica, que tenia els efectes antigravitatoris justos per contrarrestar la gravetat i possibilitar un univers estàtic estable.

Uns anys més tard, el 1922, el brillant matemàtic rus Alexander Friedman va oblidar-se dels prejudicis cosmològics de la seva època i va derivar unes solucions consistents de les equacions d'Einstein que predeien l'expansió de l'univers. Friedman va enviar el seu treball a una revista alemanya, i el mateix Einstein li va contestar contundentment dient-li que s'havia equivocat en els càlculs. Com tots els físics de la seva època, Friedman admirava profundament Einstein, i va repassar intensament el seu article buscant on s'havia equivocat, però al final es va haver de rendir a l'evidència: els càlculs eren correctes i Einstein s'havia precipitat en la seva valoració. Efectivament un temps més tard Einstein, probablement amb certa vergonya, va admetre el seu error i va acceptar que les solucions de Friedman eren impecables matemàticament, però malgrat tot va afegir al final que difícilment s'hi podia trobar un significat físic.

Mencionaré breument els tres models de Friedman. El físic rus donà 3 possibilitats diferents d'evolució de l'univers. El primer model diu que si la massa total és superior a un cert límit crític, els efectes gravitatoris n'acabaran frenant l'expansió i eventualment induïrien l'efecte contrari, és a dir, l'univers acabaria comprimint-se fins a un punt de densitat infinita (Big Crunch) després de la qual cosa la física ja no tindria resposta per al que podria passar. El segon model postula que si la massa és inferior a aquest mateix límit, la gravetat no tindria mai prou força per aturar l'expansió i, si bé aquesta s'aniria frenant, l'univers continuaria expandint-se indefinidament i la matèria s'aniria disseminant, també per sempre (Big Rip). El tercer model diu que si la massa de l'univers tingués justament el valor crític, l'expansió es frenaria a un ritme tal que per al temps tendint a infinit l'univers tendiria a ser estàtic.

La fi del conflicte arribà l'any 1929, quan l'astrònom americà Edwin Hubble, utilitzant telescopis i tècniques d'observació revolucionàries, va poder confirmar que les galàxies s'estan allunyant unes de les altres i que, per tant, l'univers s'està expandint, donant així validesa als models de Friedman. Una derrota moral d'Einstein que el portà a qualificar la constant cosmològica com “l'error més gran de la seva vida”.

La història continuarà en la propera entrada...

Perdut en la boira

Escric des de l'únic cyber que funciona a tot el poble de Navalmoral de la Mata, una encantadora vila extremenya de la província de Cáceres. La boira i el fred t'entren per tots els racons quan camines pels carrers foscos del poble, tot un avís del què ens trobarem a Dublín els 10 físics que anirem a passar allà 5 dies post-exàmens. Estic instal·lat en un edifici que és alhora hotel (d'una estrella), restaurant i gasolinera. I la sala de joc és una petita sala d'actes propera a l'hotel.

Durant el viatge (en avió i autocar) he pogut contemplar la faraònica terminal T4 de l'aeroport de Madrid per primer cop. Després de seguir tot un circuit laberíntic des de l'avió fins a la planta baixa de l'edifici i buscant el lloc on havia de recollir la maleta, m'adono (ens adonem, he vingut amb el Robert Alomà) que estem a la T4-Satélite i que per anar a la T4 en si cal agafar una espècie de metro propi de l'aeroport que ens ha portat durant 5 minuts per un túnel fins a arribar a l'edifici principal de la nova terminal. Tal espectacle de grandiositat només l'havia pogut veure a Atlanta.

Serà un torneig interessant, hi ha un bon nombre de GMs (atrets pel sucós premi de 3500 euros pel primer), serà una mica dur perquè hi ha partida matí i tarda tots els dies fins a diumenge (excepte avui, que començava per la tarda). Podeu seguir els resultats aquí. A la 1a ronda d'aquesta tarda m'ha tocat un tal Jesús Montero, que per un moment he pensat que podia ser el meu amic Montero amb el qual em vaig postejar sobre les "delícies" del Solitario i Baños de Montemayor, però finalment resulta que no era ell. De totes maneres no ha vingut. M'he estalviat haver de jugar després del viatge, però això també vol dir que, un cop més, em quedaré sense el títol de Mestre Internacional...

Ara em tornaré a endinsar en la boira per tornar a l'hotel i sopar. Aquest paisatge em recorda a l'escenari que descriu l'autor d'un llibre que estic llegint. Joâo Magueijo, un físic cosmòleg portuguès, explica que en un matí gris, emboirat i fred estava caminant pels jardins de Cambridge, quan de sobte se li va acudir una teoria alternativa a la de la inflació per explicar el problema de l'horitzó en la teoria del Big Bang, amb la qual ha aconseguit una posició respectable en la comunitat científica. Espero obtenir de l'atmosfera de Navalmoral una inspiració semblant per fer bon paper al torneig... i si se m'acudeix una teoria revolucionària per resoldre la gravetat quàntica tampoc em queixaré ;)