miércoles, 14 de marzo de 2012

La forma del universo


Introducción


El universo lo es todo.

Bueno. En realidad, esto puede no ser cierto.

Mejor empezar de nuevo.

El universo es todo en lo que existimos. Puede haber más de un universo; pueden ser infinitos, incluso. Pero usted y yo nos hallamos en uno concreto, el nuestro, y por el momento nos vamos a conformar con intentar entender cómo es. Qué forma tiene. Qué futuro se le adivina.

Si fuéramos más ambiciosos (o más inteligentes) nos preguntaríamos no por nuestro universo, sino por el cosmos. El cosmos se define como "lo que ha sido, es y será". Así de sencillo. Hay mentes brillantes afinando intuiciones sobre el cosmos. Pero en este artículo desentrañaremos lo que sucede "en casa" ¿Le parece?



Como verá, será más que suficiente como para provocarle dolor de cabeza a los científicos. También a nosotros.

Espero que sean pacientes. A lo largo de este artículo vacilaremos, y nos encontraremos con más preguntas que respuestas. Ofreceremos a menudo simples conjeturas, hipótesis que den respuesta a fenómenos asombrosos. Pero en más de una ocasión la comprobación empírica resultará imposible con la tecnología actual. Y hay algo más: es probable que nuestra especie, nuestra mente, pueda no estar preparada para encontrar todas las respuestas. Estamos sujetos a un tipo de lógica unidireccional en lo temporal, e inmersos en una perspectiva espacial tridimensional, que nos dificulta enormemente comprender la esencia estructural de una realidad pluridimensional, en la que incluso la "flecha del tiempo", la existencia de un pasado que antecede al futuro, es objeto de debate.

Lo que quiero decir es que puede que seamos simples hormigas elucubrando sobre si la Tierra es redonda. Es posible que el homo sapiens no esté llamado a responder todas las preguntas. Bastante mérito tiene el que sepamos formular algunas preguntas correctas.  

En lo que sigue, por tanto, procuraremos ser humildes.

Empecemos por ofrecer dos opciones: podemos dibujar un esbozo de lo que percibimos desde dentro del universo, como parte integrante del mismo. Nos comportaremos así como pintores que vuelcan en un lienzo lo que tienen ante sus ojos. Buscaremos darle al universo una forma local: galaxias que se agrupan formando cúmulos, que a su vez forman supercúmulos, que a su vez se distribuyen en redes, sutilmente interconectados unas con otras, formando filamentos que delimitan enormes huecos de nada, de vacío. Descubriremos entonces la extraña distribución, en absoluto homogénea, de nuestro universo más cercano. Veremos incluso que en este preciso momento nuestra estrella navega dentro de una burbuja de casi vacío. 




Pero, además, en lo que llamamos estructura a gran escala, es decir, el universo que percibimos a miles de millones de años luz, la realidad que observamos será mucho más extraña. Habrá formaciones tan enormes que resultará difícil asimilar su tamaño, veremos objetos que no deberían estar en ese tiempo tan lejano y fenómenos de una violencia insospechada.

Pero antes de empezar a pintar, quiero dejar dicho algo sobre la segunda opción, sobre otra visión alternativa del universo que estudiaremos al final. Si nos preguntamos por la forma local del universo, basta con analizar lo que nuestros sensores nos indican desde dentro; pero si lo que queremos es preguntarnos por la forma global, por si el universo es plano o curvo, un cilindro o un cubo, entonces tenemos que imaginarnos al universo visto desde fuera. Es decir, deberíamos plantear una forma topológica del mismo.

Pero - me dirán con razón - por definición, fuera del universo, no hay nada. ¿Cómo podemos elucubrar entonces sobre esto? Contamos con formulaciones matemáticas que representan imágenes lógicas y coherentes de una realidad extraña, de otra manera inaprensible. Formulamos hipótesis que obtendrán su refrendo en fenómenos cosmológicos, ahora sí, evaluables. Pero las implicaciones, ya se lo adelanto, serán difíciles de creer.

¿No está entendiendo demasiado de lo que digo? Le ruego un poco de paciencia. Al final, se lo aseguro, habrá merecido la pena.

Vamos a empezar, entonces, por el estudio del universo desde dentro. Si miro por un telescopio o analizo los datos que me aporta un instrumento que mide lejanas fuentes de energía... ¿qué puedo decir del universo?
 

Estructuras de un universo complejo



Lo primero, que es muy grande. ¿Cómo de grande? En realidad, ni idea. Por el momento, lo más lejano que hemos detectado se encuentra a una distancia de más de 13.000 millones de años luz. Es decir, podemos ver fenómenos en su forma de hace 13.000 millones de años. ¿Cómo son ahora? No podemos saberlo. Los fotones o radiación gamma que emitieron tardaron 13.000 millones de años en llegar a nuestros instrumentos de medición, viajando a 300.000 kilómetros por segundo, la velocidad de la luz. Y nada puede ir más rápido. ¿O sí? Lo veremos.

Primera lección, posiblemente la más fascinante de todas: cuanto más lejos vemos algo más atrás nos situamos en el tiempo. Las galaxias situadas a miles de millones de años luz nos muestran un universo joven, con el Big Bang (explosión inicial) muy reciente. Es seguro que lo que vemos o percibimos ya no existe. No con esa forma, al menos. El universo es una abstracción, y nuestros radiotelescopios son auténticas máquinas del tiempo. Mirar al cielo es siempre mirar el pasado.

Díganselo a sus hijos, les fascinará.

He citado a los radiotelescopios, porque a tales distancias es más provechoso detectar mínimas fuentes de energía procedentes del espacio profundo. Este mapeo de bandas de longitud de onda de radiación electromagnética (especialmente las de 21 cm) ordena el universo más cercano, como ya dijimos, en galaxias que se agrupan en cúmulos, los cuales se agrupan a su vez en supercúmulos que se distribuyen en todas direcciones, más o menos uniformemente (al menos en apariencia). Claro que este modelo jerárquico se encuentra con un primer inconveniente: el de explicar las enormes bolsas de vacío que obligan a la materia visible a estirarse formando filamentos. En realidad, lo que la materia hace es perfilar la (casi) nada. ¿Qué es el universo entonces? Burbujas circundadas por filamentos formados por agrupaciones de galaxias.
Estas burbujas, resultado de una menor densidad de la energía primordial que dio inicio al universo, son gigantescas: el vacío de Capricornio, por ejemplo, tiene un diámetro estimado de 230 millones de años luz; y hay uno mayor (500 millones de años luz de diámetro) en la constelación Eridanus, a mil millones de años luz de distancia. Se lo conoce como Lugar Frío del WMAP. Rodeando este vacío, la materia forma nódulos que se estiran en una ligazón gravitatoria en apariencia frágil. De hecho, como veremos, la materia se expande, se desgaja. Se enfría.

Antes de seguir, un breve inciso: la materia representa sólo el 9% del universo (los hay que afirman que sólo es un 4%). A esta materia se le denomina "materia bariónica". Usted, lector, es materia bariónica. Lo restante es un 21 % de materia oscura, de la que sabemos muy poco, y un 70% de algo que llamamos energía oscura, y de la que no sabemos prácticamente nada. Estamos, por consiguiente, especulando sobre la forma de algo de lo que desconocemos prácticamente todo. De hecho, lo que hemos descrito hasta este momento, galaxias, cúmulos y vacíos mensurables, no representa ni el 10 % del universo real. Hay mucho más, solo que no lo podemos ver, medir ni analizar, salvo por la influencia gravitatoria que ejerce sobre la materia.

Escudriñamos el universo hasta alcanzar un punto denominado "Fin de la Grandeza", a unos 500 millones de años luz, en el que las masas vistas desde un telescopio convencional, incluso las virializadas, pierden toda coherencia estructural, se difuminan y parecen homogéneas. Sin embargo, los avances en el estudio de la radiación de fondo de microondas (el eco energético del Big Bang) nos han permitido asomarnos a formas como la "Gran Muralla", descubierta en 1989, que mide 200 millones de años luz de ancho y sólo 15 de profundidad. Una auténtica muralla. O la gran muralla de Sloan, descubierta en 2003: un "monstruo" situado a mil millones de años luz de la Tierra y que aparenta tener una longitud de 1.300 millones de años luz. Los científicos especulan que la materia oscura es la responsable de que se formen estas paredes enormes de materia, al atraer gravitatoriamente las galaxias y estirarlas como si de un chicle se tratara. Toda esta red cósmica de galaxias forma una frontera difusa tras la que nos aguarda lo desconocido; una extensión de 12.000 millones de años luz de enigmas y conjeturas. Más del 90% del universo es territorio casi inexplorado. ¿Por qué?



Primero, porque está muy lejos. Y no sólo es que esté a mucha distancia física. El problema (y la suerte) es que hay una enorme distancia temporal. Como dijimos, cuando observamos fenómenos situados a 12.000 millones de años luz, lo que vemos (lo que nos llega) es el pasado de nuestro universo; cuanto más lejos, más antiguo e inexplicable. El universo primigenio estaba compuesto por un plasma de electrones, fotones y baritones, una masa sumamente energética que se fue enfriando. Si nos alejamos mucho en el espacio (en el tiempo) tenemos que ser capaces de interpretar correctamente los datos y ajustarlos a su escala temporal, y es muy complicado afinar en una medida y comprensión exacta de algo que está tan lejos. Lo que nos llega son, fundamentalmente, llamaradas increíbles de energía, quasars y fuentes de rayos gamma; pero esto es una mínima parte. Debe de haber mucho más.



Segundo, porque en medio hay infinidad de cosas que entorpecen la visión. No es ninguna tontería. La gran muralla de la que hablé anteriormente puede ser mucho más grande, pero por desgracia coincide con el plano de la Vía Láctea, y el gas y polvo de nuestra galaxia interfieren en el estudio de esta estructura. Hacer un estudio en 3D del universo es muy complicado. De hecho, los mejores sensores orbitales, los que ofrecen mejor alcance, llevan apenas un año aportando datos fiables.



Tercero, porque tenemos un problema por el momento irresoluble. ¿Cómo podemos interpretar los datos de una estructura si ni tan siquiera entendemos de lo que está compuesta? Ya dijimos que la materia bariónica representa, como mucho, un 9% del universo. Estamos buscando algo que ni vemos, ni escuchamos ni percibimos. La complejidad del problema se explica porque ni tan siquiera disponemos de una ley universal capaz de dar coherencia a un universo en el que conviven la física cuántica (de lo pequeño) con la proveniente de la relatividad general (de lo grande). Es como si quisiéramos resolver ecuaciones de segundo grado sin haber siquiera aprendido las tablas de multiplicar. ¿Cómo podemos estar seguros de que la interpretación que hacemos de los datos es la correcta, sin un marco de referencia claro y consolidado? De repente, hace aoenas unos meses, unos investigadores descubren que unas partículas tan interesantes y misteriosas como los neutrinos alcanzan velocidades superiores a la de la luz. No creo que esto sea cierto, pero, a estas alturas, tampoco me sorprendería. Me explicaré: la física cuántica describe fenómenos que mi razón califica como imposibles. Por ejemplo, después de separar una partícula en dos gemelas, los cambios que provoque sobre el "spin" de una de ellas (sobre su rotación) afectarán instantáneamente a la otra. A este fenómeno se lo denomina “paradoja EPR”. La "información" le llega a la segunda partícula a una velocidad superior a la de la luz. ¿Cómo es posible? ¿Cómo puede saber lo que ha sucedido con su "hermana"? ¿Cómo se comunican tan rápido? No lo sabemos.

Pondré otro ejemplo aun más extraño: si examino una partícula, el mismo hecho de observarla produce cambios ¡en su pasado! ¿Y cómo se sabe esto? En realidad, no lo sé. ¿Y qué explicación hay? Honestamente, lo que leo al respecto cae sobre el yermo erial de mi incultura en física. Vamos, que no entiendo ni la mitad de lo que me intentan explicar. Pero sí me quedo con una idea verdaderamente asombrosa: la flecha del tiempo, el que haya pasado, presente y futuro, algo tan aparentemente incontrovertible como la gravedad, en este mundo cuántico de lo muy pequeño es discutible y confuso.

Finalmente, con todas las precauciones del mundo, nos situamos a más de 1.000 millones de años en el tiempo y el espacio; y en la lejanía encontramos fenómenos maravillosos que debemos explicar: los quasar, las fuentes de rayos gamma y las manchas Lyman-Alpha.



Tras esas murallas de galaxias de las que hablaba nos llega la poderosa luz de los quasar, desconocidos hasta 1963, fecha en la que M. Schmidt identificó por primera vez el quasar 3C 273, situado a  2.000 millones de años luz de la Tierra. Desde entonces hemos identificado más de 200.000. Todos tiene un corrimiento al rojo (una velocidad de expansión conocida por el llamado "efecto Doppler") considerable, desde 0,06 hasta más de 8. Por tanto, todos los quasar se sitúan a mucha distancia de la Tierra. El más lejano es el ULAS J1120+0641, un objeto asombroso localizado a 12.900 millones de años luz. Es decir, cuando el telescopio de infrarrojo hawaiano localizó su señal, lo que percibió fue una energía que palpitaba en un universo que sólo tenía unos 770 millones de años, apenas un 6% de su edad actual. Eso sí es viajar en el tiempo.



La pregunta entonces es: ¿cómo es posible que percibamos una señal que procede de tan lejos, de casi 13.000 millones de años? La razón es la enorme potencia del quasar: se trata de pequeñas galaxias, del tamaño de nuestro sistema solar que, sin embargo, emiten una radiación equivalente a 100.000 millones de soles. Se cree que tal cantidad de energía procede de agujeros negros supermasivos situados en su centro y que consumen la masa equivalente a docenas de estrellas por año (los más grandes se alimentan de miles de estrellas, y brillan con la potencia de billones de soles). Si disponen de menos combustible, su brillo se apaga, para luego volver a crecer si reciben de nuevo "alimento". Como la cantidad de masa es siempre limitada, un quasar no puede durar mucho más que 10.000 años. Es posible que, después de que el agujero negro haya devorado casi toda la materia en forma de gas y polvo, el quasar se convierta en una galaxia común. Esta es la razón por la que no es posible encontrar quasar cerca de la Tierra. Los quasar son estructuras que siempre pertenecen al pasado. Mueren antes de acercarse a nuestro presente.

El quasar ULAS J1120+0641 del que hablamos es un "monstruo" sorprendente. Su agujero negro es inmenso: millones de veces más masivo que el Sol. ¿Cómo pudo formarse algo tan grande en un universo recién nacido? Es un misterio. Apenas empieza a existir, y el universo genera un fenómeno astronómico que emite la luz de billones de soles. Es una suerte haberlo encontrado. Su luz ilumina lugares hasta el momento inexplorados, y nos permite conocer algo mejor las primeras etapas del universo, algo sobre la "época de reionización", cuando la radiación de las primeras galaxias cambió el estado físico del hidrógeno, y el universo pasó de ser neutro a altamente ionizado. Es decir, cuando las galaxias despejaron la niebla de hidrógeno y empezaron a dar forma al universo tal y como lo conocemos. Esperaremos al 2018, cuando se lance el telescopio James Webb; puede que nos ofrezca sorpresas increíbles.

Podemos preguntarnos mientras tanto: ¿hay algo que esté más lejos? Si lo hay debe ser enormemente poderoso. 



Recibimos una señal muy lejana: la del GRB 090423, una fuente de rayos gamma. El satélite artificial Swift situó esta señal en abril de 2009 a algunos grados de la estrella η Leonis, en la constelación del León, con un corrimiento de 8,2. La energía que percibimos se generó cuando el universo sólo tenía unos 600 millones de años.

¿Qué es una fuente de rayos gamma? Tenemos que precisar que hay dos tipos de fuentes: de larga y corta duración. Las primeras se relacionan con la muerte de estrellas masivas de baja metalicidad y rotación rápida, que colapsan formando un agujero negro. Posiblemente se trate de "estrellas de Wolf-Rayet", astros masivos muy calientes que han perdido casi todo su hidrógeno debido a la presión de radiación. La caída de la materia cercana al núcleo genera que se irradien dos inmensos y concentrados rayos gamma en la dirección del eje rotacional. Se preguntarán... ¿hay alguna estrella de estas características en la Vía Láctea? Es posible, no estamos seguros. Y es importante saberlo, porque, ¿qué sucedería si fuéramos alcanzados por un rayo de esta intensidad?

La radiación que impactara en la atmósfera rompería los enlaces químicos del nitrógeno (por fotolosis), generando con ello óxido de nitrógeno, un agente destructor del ozono. Se calcula que la mitad del ozono desaparecería, con lo que apenas si tendríamos barrera protectora contra la irradiación UVA de los propios brotes y la radiación procedente del sol. La pregunta sería entonces, ¿esto ha podido suceder en algún momento de la historia de nuestro planeta? ¿Alguna vez hemos sido alcanzados por un cañón de rayos gamma? ¿Hubo consecuencias para la biomasa del planeta?

Estudios recientes, de hace apenas dos meses, relacionan las extinciones masivas del Ordovícico-Silúrico, de hace 450 millones de años, que supusieron la desaparición del 85% de las especies, con la irradiación del planeta por una fuente de rayos magma de larga duración. La desaparición de una estrella masiva situada a 1.000 años luz de la Tierra pudo haber sido el desencadenante final de la última y peor fase de la extinción. Pero, a la espera de más pruebas que corroboren esta teoría, todo esto no son sino especulaciones.

Las fuentes de rayos gamma de corta duración, por su parte, proceden, probablemente, del colapso de un sistema binario de estrellas de neutrones, y la subsiguiente generación de un agujero negro. Duran escasos segundos, y su poder es inmenso.
Por cierto, ¿recuerdan que les hablé de las primeras galaxias como "aspiradoras" que limpiaron la niebla de hidrógeno e hicieron transparente el universo en la "época de reionización"? En octubre de 2010 se encontró una, la UDFy-38135539, con un corrimiento al rojo de 8,55. El universo tenía sólo 500 millones de años cuando la luz salió a nuestro encuentro. Por el momento es el objeto más lejano que hemos detectado. Es extraño: una galaxia espiral en una fase tan temprana del universo...

Volvemos a casa; hemos estado muy, muy lejos. Pero antes quiero presentarles unas nubes gigantes de hidrógeno llamadas "manchas Lyman-Alpha". Son enormes, con cientos de miles de años luz de diámetro, muy brillantes y están muy lejos, en esta zona de misterios que hemos visitado, algunas a 11.500 millones de años luz. Si tenemos en cuenta que cuerpos como la gran muralla no está claro que puedan considerase estructuras en sí mismas, se podrían considerar las manchas de Lyman- Alpha como las mayores estructuras del universo. Algunas nubes tienen un diámetro de 400.000 años luz. En su interior, las galaxias se compactan hasta cuatro veces más de lo habitual. Por eso son tan brillantes.



Pero lo prometido es deuda: es hora de volver a casa. ¿Cómo podríamos orientarnos? Una vez atravesemos "el fin de la grandeza" y entremos en esta conglomerado de vacíos, supercúmulos y nódulos, ¿cómo vamos a localizar nuestra galaxia?



Por suerte, contamos con una ayuda inestimable. En el universo hay miles de faros que nos ayudan en la navegación. Reciben el nombre de púlsar, y son estrellas de neutrones que giran y emiten impulsos. Una estrella de neutrones es un cuerpo diminuto, de apenas 25 kilómetros de diámetro, y posiblemente sea la estructura más fascinante de todo el universo.



Cuando una estrella muy grande agota su combustible, explosiona en una supernova. Queda entonces el cadáver de lo que fue la estrella, una pequeñísima esfera tan increíblemente densa que los electrones, con carga eléctrica negativa, se incrustan en los protones positivos, formando así partículas neutras, los neutrones. En su núcleo, se especula que bulle una masa de plasma hiperdenso de quarks-gluones; pero en realidad no podemos estar seguros. En una estrella de neutrones la física se escribe de otra manera, con renglones torcidos. 

Imagine: se acerca a una estrella de neutrones; a usted no le afecta su atracción gravitatoria. Desciende a una esfera que mide 20 kilómetros de diámetro y pesa como dos soles. Es capaz de recoger una muestra en una cucharilla de café. ¿Sabe cuánto pesa en la Tierra esa mínima cantidad de materia? 500.000.000.000 kilos. Nada hay en nuestro planeta capaz de soportar tal peso. Si la dejara caer, atravesaría la tierra miles de veces, hasta que la fricción acabara por detenerla. La materia que cabe en una cucharadita de café convertiría nuestro planeta en un queso de gruyere.

En ocasiones las estrellas de neutrones giran sobre sí mismas cientos de veces por segundo. En la superficie, usted gira a 70.000 kilómetros por segundo. Las partículas de gas o polvo que la estrella encuentra en el espacio caen en una espiral vertiginosa hacia sus polos magnéticos, los cuales emiten chorros de radiación electromagnética: radio, rayos X o rayos gamma. Pero lo asombroso es que, sin que sepamos el por qué, en ocasiones los polos magnéticos de las estrellas, sus "cañones de radiación", no están sobre el eje de rotación. En tal caso, los cañones no apuntan siempre a un mismo lugar del universo, sino que rotan vertiginosos con la estrella. Si la emisión de radiación coincide con nuestro eje de visión, lo que percibiremos será una emisión en forma de pulsos de radiación electromagnética. Este pulso, este encenderse y apagarse frenético, es de una exactitud asombrosa. Tanto, que utilizamos su frecuencia para sincronizar relojes atómicos. Y cada pulsar tiene su firma, como todos los faros de la Tierra tienen un periodo propio. No hay dos púlsar iguales.



En julio de 1967, la joven Jocelyn Bell trabajaba en un radiotelescopio en Cambridge cuando detectó unas señales de radio en forma de pulsos regulares. Enseguida comunicó su descubrimiento a Anthony Hewish, el director del equipo de investigadores. Lógicamente, pensaron que habían encontrado una inequívoca señal extraterrestre. Llamaron a la fuente LGM (Little Green Men u Hombrecitos verdes). Pero cuando realizaron una búsqueda y estudio del fenómeno encontraron 3 señales similares. Finalmente, publicaron el descubrimiento y su explicación. Siete años más tarde Anthony Hewish recibió el Premio Nobel de Física. A Jocelyn Bell le negaron la condecoración porque era estudiante de doctorado. Por cierto; cuando alguien descubre un fenómeno astronómico desconocido se acostumbra a ponerle su nombre. Sin embargo, el primer púlsar descubierto no se llama la estrella de Bell. Tiene el "precioso" nombre de CP 1919.

Hoy en día hay catalogados más de 600 púlsares.

Finalmente, guiados por los pulsar, hemos podido volver a casa, a la galaxia que llamamos Vía Láctea, al brazo de Orion. Fíjese, ¿no observa nada extraño?

Nuestro sistema solar está cerca de un anillo parcial de estrellas jóvenes y masivas. Se calcula que el llamado "Cinturón de Gould" contiene entre 1 y 2 millones de estrellas. Este anillo es bastante grande; tiene un diámetro de unos 3.000 años luz, y se le calcula una edad de unos 50 millones de años ¿Qué pudo provocarlo? Por las fechas, es posible que el cinturón de Gould, que sigue expandiéndose, sea el resultado de una onda de choque producida por la colisión de alguna nube con el disco galáctico. Las fechas coinciden. La onda de choque desestabilizó varias nubes moleculares y causó, al menos, una supernova.

La supernova a su vez abrió un hueco de baja densidad que originó, hace 10 millones de años, la llamada "Burbuja local", el lugar en el que se encuentra la Tierra.




En efecto: nuestro cielo está poblado de estrellas brillantes que proceden de un cinturón gigante, pero nuestro sol viaja en el interior de una burbuja de vacío con una densidad bajísima de hidrógeno neutro. En este momento cruzamos por un área específica denominada "Nube interestelar local", una zona de tránsito entre la Burbuja Local y la Burbuja Loop I. Entramos en esta zona hace 150.000 años (esta fecha coincide con la aparición del homo sapiens), y seguiremos en ella unos 20.000 años más. Hay otras burbujas cerca, como la Loop II y la Loop III. Y seguiremos cruzando por burbujas y nubes a lo largo de los milenios.

Pero, ahora que hemos vuelto, es hora de afrontar la segunda tarea que teníamos encomendada: la de ofrecer una visión externa del universo.
 

Topología de un universo imposible

El estudio de la topología del espacio es, en definitiva, el estudio de su curvatura. Este dato nos ofrecerá una indicación precisa de su forma; y en este ámbito hemos realizado comprobaciones empíricas que apuntan a una misma respuesta: el universo es plano.

Por supuesto, con esto no decimos que el universo sea algo parecido a una hoja de papel; pero si lanzamos dos rayos de luz paralelos no se acercan ni alejan uno del otro. En definitiva; por lo que sabemos, en el universo se cumplen las propiedades de la geometría euclídea. El universo es plano y, como nos indica el corrimiento al rojo de las estructuras estelares, se expande. Y lo hace muy rápido. De hecho, hace 5.000 millones de años (cuando se creó nuestro sistema solar) esta expansión se aceleró enormemente. ¿Por qué? Una vez más, no podemos estar seguros. Pero todo indica que el universo (o al menos la materia que contiene) acabará enfriándose paulatinamente, hasta apagarse.

Decimos que el universo es plano, pero esta afirmación conviene relativizarla un tanto. Todo es un problema de perspectiva. Con un tamaño aproximado de 13.500 millones de años luz el universo parece plano, pero ¿y si el universo es mucho más grande de lo que creemos? Todos los datos indican que no hay curvatura, como en la Edad Media se pensaba que la superficie de la Tierra era plana; pero, en realidad, a una escala mucho mayor, desde una estación orbital, aparece la esfera.

La radiación de fondo de microondas, el eco electromagnético del Big Bang, afirma que no se observa curvatura alguna. El año pasado, tras siete años de observaciones, la Sonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson ha trazado el primer plano completo del cielo de microondas en alta resolución. La NASA afirma, con un margen de error de un 0,5%, que estamos en una geometría plana. Pero hay un aspecto que me preocupa: la posibilidad teórica de que vivamos encerrados en una membrana tridimensional que condiciona la percepción que tenemos del universo y que invalida la validez de nuestras observaciones.

En definitiva, cabe la posibilidad de que vivamos encerrados en el "espejismo" de lo que se denomina una "brana". Si esto es así, más vale que olvide buena parte de lo antedicho, y empiece de cero. Porque lo que estoy a punto de contarle es, en verdad, alucinante. (Si a estas alturas prefiere cerrar el blog, de verdad que le entiendo).

Para entender este nuevo barullo tendremos que avanzar paso a paso. Piense en la punta de un bolígrafo apoyado sobre una regla. Para situar un punto sólo precisa un dato: ¿se encuentra situado junto a la marca de 15 centímetros? Con esto basta.




Pero ahora piense en una lenteja sobre la superficie lisa de una tela. Si quiero situarla en el espacio, necesito no uno, sino dos datos: la pequeña legumbre se encuentra en la intersección de una medida del alto y ancho de la tela. Sobre un mapa, en efecto, localizo un lugar utilizando longitudes y latitudes. En realidad, es muy sencillo de entender. ¿No es cierto?

Pero la realidad no sólo tiene superficie; también tiene volumen. No vivimos en un plano, sino en un cubo, y si queremos situar algo dentro de este volumen necesitamos tres medidas, tres dimensiones o coordenadas. Pongamos un ejemplo: con la longitud y la latitud sitúo una persona en una localización concreta, un punto del Mediterráneo, pongamos por caso. Ahora bien, ¿cómo puedo saber si se encuentra nadando en la superficie del mar, sumergido 200 metros a bordo de un submarino o como pasajero de un avión a 10.000 metros de altitud? El volumen exige de tres dimensiones. Con ellas, en principio, podemos situar cualquier cosa en el espacio. Hemos resumido en pocas líneas lo que llamamos geometría.

Pero hay un problema. Las "transformaciones de Lorentz" es el nombre que reciben un conjunto de relaciones que dan cuenta de cómo se relacionan las medidas de una magnitud física obtenidas por dos observadores diferentes. Estas relaciones establecían que no bastaba con una geometría tridimensional. Era necesaria una cuarta dimensión. ¿Cuál?

Estas relaciones establecieron la base matemática de la teoría de la relatividad especial de Einstein, ya que obligaban a sumar a las tres dimensiones espaciales una cuarta dimensión temporal. En el ejemplo anterior, las tres dimensiones le localizan a dos metros sobre la superficie del Mediterráneo, pero la localización exacta debe disponer de un cuarto dato: el tiempo. Si está sobre la borda de un yate que se desplaza a una velocidad de 20 nudos y pretendo localizarlo, debo afinar el momento exacto en el que se encuentra en ese punto. Un segundo después usted ya no está ahí. Se ha movido.

 Le pido disculpas si me he explayado en algo perfectamente obvio que usted ya sabía. Enseguida entenderá el porqué. Cada uno de los pasos anteriores ha sumado una dimensión a la geometría del espacio, hasta llegar a las cuatro que percibimos. Pero el problema es que, en realidad, no hay cuatro dimensiones. Las matemáticas nos dicen que hay once.

¡Once!




Pero, entonces, ¿por qué sólo percibimos cuatro? Los físicos afirman que se debe a que estamos "encerrados" en algo denominado brana. También postulan que la realidad se sustenta en diminutas cuerdas que vibran y constituyen los verdaderos ladrillos del cosmos. Estamos hablando de algo tan pequeño que casi se acerca a la magnitud de Planck. Muy, muy pequeño.

Intentaré resumirlo: nuestro universo es un entorno cerrado (una brana) en el que sólo encontramos 4 dimensiones ¿Cómo se formó? Hay varias explicaciones posibles; puede que en el océano infinito de las cuerdas (o súper cuerdas) se produzcan fluctuaciones que den lugar a singularidades con 2, 4 ó 7 dimensiones. Lo interesante es que las (múltiples) branas se enmarcan en un espacio (ahora sí, un cosmos) de 11 dimensiones denominado "bulk", que se encuentran muy cerca unas de otras, y que hay algo que fluye entre ellas: la gravedad.



Esto es interesante, porque es una manera inteligente de explicar el llamado "problema de jerarquía". De las cuatro fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear fuerte y débil, el electromagnetismo y la gravedad, ésta última destaca por su aparente debilidad. Esto se explica porque las otras tres fuerzas están confinadas en cada una de las branas, mientras que la gravedad puede fluir de una brana a otra o acabar en el "bulk". ¿Acaso a través de "sumideros como los agujeros negros? No es que la gravedad sea más débil; es que es permeable. ¿Son los agujeros negros vínculos entre universos paralelos?

Podríamos seguir elucubrando más y más. Ello nos llevaría a hablar de la "teoría M", de las "P-branas" y las "D-branas"; de "principio holográfico" y "correspondencia ads cft", de "fermiones" y "tarquiones", “teorías Gauge” etc. Tampoco me parece necesario y, con franqueza, estoy llegando al límite no ya de lo que puedo explicar, sino de lo que entiendo. La teoría de las supercuerdas (más concretamente la "teoría M" de Edward Witten) me interesa porque es la teoría que intenta aglutinar en un todo coherente la realidad. Pero me confieso ya cansado.

Lo dejo en este punto.

Coda 

Les recomiendo la lectura de "El universo elegante" y "El tejido del cosmos" de Brian Greene, un genio que con 5 años era capaz de multiplicar grandes cifras y a los 12 recibió clases particulares de matemáticas de un profesor de la universidad de Columbia. Los libros son fáciles de entender (puedo dar fe de ello) y son una manera relativamente sencilla de adentrarse en las particularidades de la teoría de las supercuerdas, tema en el que Greene es una figura mundialmente reconocida.

También les recomiendo que buceen por internet buscando imágenes sobre estructuras de las que he hablado. Telescopios como el Hubble nos han facilitado fotografías de una belleza sobrecogedora.

Pierdan el miedo a las ciencias, y aborden sin complejos lecturas sobre estos temas. El "yo soy de letras" es una cantinela absurda. ¿Acaso se entendería que un matemático desconociera la existencia del Quijote sólo porque es de ciencias puras? A lo largo de estas páginas hemos visitados murallas inmensas hechas de galaxias, faros repartidos por la inmensidad del espacio, lugares en los que una cucharadita de café pesa más que 100 montañas, rayos de energía capaz de acabar con la vida en la Tierra y espacios en los que gobiernan dimensiones desconocidas, universos paralelos y diminutas cuerdas que vibran construyendo la materia de la que estamos hechos. ¿De verdad no lo consideran apasionante?



A no mucho tardar llegarán noticias del acelerador de partículas CERN. Estén atentos. Y no tengan miedo a leer una crónica periodística sobre cualesquiera de estos temas. Al fin y al cabo, en este universo viven tanto los científicos que intentan buscarle una coherencia como nosotros, legos en tales asuntos, que al menos tenemos la intención de preguntar ¿cómo es mi hogar? ¿Cómo empezó todo? ¿Cómo será su final?

¿Qué es la realidad?

Antonio Carrillo

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