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SCIENTIFIC & MEDICAL NETWORK BOOK PRIZE 2016 Wltl\ //' ' /J ' La evolución humana desde los orígenes; del universo JOHN HANDS John Hands COSMOSAPIENS La evolución humana desde los orígenes del universo Traducción del inglés Isabel Murillo la e/fera 0 de lo/ libro/ John Hands COSMOSAPIENS La evolución humana desde los orígenes del universo Traducción del inglés: Isabel Murillo la e/fera 0 de lo/ libro/ Con amor, en recuerdo de mi esposa, Paddy Valerie Hands. ÍNDICE Agradecimientos ....................................................................... Capítulo 1. La expedición ........................................................................................ PRIMERA PARTE El origen y la evolución de la materia Capítulo 2. Mitos sobre el origen.................................................................... Temas principales ............................................................................. Caos o agua primigenios. El buceador de la Tierra. El huevo cosmogónico. Padres del mundo. La rebelión de los hijos. Sacrificio. La batalla primigenia. La creación a partir de la nada. El ciclo eterno. Explicaciones .................................................................................... Verdad literal. Metáfora. Aspecto de realidad absoluta. Verdad arquetípica. Experiencia fetal. Comprensión li mitada de los fenómenos naturales. Necesidad política y cultural.Visión mística. El test de las evidencias y del razonamiento ............................ El porqué de su supervivencia ..................................................... Influencia sobre el pensamiento científico .............................. COSMOSAPIENS Capítulo 3.El origen de la materia: la teoría ortodoxa de la CIENCIA ................................................................................................................ Primera mitad del siglo xx ........................................................... La teoría actual: el Big Bang ......................................................... Base teórica. Simplificación de supuestos: isotropía y omnicentrismo. Problemas de la teoría del Big Bang........................................... Monopolo magnético. Homogeneidad. Isotropía del fondo cósmico de microondas (el problema del horizon te). Planicidad (Omega). La solución de la teoría de la inflación ...................................... Validez de la teoría inflacionaria del Big Bang........................ Fiabilidad de la teoría básica. Necesidad de evidencias que sustenten la teoría básica. Fiabilidad de la teoría de la inflación. Necesidad de evidencias que sustenten la teo ría de la inflación. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 4. Lo que la teoría ortodoxa de la ciencia no CONSIGUE EXPLICAR ....................................................................................... Singularidad....................................................................................... Proporción observada de materia respecto a radiación......... Materia oscura y Omega ............................................................... Energía oscura................................................................................... El ajuste de precisión de los parámetros cosmológicos ......... La creación a partir de la nada ..................................................... Conclusiones .................................................................................... Capítulo 5. Otras conjeturas cosmológicas......................................... El universo sin límites de Hartle-Hawking.............................. La inflación caótica eterna ............................................................ La velocidad variable de la luz ..................................................... El universo oscilante cíclico.......................................................... La selección natural de universos ................................................ La gravedad cuántica de bucles .................................................... ÍNDICE 9 La cosmología de estado cuasi-estacionario ............................. La cosmología del plasma .............................................................. La quintaesencia............................................................................... El universo ecpirótico cíclico ...................................................... El paisaje de posibilidades de la teoría de cuerdas .................. Problemas de la teoría de cuerdas................................................ El universo y sus definiciones ...................................................... Conclusiones .................................................................................... Capítulo 6. Los problemas de la cosmología como medio EXPLICATIVO ...................................................................................................... Dificultades prácticas ...................................................................... Límites de detección. Problemas de medición. La interpretación de los datos ...................................................... Edad del universo. Desplazamiento al rojo de las super- novasTipo la.Aceleración aparente del ritmo de expan sión del universo. Desplazamiento al rojo. Ondulaciones en el fondo cósmico de microondas. Declaraciones exa geradas. Los datos del WMAP. La confirmación de evi dencias contradictorias del telescopio Planck. Selectivi dad de datos. Ley de interpretación de datos. Teoría inadecuada ........................................................................... La inconclusión de la teoría de la relatividad y de la teo ría cuántica. La idoneidad de la relatividad general. La realidad del mundo cuántico. Infinidades en un cosmos físico. La falta de idoneidad de las matemáticas. Limitaciones intrínsecas de la ciencia ........................................ Conclusiones .................................................................................... Capítulo 7. La racionalidad de las conjeturas cosmológicas ... El alcance de las conjeturas cosmológicas................................. La causa de las leyes de la física. La naturaleza de las leyes de la física. La naturaleza de las matemáticas. Las conjeturas cosmológicas sometidas a test .......................... Belleza. Parsimonia. Consistencia interna. Consistencia 10 COSMOSAPIENS externa con las evidencias. Consistencia externa con otros dogmas científicos. Origen del universo ........................................................................ Modelo ortodoxo: el Big Bang. Conjeturas multiverso. Modelos «eternos». Forma del universo ......................................................................... Ajuste de los parámetros cosmológicos. La explicación multiverso. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 8. La evolución de la materia a oran escala .............. Las fuerzas fundamentales de la naturaleza............................... Interacción gravitatoria. Interacción electromagnética. Interacción fuerte. Interacción débil. La evolución de la materia según la cosmología ortodoxa actual ........................................................................................... El Big Bang caliente. La estructura del universo .............................................................. Causas de la estructura del universo ........................................... Causas de las heterogeneidades iniciales. Causas de las grandes estructuras. Causas de la formación de estrellas. Explicación alternativa. ¿Evolución continua? ..................................................................... Galaxias perpetuamente autosuficientes. Universo frac- tal. Big Crunch. Muerte térmica a largo plazo. Muerte térmica a corto plazo.Conclusiones .................................................................................... Capítulo 9. La evolución de la materia a pequeña escala .... La evolución del núcleo de los elementos ............................... Los elementos desde el helio hasta el hierro. Los elemen tos más pesados que el hierro. Producción de elementos por rayo cósmico. Estrellas de segunda y tercera genera ción. Elementos producidos. El ajuste de precisión de los parámetros nucleares. ÍNDICE 11 La formación de los átomos.......................................................... Las leyes de la mecánica cuántica. El principio de exclu sión de Pauli. El ajuste de precisión de los parámetros atómicos. La evolución de los átomos........................................................... Métodos de enlace. La singularidad del carbono. Moléculas en el espacio ................................................................. Conclusiones .................................................................................... Capítulo io. El patrón hacia la evolución de la materia .... Consistencia con las leyes científicas conocidas ..................... El principio de la conservación de la energía. El princi pio del aumento de entropía. Contradicciones del principio del aumento de entropía ..... Sistemas locales. El universo. Capítulo i i. Reflexiones y conclusiones sobre el origen y la EVOLUCIÓN DE LA MATERIA ........................................................................ Reflexiones........................................................................................ Conclusiones .................................................................................... SEGUNDA PARTE El origen y la evolución de la vida Capítulo 12. Un planeta idóneo para la vida ..................................... Condiciones necesarias para las formas de vida conocidas ... Los elementos y moléculas esenciales. La masa del plane ta. El rango de temperatura. Las fuentes de energía. La protección contra la radiación nociva y los impactos. La estabilidad. La formación de la Tierra y de su biosfera............................... Características de la Tierra. Estructura interna. Formación. ¿Es especial la Tierra? ..................................................................... 12 COSMOSAPIENS El punto de vista ortodoxo. Evidencias que cuestionan el punto de vista ortodoxo. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 13. La vida......................................................................................................... El concepto de la vida en el mundo antiguo .......................... El desarrollo de la explicación de la vida por parte de la cien cia ................................................................................................. Supuestas reconciliaciones entre las posturas antiguas y la ciencia moderna ...................................................................... La medicina alternativa. Hipótesis de campos. La respuesta de la ciencia ortodoxa ............................................ La ciencia ortodoxa y su definición de la vida ........................ Características de la vida................................................................ Reproducción. Evolución. Respuesta al estímulo. Meta bolismo. Organización. Complejidad Definiciones de vida........................................................................ El sistema auto-organizado de Smolin. La trama de la vida de Capra. Ausencia de finalidad. La vida cuántica de McFadden. Definición funcional de vida ....................................................... Conclusiones .................................................................................... Capítulo 14. El origen de la vida 1: evidencias ................................ Evidencias directas .......................................................................... Fósiles. Extremófilos. Evidencias indirectas ...................................................................... Análisis genético. ¿Antepasado universal común? Tamaño, complejidad, estructura y funcionamiento de la cé lula más sencilla ........................................................................ Tamaño. Componentes y estructura. Partes externas. Formas cambiantes de las proteínas. Conclusiones .................................................................................... ÍNDICE 13 Capítulo 15. El origen de la vida 2: hipótesis ..................................... La «sopa primigenia» de Oparin y Haldane.ARN auto-repli cante. Péptido auto-replicante. Sustrato bidimensional. Ori gen extraterrestre. Diseño inteligente. Principio antrópico. Emergencia cuántica. Complejidad auto-organizada. Teoría de la emergencia. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 16. El desarrollo de las ideas científicas sobre la EVOLUCIÓN BIOLÓGICA ................................................................................ Ideas pre-evolucionistas ................................................................. Aristóteles. Creacionismo. Lineo. El desarrollo de las ideas evolucionistas .................................... De Maillet. Buffon. Erasmus Darwin. Hutton. Lamarck. Geoffroy.Wells. Grant. Matthew. Wallace ................................................................................................ Charles Darwin ................................................................................. ¿Un pensador original? La contribución de Darwin. Los problemas de la hipótesis de Darwin. El darwinismo. Ortogénesis........................................................................................ Kropotkin y el apoyo mutuo ....................................................... Observaciones fundamentales. Apoyo mutuo. Base empírica. Simbiogénesis ................................................................................... Mendel y la herencia ...................................................................... Experimentos. Las leyes de Mendel. Neodarwinismo ............................................................................... Biología molecular .......................................................................... Principios de la biología ortodoxa ............................................. Consecuencias del paradigma actual .......................................... Capítulo 17.Evidencias de la evolución biológica i: fósiles ... Especies .............................................................................................. Fósiles .................................................................................................. Escasez de registro fósil. Interpretación. El registro fósil. Fósiles de transición. Extinción de especies. Estasis y es- 14 COSMOSAPIENS peciación súbita. Registro fósil de animales y plantas. Evolución de los mamíferos. El seguimiento de la evolu ción humana a partir del registro fósil. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 18.Evidencias de la evolución biológica 2: análisis DE LAS ESPECIES VIVAS ................................................................................... Estructuras homologas.................................................................... Vestigios.............................................................................................. Biogeografia....................................................................................... Embriología y desarrollo ............................................................... Cambios en especies........................................................................ Selección artificial. Especies en estado salvaje. Definición de especie. Bioquímica ........................................................................................Genética ............................................................................................. Genómica ........................................................................................... Conclusiones .................................................................................... Capítulo 19. Evidencias de la evolución biológica 3: la CONDUCTA DE LAS ESPECIES VIVAS .......................................................... Especies unicelulares ...................................................................... Especies pluricelulares .................................................................... Genes .................................................................................................. Plantas ................................................................................................. Insectos ................................................................................................ Peces ..................................................................................................... Suricatas ............................................................................................. Primates.............................................................................................. Asociación entre especies .............................................................. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 20. El linaje humano ............................................................................ Arboles filogenéticos ...................................................................... Taxonomía del linaje humano ..................................................... ÍNDICE 15 Capítulo 21. Causas de la evolución biológica: el relato ORTODOXO ACTUAL ......................................................................................... El paradigma actual ......................................................................... Lo que la ortodoxia neodarwinista no consigue explicar .... Estasis y especiación rápida. Especiación.Especiación in mediata: poliploidía. Reproducción asexual.Transferen cia genética horizontal. Embriología y desarrollo del organismo. Genotipos y fenotipos. ADN «basura». He rencia de caracteres adquiridos. Colaboración. Comple jidad progresiva. Capítulo 22. Hipótesis complementarias y en competencia i: EL INCREMENTO DE LA COMPLEJIDAD .................................................... Diseño inteligente ........................................................................... Equilibrio puntuado........................................................................ Orígenes súbitos............................................................................... Selección estabilizadora ................................................................. Teoría neutral.................................................................................... Duplicación total del genoma...................................................... Epigenética ........................................................................................ Homología profunda y evolución paralela............................... Convergencia evolutiva ................................................................. Teoría de la emergencia................................................................. Complejidad auto-organizada...................................................... Leyes de la evolución del genoma.............................................. Ingeniería genética natural............................................................ Biología de sistemas......................................................................... La hipótesis de Gaia ........................................................................ Causación formativa........................................................................ Capítulo 23. Hipótesis complementarias y en competencia 2: COLABORACIÓN .................................................................................................. Sociobiología .................................................................................... Selección de grupo. Altruismo por parentesco o aptitud inclusiva. «Altruismo recíproco».Teoría de juegos. Prue 16 COSMOSAPIENS ba empírica. El gen egoísta. El gen genial. Selección multinivel. Colaboración .................................................................................... Apoyo mutuo. Simbiogénesis. Capítulo 24. La evolución de la consciencia ..................................... La evolución de la conducta ......................................................... Bacterias y arqueas. Eucariotas: unicelulares. Eucariotas: animales. Patrón evolutivo. Correlaciones físicas del aumento de consciencia .................. El sistema nervioso. El sistema nervioso en el linaje hu mano. Capítulo 25. Reflexiones y conclusiones sobre el origen y la EVOLUCIÓN DE LA VIDA ................................................................................ Reflexiones........................................................................................ Conclusiones .................................................................................... TERCERA PARTE La emergencia y la evolución del hombre Capítulo 26. La emergencia del hombre ................................................... ¿Qué es un humano?...................................................................... Definición propuesta. Evidencias de consciencia reflexiva. Predecesores humanos.................................................................... Las evidencias y sus problemas.Tribus de homininos. El género Homo. Primeros indicios de Homo sapiens ................................... Utensilios. Uso controlado del fuego. Símbolos y orna mentos. ¿Comercio? Travesías marítimas. Enterramientos y cremaciones ceremoniales. Pinturas, estatuillas y flautas. Lenguaje. La culminación de la emergencia del hombre ........................ ÍNDICE 17 Hipótesis explicativas...................................................................... Modelo multirregional. Sustitución o modelo de oríge nes africanos recientes. Modelo de asimilación. Orígenes africanos recientes con modelo de hibridación. Modelo de revolución humana. Modelo gradualista. Causas propuestas para la emergencia del hombre ................ Mutación genética. Cambio climático en Africa Orien tal. Cambios climáticos globales. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 27.La evolución humana i: el pensamiento primitivo ... ¿Cómo evolucionaron los humanos?.......................................... Físicamente. Genéticamente. Noéticamente. La evolución del pensamiento primitivo .................................. De las bandas nómadas de cazadores-recolectores hasta las comunidades agrícolas asentadas. De los poblados agríco las a las ciudades-estado y los imperios. El desarrollo de la escritura. Los cimientos de la astronomía y las matemáti cas. El desarrollo de las creencias y las religiones. Conclusiones .................................................................................... Capítulo 28. La evolución humana 2: el pensamiento filosófico ......................................................................................................................... La emergencia del pensamiento filosófico ............................... India. China. Europa. Oriente Próximo. América Central. La evolución del pensamiento filosófico .................................. India. China. Europa. La ramificación del pensamiento filosófico ............................. Visión general de la evolución noética ...................................... Conclusiones .................................................................................... Capítulo 29. Laevolución humana 3: el pensamiento CIENTÍFICO .......................................................................................................... La emergencia del pensamiento científico............................... Ciencias médicas. Ciencias de la vida. Ciencias físicas. 18 COSMOSAPIENS La evolución del pensamiento científico .................................. Ciencias físicas. Ciencias de la vida. Ciencias médicas. Psicología. Interactividad y sub-ramas híbridas. Tenden cia convergente. Resultados del pensamiento científico. Capítulo 30. La singularidad del ser humano .................................. La ortodoxia actual.......................................................................... Ego-antropocentrismo. Identidad genética. Diferencia conductual solo en grado. Conductas exclusivas de los humanos ....................................... Capítulo 31. Conclusiones y reflexiones sobre la emergen cia Y LA EVOLUCIÓN DE LOS HUMANOS ............................................. Conclusiones .................................................................................... Reflexiones........................................................................................ Disminución de la agresividad. Aumento de la coopera ción. La velocidad del cambio. Globalización. Aumento de la complejidad. Tendencia hacia la vanguardia. Con vergencia. Hominización. La dualidad cambiante de la naturaleza humana. La integración de los patrones en las evidencias. CUARTA PARTE Un proceso cósmico Capítulo 32. Las limitaciones de la ciencia ......................................... Limitaciones dentro del ámbito de la ciencia.......................... Observación y medición. Datos. Subjetividad. Método. Teoría. Ciencia defectuosa. Limitaciones fuera del ámbito de la ciencia ............................. Experiencias subjetivas. Conceptos y valores sociales. Ideas no verificables. Preguntas metafísicas. Otra posible limitación................................................................... ÍNDICE Capítulo 33. Reflexiones y conclusiones sobre la evolu ción HUMANA COMO UN PROCESO CÓSMICO .................................. Reflexiones........................................................................................ Conclusiones .................................................................................... Notas ..................................................................................... Bibliografía .............................................................................. Glosario .................................................................................. Créditos de las ilustraciones ........................................................ Indice onomástico .................................................................... AGRADECIMIENTOS Nombrar a todos los que me ayudaron a hacer realidad este libro es imposible. Entre ellos están los autores cuyos documentos y libros he consultado. La sección de Notas del final del libro incluye referencias completas de la mayoría de documentos académicos así como referencias de los libros consultados, además de los documentos más extensos y destacados, por autor y año. Los detalles completos de los libros y los documentos citados en las Notas se encuentran en la Bibliografía que las sigue. La distinción es arbitraria porque algunos de los documentos académicos son muy extensos y he incluido los más destacados en la Bibliografía pero, en términos generales, he intentado evitar una Bibliografía voluminosa. De entre los muchísimos especialistas que han compartido con gran generosidad su experiencia conmigo, me siento especialmente en deuda con aquellos que respondieron a mi solicitud de revisar los borradores de las distintas secciones en busca de errores de hecho u omisión o de conclusiones no razonables y de realizar cualquier tipo de comentario. Los nombro a continuación dentro de amplias áreas de estudio, cada una de las cuales abarca los diversos campos de especialización relevantes para el libro. El puesto que aparece junto a cada nombre es que el que ocupaban en el momento de ser consultados. Mitos: Charles Stewart y Mukulika Baneijee, profesores titulares del departamento de Antropología, University College London (UCL). Cosmología y astrofísica: George Ellis, profesor honorario de Sistemas Complejos en el departamento de Matemáticas y Matemáticas aplicadas, Universidad de Ciudad del Cabo; Paul Steinhardt, profesor Albert Einstein de Ciencias, Princeton University; Ofer Lahav, catedrático Perren de Astronomía y director de Astrofísica, UCL; Bernard Carr, profesor de Astronomía, Queen Mary, Universidad de Londres; el fallecido Geoffrey Burbidge, profesor de Astronomía, Universidad de California, San Diego; Javant Narlikar, profesor emérito, Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, Pune, India; Jon Butterworth, profesor de Física y director del departamento de Física y Astronomía, UCL; Serena Viti, profesora adjunta del departamento de Física y Astronomía, UCL; Eric J Lerner, presidente de Lawrenceville Plasma Physics, Inc. Filosofía: Tim Crane, profesor y director del departamento de Filosofía, UCL, y director del Institute of Philosophy, y también posteriormente profesor Knightbridge de Filosofía, Universidad de Cambridge; Hasok Chang, profesor de Filosofía de las ciencias, UCL. Ciencias planetarias y atmosféricas: Jim Kasting, profesor honorario, Pennsylvania State University. Geología: John Boardman, profesor adjunto de Geomorfología y degradación del suelo, Universidad de Oxford. Historia de la ciencia: Adrian Desmond, biógrafo e investigador honorario del departamento de Biología, UCL; Charles Smith, profesor y bibliotecario de Ciencias, Western Kentucky University; John van Whye, fundador y director de The Complete Works of Charles Darwin online; James Moore, biógrafo y profesor del departamento de Historia, Open University; James Le Fanu, médico e historiador especializado en ciencias y medicina. El origen y la evolución de la vida: profesor Adrian Lister, investigador del departamento de Paleontología del Museo de Historia Natural; Jim Mallet, profesor del departamento de Genética, evolución y medioambiente, UCL; Johnjoe McFadden, profesor de Genética molecular, Universidad de Surrey; Mark Pallen, profesor de Genómica microbiana, Universidad de Birmingham; Chris Orengo, profesor de bioinformática, UCL; Jerry Coyne, profesor del departamento de Ecología y evolución, Universidad de Chicago; el fallecido Lynn Margulis, profesor honorario, Universidad de Massachusetts; Jim Valentine, profesor emérito del departamento de Biología integrativa, Universidad de California, Berkeley; Jeffrey H Schwartz, profesor de Antropología física y de Historia y filosofía de la ciencia, Universidad de Pittsburgh; Hans Thewissen, profesor de Anatomía del departamento de Anatomía y neurobiología, Northeastern Ohio Universities College of Medicine; Rupert Sheldrake, biólogo celular y director del Perrott-Warrick Project, patrocinado por el Trinity College, Cambridge; Simon Conway Morris, profesor de Paleobiología evolutiva, Universidad de Cambridge; Francis Heylighen, profesor investigador, Universidad Libre de Bruselas; Jonathan Fry, profesor titular del departamento de Neurociencia, fisiología y farmacología, UCL; Thomas Lentz, profesor emérito de Biología celular, Yale University School of Medicine; Richard Goldstein de la división de Biología matemática del National Institute for Medical Research, Londres; Avrion Mitchison, profesor emérito de Anatomía zoológica y comparativa, UCL. Conducta animal: Volker Sommer, profesor de Antropología evolutiva, UCL; Alex Thornton, Drapers’ Company Research Fellow, Pembroke College, Cambridge; Heikki Helantera, investigador académico, Universidad de Helsinki; Simon Reader, profesor adjunto del departamento de Biología, McGill University. El origen del hombre:Robin Derricourt, historiador y arqueólogo, Universidad de Nueva Gales del Sur; C Owen Lovejoy, profesor del departamento de Antropología, Kent State University; Tim White, profesor del departamento de Biología integrativa, Universidad de California, Berkeley. La evolución de los humanos: Steven LeBlanc, profesor de Arqueología, Harvard University; John Lagerwey, profesor del Centre for East Asian Studies, Universidad China de Hong Kong; Liz Graham, profesora de Arqueología mesoamericana, UCL; Subhash Kak, profesor Regents de Ciencia de la computación, Oklahoma State University; Fiona Coward, profesora titular de Ciencia de la arqueología, Bournemouth University; Dorian Fuller, profesor adjunto de Arqueobotánica, UCL; Pat Rice, profesora emerita del departamento de Sociología y antropología, West Virginia University; Damien Keown, profesor de Ética budista, Goldsmiths, University of London; Stephen Batchelor, profesor de budismo y escritor; Naomi Appleton, Chancellor’s Fellow en Estudios religiosos, Universidad de Edimburgo; Simon Brodbeck, profesor de la Escuela de Historia, arqueología y religión, Universidad de Cardiff; Chad Hansen, profesor de Filosofía, Universidad de Hong Kong; Gavin White, autor de Babylonian Star-Lore; Magnus Widell, profesor de Asiriología, Universidad de Liverpool; Stephen Conway, profesor y director del departamento de Historia UCL; Bruce Kent, fundador y vicepresidente del Movimiento para la abolición de la guerra; Dean Radin, director científico del Institute of Noetic Sciences. Charles Palliser, novelista, realizó comentarios en diversos capítulos desde el punto de vista de un no especialista. Cualquier error que pueda haber queda totalmente bajo mi responsabilidad. No todos los especialistas mencionados se mostraron de acuerdo con las conclusiones que yo extraje a partir de las evidencias. De hecho, busqué deliberadamente comentarios de muchos cuyas publicaciones demostraban que tenían puntos de vista distintos al mío. Con algunos entablé una larga correspondencia, llamándome la atención hacia evidencias que yo desconocía, proporcionándome una interpretación distinta de las evidencias o cuestionando mis argumentos. Valoré muchísimo estos intercambios, que sirvieron para mejorar el manuscrito y las conclusiones. Otros exhibieron una mentalidad lo suficientemente abierta como para decir que, después de reflexionar, estaban de acuerdo con mis conclusiones. Varios especialistas se mostraron en desacuerdo con otros especialistas de su mismo ámbito. A pesar de que las preguntas sobre qué somos, de dónde venimos y por qué estamos aquí me han intrigado desde que era un estudiante de ciencias, la idea de investigar y escribir un libro sobre el tema surgió en 2002. Mi nombramiento como Royal Literary Fund Fellow del University College London en 2004, me proporcionó los ingresos, el ambiente y la biblioteca necesaria para permitirme desarrollar y dar forma a mis ideas y, en 2006, el libro acabó adquiriendo la orientación con la que ha salido a la luz. Mi infinito agradecimiento para la UCL y mis colegas en la institución, a la Graduate School por su apoyo, a los estudiantes universitarios a los que he impartido clases y de los que tanto he aprendido y al RLF por financiar el proyecto. Mi agradecimiento también para el Arts Council of England por el regalo en forma de beca literaria que recibí en 2009 y que me permitió trabajar prácticamente a tiempo completo en la investigación y la redacción del libro. Katie Aspinall me ofreció muy amablemente su casita en Oxfordshire para poder disfrutar de periodos de reflexión sin interrupciones. Cuando mis amigos querían mostrarse comprensivos, decían que era un proyecto ambicioso. Cuando querían ser realistas, decían que era una locura. En mis momentos más cuerdos, es lo que yo pensaba también. He contraído una deuda enorme con mi agente, Caspian Dennis, de Abner Stein, que mantuvo su fe en el proyecto y demostró la habilidad necesaria para colocarlo en el editor adecuado en el momento adecuado. Andrew Lockett, el recientemente nombrado director editorial de Duckworth, se quedó intrigado con la propuesta y durante su primera semana en el puesto nos invitó a reunirnos con él. El proyecto necesitaba la aprobación del propietario de Duckworth, Peter Mayer, fundador de Overlook Press, Nueva York. El exhaustivo y extremadamente educado interrogatorio al que me sometió Peter durante una de las visitas que realizó a Londres me hizo entender por qué durante más de veinte años, incluyendo los dieciocho que pasó como consejero delegado de Penguin Books, había sido el editor más destacado e innovador del mundo. Andrew defendió el libro y proporcionó comentarios editoriales valiosísimos del manuscrito. Su equipo, integrado por Melissa Tricoire, Claire Easthman, Jane Rogers y David Marsall, se mostró entusiasta tanto en su apoyo como en las ideas proporcionadas para producir un libro atractivo y accesible que llamara la atención de los potenciales lectores, y similar entusiasmo mostraron Nikki Griffiths, el sucesor de Andrew como director editorial, y Deborah Blake, la revisora. Mi agradecimiento también para Tracy Carns y Erik Hane, de Overlook Press. PRIMERA PARTE. El origen y la evolución de la materia CAPÍTULO 1. LA EXPEDICIÓN Si descubrimos una teoría completa, con el tiempo habrá de ser, en sus líneas maestras, comprensible para todos y no únicamente para unos pocos científicos. Entonces todos, filósofos, científicos y la gente corriente, seremos capaces de tomar parte en la discusión de por qué existe el universo y por qué existimos nosotros. Si encontrásemos una respuesta a esto, sería el triunfo definitivo de la razón humana, porque entonces conoceríamos el pensamiento de Dios. Stephen Hawking, 1988 Cuando hayamos unificado la cantidad necesaria de conocimientos, comprenderemos quién somos y por qué estamos aquí. Edward O. Wilson, 1988 «¿Qué somos?» y «¿por qué estamos aquí?» son preguntas que llevan fascinando al ser humano desde hace al menos veinticinco mil años. Durante la inmensa mayoría de este tiempo, hemos buscado respuesta a través de las creencias sobrenaturales. Hace apenas tres mil años, empezamos a buscar la respuesta a esas preguntas a través de la visión filosófica y el razonamiento. Hace poco más de ciento cincuenta años, la obra de Charles Darwin, El origen de las especies, aportó un enfoque completamente distinto. Adoptaba el método empírico de la ciencia y llegó a la conclusión de que somos producto de la evolución biológica. Cincuenta años atrás, los cosmólogos declararon que la materia y la energía de la que estamos compuestos tenían su origen en un Big Bang que creó el universo. Y luego, hará cuestión de treinta años, los neurocientíficos empezaron a demostrar que lo que vemos, oímos, sentimos y pensamos está correlacionado con la actividad que desarrollan las neuronas en distintas partes del cerebro. Estos grandiosos logros en la ciencia fueron posibles gracias a avances tecnológicos que generaron un incremento de datos de carácter exponencial. Esto a su vez llevó a la ramificación de la ciencia en focos de investigación cada vez más delimitados y profundos. En los últimos tiempos, nadie ha dado un paso atrás para examinar la hoja de una de esas ramas sin ver que la totalidad del árbol evolutivo nos está mostrando quién somos, de dónde venimos y por qué existimos. Esta búsqueda es un intento de hacer precisamente eso: averiguar lo que la ciencia puede contarnos de manera fiable a partir de la observación sistemática y la experimentación sobre cómo y por qué evolucionamos desde el origen del universo y si lo que somos nos hace distintos del resto de animales. Abordaré esta tarea en cuatro partes. La primera parte examinará la explicación que da la ciencia al origen y la evolución de la materia y la energía de las que estamos formados; la segunda parte hará lo mismo para el origen y la evolución de la vida, puestoque somos materia viva; la tercera parte examinará el origen y la evolución del ser humano. En la cuarta parte veremos si en las evidencias existen patrones consistentes que nos permitan extraer conclusiones generales. En cada una de estas partes, desglosaré la cuestión fundamental «¿qué somos?» en las diversas preguntas que investigan los distintos ámbitos de especialización; intentaré encontrar en cada uno de estos ámbitos, y a partir de publicaciones académicamente reconocidas, aquellas respuestas que estén validadas por las evidencias empíricas antes que las derivadas de las especulaciones y creencias; y miraré si en estas evidencias existe o no un patrón que permita extraer conclusiones. Solo en el caso de que esta estrategia no ofrezca una explicación satisfactoria, consideraré la sensatez de hipótesis y conjeturas, así como de otras formas posibles de conocimiento, como punto de vista. Luego, pediré a especialistas de cada ámbito (que aparecen listados en los Agradecimientos) que verifiquen los resultados de mi borrador en busca de errores de hecho o de omisión y la posible presencia de conclusiones inadmisibles. Al final de cada capítulo, realizaré una lista de conclusiones para que el lector que desee saltarse cualquiera de las secciones más técnicas pueda conocer mis hallazgos. La pregunta qué somos me ha intrigado desde que era estudiante de ciencias. Aparte de ser el coautor de dos estudios de investigación, de escribir un libro sobre ciencias sociales y de mis cuatro años como profesor de física a tiempo parcial en la Open University, nunca he practicado como científico y por lo tanto, en este sentido, no estoy cualificado para esta tarea. Por otro lado, pocos investigadores actuales poseen conocimientos relevantes fuera de los campos de especialización que estudiaron y que ahora practican. Doy por supuesto que muchos de estos especialistas pensarán que no he escrito con detalle suficiente sobre su campo de especialización. Me declaro culpable de ello de antemano. Mi intención es escribir un libro, no una biblioteca entera, lo cual exige necesariamente resumir con el objetivo de ofrecer al lector una imagen general de la evolución humana: una visión de lo qué somos y de por qué estamos aquí. A pesar de los esfuerzos por corregir errores, en una empresa como esta habrá detalles que presentarán fallos, de los cuales asumo toda la responsabilidad. O que habrán quedado superados por los resultados de nuevas investigaciones aparecidas entre el momento de la escritura del libro y su publicación, pero la ciencia, a diferencia de las creencias, avanza así. Lo que espero es que este libro ofrezca un marco de trabajo amplio que otros puedan refinar y desarrollar. Una mayoría de la población mundial, sin embargo, no acepta que seamos producto de un proceso evolutivo. Cree en varios mitos que explicarían nuestros orígenes. Empezaré, por lo tanto, con un capítulo que examina los diversos mitos sobre el origen, por qué han sobrevivido durante los casi quinientos años que han transcurrido desde el inicio de la revolución científica y si han tenido influencia sobre el pensamiento científico. Gran parte de las desavenencias surgen porque distintas personas utilizan la misma palabra para referirse a cosas distintas: los significados cambian con el tiempo y con los diferentes contextos culturales. Para minimizar los malentendidos, la primera vez que utilice una palabra relevante y potencialmente ambigua, definiré el significado concreto que le aplico y, además, elaboraré una lista de dichos términos en el glosario que aparece al final del libro, que incluye también definiciones de términos técnicos inevitables. La primera palabra a definir es «ciencia». Deriva del latín scientia, que significa conocimiento. Cada tipo de conocimiento puede adquirirse, o afirmarse que se ha adquirido, de una manera distinta. Desde el siglo xvi se equipara con conocimiento sobre el mundo natural —inanimado y animado— adquirido mediante la observación y la experimentación, a diferencia del conocimiento adquirido únicamente a través del razonamiento, la percepción o la revelación. En consecuencia, la definición de ciencia debe incluir los medios a través de los cuales se adquiere el conocimiento. Nuestro concepto actual de ciencia podría resumirse como Ciencia: el intento de comprender y explicar los fenómenos naturales mediante la observación y la experimentación sistemáticas, y preferiblemente mensurables, y de aplicar el razonamiento al conocimiento obtenido de esta manera para deducir leyes verificables y realizar predicciones o retrodicciones. Retrodicción: un resultado que se ha producido en el pasado y que se deduce o predice a partir de una ley o teoría científica posterior. La ciencia pretende formular una ley, o una teoría más general, que explique la conducta invariable de un sistema de fenómenos. Utilizamos dicha ley o teoría para predecir resultados futuros, aplicándola a fenómenos concretos del sistema. Por ejemplo, dentro del sistema de objetos en movimiento aplicamos las leyes del movimiento de Newton para predecir el resultado de lanzar un cohete concreto al espacio dentro de un conjunto de circunstancias concretas. La ciencia puede también informarnos sobre resultados del pasado. Un ejemplo de retrodicción es que, a partir de la teoría de las placas tectónicas, podemos deducir que cerca de la costa este de América del Sur y de la costa oeste del África austral podremos encontrar fósiles similares anteriores a la ruptura del súper continente Pangea, que se produjo hace unos doscientos millones de años. A partir del siglo xviii, el estudio de los fenómenos naturales incluyó también el ser humano y sus relaciones sociales. En el siglo xix, la aplicación del método científico a estos estudios dio como resultado el desarrollo de las ciencias sociales, un término amplio que abarca disciplinas como la arqueología, la antropología, la sociología, la psicología, las ciencias políticas e incluso, la historia. En la tercera parte evaluaré los descubrimientos más relevantes de estas disciplinas. En la ciencia, el término «teoría» tiene un significado más concreto que en su uso general, aunque incluso en la ciencia, tanto «teoría» como «hipótesis» se utilizan a menudo de forma vaga. Es importante distinguir entre ambos conceptos. Hipótesis: teoría provisional planteada para explicar un fenómeno o un conjunto de fenómenos y utilizada como base de posteriores investigaciones; suele llegarse a ella bien por revelación, bien por razonamiento inductivo después de examinar evidencias incompletas y puede ser susceptible de ser falsa. El criterio de la falsabilidad fue propuesto por el filósofo científico Karl Popper. En la práctica, puede no resultar claro, pero la mayoría de científicos actuales acepta el principio de que para distinguir una hipótesis científica de una conjetura o creencia, debe estar sujeta a pruebas empíricas que puedan falsarla. Teoría: explicación de un conjunto de fenómenos que ha quedado confirmada por diversos experimentos y observaciones y que se utiliza para realizar predicciones o retrodicciones precisas sobre dichos fenómenos. Cuanto más amplio sea el rango de fenómenos explicados, más útil resultará la teoría científica. Y debido al hecho de que la ciencia avanza mediante el descubrimiento de nuevas evidencias y la aplicación de nuevas ideas, una teoría científica puede quedar modificada o refutada como resultado de evidencias contradictorias, aunque nunca podrá ser demostrada de manera absoluta. Algunas teorías científicas, sin embargo, están ampliamente consolidadas. Por ejemplo, a pesar de que la teoría de que la Tierra es el centro del universo y el sol y las demás estrellas giran a su alrededor ha quedado refutada, la teoría de que la Tierra gira en órbita alrededor del sol ha quedado validada por tantas observaciones y predicciones precisas que se acepta hoy en día como un hecho establecido.Sin embargo, puede darse el caso de que ni siquiera esto sea así. En realidad, es muy probable que deje de ser cierto en el plazo de unos cinco mil millones de años, momento en el cual muchos estudios sobre la evolución del sol predicen que éste se habrá convertido en una estrella roja gigante que se expandirá y acabará engullendo y quemando la Tierra. Cualquier investigación está fuertemente influenciada por creencias anteriores. Yo nací y fui educado como católico, me volví ateo y ahora soy agnóstico. No tengo creencias previas relacionadas con el teísmo, el deísmo o el materialismo. No sé nada, sinceramente. Y esta es en parte la emoción que conlleva embarcarse en una expedición cuyo objetivo es descubrir, a partir de evidencias científicas, qué somos y en qué podríamos convertirnos. Invito a los lectores con mentalidad abierta a que se sumen a mi expedición. CAPÍTULO 2. MITOS SOBRE EL ORIGEN Quiero saber cómo Dios creó el mundo. Albert Einstein, 1955 El mundo y el tiempo tienen un único principio. El mundo no se creó en el tiempo, sino simultáneamente con el tiempo. San Agustín de Hipona, 417 Desde el 11 de febrero de 2013[1], el relato ortodoxo de la ciencia, que se presenta habitualmente como un hecho, afirma que hace 13,7 miles de millones de años el universo, incluyendo el espacio y el tiempo y también la materia y la energía, explotó e inició su existencia como una bola de fuego de densidad infinita y temperatura increíblemente elevada que se expandió y se enfrió para dar lugar al universo tal y como lo vemos hoy en día. Fue el Big Bang a partir del cual hemos evolucionado. Antes de investigar si la ciencia es capaz de explicar nuestra evolución a partir del origen de la materia y la energía, consideraré brevemente los mitos en los que cree una inmensa mayoría de la población mundial. Resulta instructivo examinar los conceptos principales de los distintos mitos, las diversas explicaciones que les han dado los científicos sociales y si estas explicaciones superan el test de las evidencias o de la racionalidad, por qué los mitos han sobrevivido y hasta qué punto han influido el pensamiento científico. Temas principales Toda cultura a lo largo de la historia posee uno o más relatos sobre el origen del universo y el ser humano: comprender de dónde venimos forma parte del deseo humano inherente de comprender qué somos. El Rigveda, el texto sagrado más antiguo del mundo y el escrito más importante de lo que hoy conocemos como hinduismo, presenta tres de estos mitos en su décimo libro de himnos a los dioses. Los Brahmanas, la segunda parte de cada veda dedicada básicamente a los rituales, contienen otros, mientras que las Upanishads, relatos sobre las percepciones místicas de videntes que la tradición vincula al final de los vedas,[2] expresan de diversas maneras una perspectiva única sobre el origen del universo.[3] Las culturas judeo-cristiana e islámica comparten, en términos generales, la misma explicación para la creación, mientras que otras culturas tienen otras. Los chinos poseen, como mínimo, cuatro mitos sobre el origen que presentan, además, en distintas versiones. Pero a pesar de que cada mito es diferente,[4] hay nueve temas principales recurrentes, algunos de los cuales se solapan. Caos o agua primigenios Muchos mitos hablan de un caos preexistente, a menudo descrito como agua, del cual emerge un dios para crear el mundo o partes del mismo. Los pelasgos, que hacia 3.500 a. C. invadieron la península griega procedentes de Asia Menor, trajeron con ellos la historia de la diosa creadora Eurínome, que surgió desnuda de Caos.[5] Los mitos de Heliópolis, en Egipto, que datan del cuarto milenio antes de Cristo nos hablan de Nun, el océano primigenio, del cual surgió Atum, de cuya masturbación nació el mundo. Hacia 2.400 a. C., Atum quedó identificado con el dios del sol, Ra, y su aparición quedó asociada con la salida del sol y la disipación de la oscuridad caótica. El buceador de la tierra Otros mitos, extendidos por Siberia, Asia y algunas tribus nativas norteamericanas, hablan de un animal preexistente —a menudo una tortuga o un ave— que se sumerge en las aguas primigenias para extraer de ellas un pedazo de tierra que posteriormente se expande y crea el mundo. El huevo cosmogónico En determinadas partes de India, Europa y el Pacífico, el origen de la creación es un huevo. El SatapathaBrahmana dice que las aguas primigenias produjeron el dios creador Prajapati en forma de huevo dorado. Al cabo de un año, salió del huevo e intentó hablar. Su primera palabra se transformó en la tierra, la segunda en el aire, y así sucesivamente. De un modo similar, una versión del mito chino del P'an Ku empieza con un gran huevo cósmico en el interior del cual flota en el Caos un P'an Ku embrionario. En el mito griego órfico de la creación, cuyo origen se remonta al siglo vii o vi a. C. y contrasta con los mitos olímpicos de Homero, es el tiempo el que crea el huevo plateado del cosmos del que surge el bisexual Fanes-Dionisos que lleva con él las semillas de todos los dioses y todos los hombres y que crea el Cielo y la Tierra. Padres del mundo Un tema muy extendido es el del padre del mundo —normalmente el cielo— que se empareja con la madre del mundo —normalmente la Tierra— para crear los elementos del mundo. A menudo permanecen unidos en el acto sexual, mostrándose indiferentes hacia sus hijos, como en un mito maorí de la creación. La rebelión de los hijos En varios mitos, los descendientes se rebelan contra los padres del mundo. Los hijos del mito maorí —bosques, plantas alimenticias, océanos y el hombre— luchan contra sus padres para obtener espacio. Tal vez el mito más conocido de este tipo sea la Teogonía, compuesta por el griego Hesíodo en el siglo viii a. C. En ella se relata la rebelión de varias generaciones de dioses contra sus padres, los primeros de los cuales fueron Caos, Tierra, Tártaro (el inframundo) y Eros (el amor); la rebelión acabó con el triunfo de Zeus. Sacrificio La idea de la creación a través del sacrificio es frecuente. El mito chino de P'an Ku dice: «El mundo no estuvo terminado hasta que se produjo la muerte de P’an Ku. Solo su muerte pudo perfeccionar el universo. De su cráneo surgió la cúpula del cielo y de su carne el suelo de los campos [...]. Y [finalmente] de las alimañas que cubrieron su cuerpo surgió la humanidad».[6] La batalla primigenia La gran epopeya babilónica, el Enuma Elish, describe la guerra entre los dioses sumerios y la deidad babilónica, Marduk, y sus seguidores. Marduk mata a la diosa original superviviente, Tiamat, y a sus monstruos del Caos, establece el orden y se convierte en el dios supremo y creador del universo: toda la naturaleza, incluyendo los humanos, le debe a él su existencia. Encontramos mitos similares en todo el mundo, por ejemplo en la victoria olímpica de los dioses masculinos del cielo de los invasores arios sobre las fértiles diosas de la tierra de los pelasgos y los cretenses. La creación a partir de la nada Los mitos que presentan el tema de la creación a partir de la nada son escasos. Sin embargo, su creencia no solo es una de las más extendidas, sino que además es la explicación científica preferida actualmente. La versión más antigua es la del Rig Veda. Investigaciones arqueoastronómicas recientes desafían la datación que realizó Max Müller en el siglo xix y documentan con pruebas la tradición india; concluyen que la obra fue compilada a lo largo de un periodo de dos mil años que se inició en torno a 4.000 a. C.[7] En el décimo y último libro, el Himno 129 dice: «Entonces no existían ni lo existente ni lo inexistente, no existía el espacio etéreo, ni el cielo que está más allá [...]. Solo aquel Uno respiraba sin aire, por su propia naturaleza. Aparte de él no existía cosa alguna». La idea se desarrolla en las Upanishads, los más destacados de los cuales fueron probablemente escritos entre 1000 y 500 a. C. La ChandogyaUpanishad representa la idea central de que «El universo proviene de Brahmán y regresará a Brahmán. Ciertamente, todo es Brahmán». Varias Upanishad emplean la metáfora, la alegoría, la parábola, el diálogo y la anécdota para describir a Brahmán como la realidad definitiva que existe a partir del espacio y el tiempo, del cual mana todo y de lo cual todo está formado; se interpreta generalmente como la Conciencia Cósmica, el Espíritu o la Divinidad Suprema que sustenta cualquier forma. El taoísmo expresa una idea similar. El principal texto taoísta, conocido en China como Lao-Tzu y en Occidente como Tao Te Ching, fue seguramente compilado entre los siglos vi y iii a. C. Destaca la unicidad y la eternidad del Tao, el Camino. El Tao es «nada» en el sentido de que es «ninguna cosa»: carece de nombre o de forma; es la base de todo ser y la forma de todo ser. El Camino, o la nada, da lugar a la existencia, la existencia da lugar a los opuestos yin y yang, y el yin y el yang dan lugar a todo: macho y hembra, tierra y cielo, y así sucesivamente. El primer libro de las escrituras hebreas, escrito no antes de finales del siglo vii a. C,[8] empieza con las palabras «En el principio, dios creo los Cielos y la Tierra».[9] El siguiente versículo describe la Tierra en términos que evocan los mitos del caos y las aguas primigenias, después de lo cual Dios dice que habrá luz y se crea la luz, y después Dios separa la luz de la oscuridad en su primer día de creación. En el transcurso de los cinco días siguientes, ordena la creación del resto del universo. En el Corán, escrito a partir del siglo vii d. C., Dios ordena también la creación de los Cielos y la Tierra.[10] El ciclo eterno Varios mitos originarios de India niegan que el universo fuera creado y sostienen que el universo ha existido siempre, pero que este universo eterno está sometido a ciclos. En el siglo v a. C., Buda dijo que realizar conjeturas sobre el origen del universo provoca la locura a aquellos que lo intentan.[11] Esto, sin embargo, no impidió que sus seguidores lo intentaran. Aplicaron su punto de vista de que todo es temporal, que todo surge, se crea, cambia y desaparece constantemente, con el resultado de que la mayoría de escuelas budistas predica en la actualidad que el universo se expande y se contrae, se disuelve en la nada y evoluciona para volver a ser siguiendo un ritmo eterno. Posiblemente estuvieron influidos por los jainistas, cuyo último Tirthankara (literalmente «constructor de vados», aquel que enseña a cruzar el río de los renacidos para alcanzar el estado de liberación eterna del alma) empezó a predicar sus enseñanzas en el este de India antes que Buda. Los jainistas sostienen que el universo no está creado y es eterno. El tiempo es como una rueda con doce ejes que miden los yugas, o edades del mundo, cada uno de los cuales tiene una duración fija de miles de años. Seis yugas forman un arco ascendente en el que el conocimiento humano y la felicidad aumentan, elementos que disminuyen en el arco descendiente de seis yugas. Cuando el ciclo alcance su nivel más bajo, desaparecerá incluso el jainismo. Entonces, en el transcurso del siguiente ascenso, se redescubrirán los conocimientos jainistas y nuevos Tirthankaras se encargarán de reintroducirlo, aunque al final del nuevo ciclo descendente de la rueda eterna del tiempo, el proceso se repetirá. Todo esto es similar a las principales creencias yóguicas, que derivan de la filosofía védica. Suelen postular solo cuatro yugas. La primera, Satya Yuga o Krita Yuda, dura 1.728.000 años, mientras que la cuarta, Kali, dura 432.000 años. El descenso desde Satya hasta Kali va asociado con un deterioro progresivo del dharma, o rectitud, manifestado en forma de disminución de la duración de la vida humana y de la calidad de los estándares éticos de la humanidad. Por desgracia, actualmente estamos en el periodo Kali. Explicaciones Las muchas explicaciones de estos mitos sobre el origen pueden agruparse en cinco categorías. Verdad literal Todos los mitos sobre el origen son distintos y, en consecuencia, no todos pueden ser literalmente ciertos. Sin embargo, algunas culturas afirman que su mito es literalmente cierto. Un 63 por ciento de norteamericanos cree que la Biblia es la palabra de Dios y que es literalmente cierta,[12] mientras que la abrumadora mayoría[13] de los 1,6 miles de millones de musulmanes del mundo cree en la verdad literal del Corán porque es la palabra eterna de Dios escrita sobre una tabla en el Cielo y dictada a Mahoma por el arcángel Gabriel. Muchos creyentes en la verdad literal de la Biblia suscriben el cálculo sobre el Génesis que realizó James Ussher que afirmó que la creación en seis días del universo culminó el sábado 22 de octubre de 4004 a. C. a las seis de la tarde.[14] [15] Sin embargo, la mayoría de las evidencias geológicas, paleontológicas y biológicas, que se sirven de la datación radiométrica obtenida a partir de rocas, fósiles y testigos de hielo, sitúa la edad de la Tierra en al menos 4,3 miles de millones de años. Los datos astronómicos indican que el universo tiene una antigüedad de entre diez y veinte mil millones de años. Las evidencias contra la verdad literal de la creencia creacionista son conclusivas.[16] Más aún, creer en la verdad literal de la Biblia es creer, como mínimo, en dos relatos contradictorios de la creación. En Génesis 1:26-1, Dios crea las plantas y los árboles el tercer día, los peces y las aves el quinto día, el resto de animales al principio del sexto día, y el hombre y la mujer, a su propia imagen y semejanza, al final del sexto día. En Génesis 2, por otro lado, Dios crea primero un varón humano a partir del polvo; solo después crea un jardín donde crecen plantas y árboles y luego, a partir de la tierra, crea todos los animales y aves (no hay mención de los peces), hasta que finalmente crea una mujer a partir de la costilla del hombre. También resulta ilógico que los creyentes en la verdad literal del Corán crean que Dios creó la Tierra y los cielos en ocho días (Sura 41:9-12) y que creara la Tierra y los cielos en seis días (Sura 7:54). Metáfora Barbara Sproul, una de las principales especialistas en mitos sobre el origen, defiende que, pese a que no son literalmente ciertos, los mitos se sirven de metáforas para expresar sus verdades. La única evidencia que cita es la interpretación que el etnólogo Marcel Griaule realiza de la explicación de un sabio dogón que afirma que el mito de su pueblo debe entenderse en palabras del mundo inferior. Para el resto, explica lo que en realidad significan los distintos mitos sobre el origen. Así, en el mito de Heliópolis, el dios creador que se masturba y crea con ello el mundo representa la dualidad interiorizada y manifiesta que toda dualidad «se convierte en sagrada y revela la naturaleza de la realidad solo si comprendemos lo que quiere dar a entender con ello».[17] No aporta evidencias que sustenten que los creadores de mitos de Heliópolis, y menos aún la población de Heliópolis de hace cinco mil años, compartieran sus conclusiones. Para otros ejemplos que cita resulta difícil evitar la impresión de que está proyectando en los mitos interpretaciones propias y características de finales del siglo xx. Si el 63 por ciento de la nación tecnológicamente más sofisticada del mundo cree que el mito de la creación del Génesis es literalmente cierto, ¿es razonable suponer que las tribus nómadas de hace cuatro mil años, o incluso los escribas del rey Josías de hace dos mil quinientos años, pensaran que era una metáfora? Por mucho que sea razonable llegar a la conclusión de que, por su contexto, algunos de los relatos sobre el origen, como los de las Upanishad, emplean deliberadamente la metáfora, Sproul no aporta pruebas que demuestren que la mayoría de esos mitos fueran concebidos o reconocidos como otra cosa que no fuera un relato literal. Aspecto de realidad absoluta Sproul sostiene que todaslas religiones declaran una realidad absoluta que es a la vez trascendente (verdadera en todo momento y lugar) e inmanente (verdadera en el aquí y ahora), y que «Solo los mitos de la creación tienen como finalidad principal la proclamación de esta realidad absoluta».[18] Además, su conjunto de mitos de la creación «no muestra ninguna disparidad esencial en su comprensión, sino que revela una similitud de visiones a partir de una amplia variedad de puntos de vista».[19] Así pues, muchos mitos sobre el origen mencionan polos opuestos: luz y oscuridad, espíritu y material, macho y hembra, bien y mal, etc. Los más profundos identifican Ser y No-ser y algunos, como la Chandogya Upanishad, afirman que el No-ser surge a partir del Ser, mientras que otros, como un mito maorí, asevera que el No-ser en sí mismo es el origen de todo Ser y No-ser. Algunos ven el origen de toda esta polaridad como el Caos, que incluiría todas las distinciones posibles; la creación se produce cuando el Caos se fusiona y toma forma y actúa sobre todo lo no formado para crear más distinciones y, con ello, crear el mundo. «En este caso, ¿qué es la realidad absoluta? ¿El Caos en sí mismo? ¿O el hijo del Caos que actúa sobre él? Ambos. Son uno». [20] Las diferencias aparentes surgen porque los mitos hablan de lo desconocido en términos de lo conocido, normalmente utilizando formas antropomórficas o sirviéndose de palabras relacionadas para intentar describir lo absoluto. Según Sproul, incluso el rechazo de un acto de creación por parte de los budistas, los jainistas y los yoguistas, separa su universo eterno del universo creado; los mitos que relatan sucesos de creación temporalizan, simplemente: hablan de lo absoluto en términos de lo primero. La reivindicación de que todos los mitos sobre el origen revelan aspectos de la misma realidad absoluta resulta fascinante. No está, sin embargo, sustentada por ninguna evidencia. Queda igualmente explicada por la interpretación que Sproul realiza de estos mitos según sus propias creencias de lo que constituye la realidad absoluta. Verdad arquetípica Según Sproul, que fue alumna de Joseph Campbell, los mitos de la creación son importantes no solo por su valor histórico sino también porque revelan valores arquetípicos que nos ayudan a comprender nuestro crecimiento personal «físicamente, mentalmente y espiritualmente, en el contexto del flujo cíclico de ser y no-ser y, finalmente, en la unión absoluta de los dos».[21] Su utilización de los conceptos de Campbell, derivados de la psicología de Jung, no logra presentar una explicación convincente. Experiencia fetal El biólogo molecular Darryl Reanney sugiere que el tema común de unas aguas oscuras e informes preexistentes en las que aparece la luz y nace el universo podría explicarse por los recuerdos subliminales del feto que experimenta el nacimiento al emerger de las aguas oscuras, informes y nutritivas del útero. «Las huellas que la experiencia del nacimiento deja en el cerebro pre-natal predisponen a los mitos a desarrollar configuraciones concretas de imaginería simbólica que tocan teclas extremadamente receptivas desde un punto de vista psicológico».[22] Para sustentar su teoría, afirma que a partir del séptimo mes de embarazo es posible registrar actividad eléctrica en el córtex cerebral del feto (datos más recientes sugieren que puede registrarse antes del sexto mes). [23] Se trata de una conjetura interesante, pero es difícil entender de qué manera podría validarse o refutarse. Sugiero tres explicaciones más. Comprensión limitada de los fenómenos naturales En la fase de la evolución humana en la que se desarrollaron estos mitos, la mayoría de culturas poseía una comprensión errónea o limitada de las fuerzas naturales y, con la excepción de India occidental y ciertas partes de China, la indagación filosófica ni siquiera existía. El elemento de las aguas primigenias común en tantos mitos podría tener su origen en el motivo por el que muchos pueblos neolíticos tardíos instalaron sus poblados a orillas de un río. Utilizaban el agua para beber, para seguir con vida y para regar sus cultivos. El agua era fuente de vida y de fertilidad y antes del desarrollo de las ciudades solía estar asociada con el espíritu y la divinidad de la vida. La mayoría de mitos se remonta a culturas de la Edad de Bronce en las que la ciencia, con la excepción de la astronomía, era completamente desconocida. Cuando a los hombres sabios se les preguntaba cuál era el origen del mundo, recurrían a sus propias experiencias de creación para dar la respuesta. Hombres y animales eran resultado de la unión sexual de sus padres y madres y, en consecuencia, también el mundo tenía que ser resultado de la unión de un padre y una madre. Para fertilizar el mundo, este padre tenía que ser todopoderoso, y la fuerza más poderosa que conocían era el cielo, de donde provenía el calor del sol, los truenos, los rayos y la lluvia que fertilizaba todo lo que crecía. Para gestar el mundo, la madre tenía que ser tremendamente fecunda, y lo más fecundo que conocían era la tierra, de donde provenían los árboles, la vegetación y los cultivos. De ahí el dios-cielo padre y la diosa-tierra madre. Sabios de distintos pueblos consideraron el huevo como el objeto a partir del cual emerge la vida. De ahí que el cosmos, o el dios que lo crea, hubieran surgido de un huevo. Otros sabios tomaron debida nota de los ciclos del sol, la luna, las estaciones y los cultivos. Todos ellos menguan, mueren, resurgen y se desarrollan en una serie aparentemente eterna. Así, dedujeron, debe de ser cómo funcionan los elementos esenciales del universo y cómo debe de funcionar el universo en sí. Necesidad política y cultural En la Edad de Bronce, los espíritus de la naturaleza invocados por los cazadores-recolectores y por las culturas agrícolas primitivas evolucionaron para transformarse en dioses, cuya jerarquía funcional es un reflejo de la de las ciudades-estado, mientras que sus mitos sobre el origen, por otra parte, solían satisfacer una necesidad política o cultural. Atum, el dios creador autosuficiente venerado en Heliópolis durante el cuarto milenio a. C., fue degradado por los teólogos del faraón Menes a hijo y funcionario de Ptah, que hasta el momento había sido simplemente el dios del destino, y al que quisieron elevar a la categoría de dios creador porque era una deidad local de Menfis, lugar donde Menes construyó allí la nueva capital. La creación de mitos a través de la batalla primordial conforma habitualmente esta explicación. Así, vemos como en el mito babilónico de Enüma Elish, Marduk mata a Tiamat y a sus monstruos del Caos y se erige como dios creador supremo, lo que santifica y legitima el triunfo de los babilónicos sobre los antiguos poderes sumerios y la imposición de su orden en la totalidad de Sumeria. Las evidencias arqueológicas descubiertas a finales del siglo xx sugieren que el relato bíblico de la creación, escrito según la palabra de Dios, se explica probablemente por una necesidad política y cultural. A finales del siglo vii a. C., el rey Josías encargó a sus escribas que recopilaran los mitos y las leyendas de la región en un texto canónico cuyo objetivo era santificar y legitimar la unión de su reino de Judea con el derrotado reino de Israel y dejarlo bajo un único gobierno absoluto patriarcal y un único ordenamiento jurídico. Yahvé, el dios local de Judea, que en sus orígenes tenía como esposa a la diosa Asherá, se convirtió no solo en el dios principal, sino también en el único dios. Yahvé es el nombre que se aplica a Dios en el relato de la creación que aparece en Génesis 2. Pero para convencer al pueblo de Israel de que aceptara la unión, se intentó que fuera igual que sus dioses. Elohim, el nombre que recibe Dios en Génesis 1, es el término genérico empleado para cualquier ser divino y lo utilizaban los cananeos, cuyo territorio y cultura habían adoptado los israelitas, parareferirse a su panteón de dioses; en Génesis 1, los dioses pasan a formar una sola deidad. En un reflejo del papel de gobernador absoluto del reino unido de Judea e Israel que Josías quería santificar, a este único Dios le bastaba con decir una cosa para que se cumpliera; y así se creó el mundo. Pero este cambio de mitos no es prerrogativa del conquistador. La historia de la creación de los chiricahua apaches es una fusión tragicómica del Antiguo Testamento y su mitología previa a la conquista. El Diluvio bíblico ahoga a todo aquel que veneraba a los dioses de la montaña del Rayo y el Viento. Cuando las aguas se retiran, se pone ante dos hombres un arco y una flecha y un rifle. Uno coge el rifle y se convierte en el hombre blanco, mientras que el otro tiene que quedarse con el arco y la flecha y se convierte en el indio. Visión mística Algunas culturas de India y China valoraban el entrenamiento de la mente para concentrarse en el interior y adquirir conocimientos directos fusionándose con el objeto a estudiar. A través de la meditación, los videntes de India tuvieron la visión de que atman, el Yo esencial, era idéntico al universo, que a su vez era idéntico a Brahmán, la inefable entidad omnipresente de la que procedía. Esta visión mística es muy similar a la de los primeros taoístas y a la de los posteriores videntes de otros países. Es importante distinguir, sin embargo, entre la esencia de estas visiones comunes y las interpretaciones culturalmente sesgadas que realizaron los discípulos, que a menudo mostraban una falta de comprensión de los fenómenos naturales o eran un reflejo de una necesidad social o política. El test de las evidencias y del razonamiento Carecemos de evidencias que validen científicamente los mitos sobre el origen y las explicaciones que podamos hacer de ellos. Poseemos, sin embargo, evidencias suficientes para refutar la verdad literal de la mayoría de estos mitos, incluyendo los que declaraban haber sido revelados por un Dios externo y trascendente. La comprensión limitada, o incluso falsa, de los fenómenos naturales, sumada a necesidades culturales y políticas y a las interpretaciones culturalmente sesgadas de las visiones místicas podrían ser explicaciones más prosaicas que las ofrecidas por muchos mitólogos, etnólogos, psicólogos y otros eruditos, aunque no puedo citar evidencias conclusivas que apoyen esto. Sin embargo, ellos tienen la ventaja de mostrarse de acuerdo con estos hechos, como bien sabemos, y han llegado a dicho acuerdo aplicando la navaja de Ockham o, lo que es lo mismo, la regla científica de la parsimonia: son la explicación más sencilla. Los relatos sobre el origen que sustentan su reivindicación de veracidad no en las evidencias materiales, ni en la racionalidad ni en la revelación por parte de un Dios trascendente, sino en la visión mística, no pueden ser ni validados ni refutados por la ciencia ni por el razonamiento. Volveré a tratar con mayor profundidad la visión mística cuando hable sobre el desarrollo del pensamiento filosófico. Sin embargo, desde una perspectiva puramente científica y racional, la mayoría de mitos entra dentro de la categoría de superstición, que definiré como Superstición: creencia que entra en conflicto con las evidencias o para la que no existe una base racional y que surge normalmente como consecuencia de una falta de entendimiento de los fenómenos naturales o del miedo a lo desconocido. El porqué de su supervivencia Una explicación del porqué los mitos sobre la creación sobreviven incluso en culturas científicamente avanzadas como la nuestra la encontramos en que la ciencia solo examina el mundo físico, pero existe una realidad principal que trasciende ese mundo físico; todos los mitos sobre la creación expresan esta realidad principal en términos —a menudo antropomórficos— que son un reflejo de las distintas culturas. Y a pesar de que esto podría ser cierto en muchos casos, hay demasiados mitos que son mutuamente contradictorios con esta propuesta para que podamos considerarla válida en términos generales. Una explicación más simple es que la supervivencia de estas creencias no es el testimonio de su veracidad, sino más bien el poder de inculcación que han tenido doscientas generaciones de sociedades humanas en el transcurso de más de cinco mil años. Influencia sobre el pensamiento científico La supervivencia de estos mitos no solo resistió la primera revolución científica, sino que los arquitectos de esa revolución jugaron su papel al descubrir las leyes por las que el Dios judeo-cristiano gobernaba el universo que había creado. Isaac Newton, el consumador de esa revolución, creía que el universo «solo podía provenir del asesoramiento y el dominio de un ser inteligente y poderoso».[24] Los mitos sobrevivieron también a la segunda revolución científica, que se inició a mediados del siglo xix con los argumentos de Darwin a favor de la evolución biológica y que culminó en el primer tercio del siglo xx con la transformación que supusieron para la física las teorías de la relatividad y de la mecánica cuántica. Darwin abandonó sus creencias cristianas y acabó su vida en el agnosticismo,[25] pero Albert Einstein, el creador de las teorías de la relatividad especial y de la relatividad general, compartía con Newton la creencia de que el universo había sido creado por una inteligencia suprema, aunque negaba la intervención de ese Dios en los asuntos humanos.[26] Muchos pioneros de la teoría cuántica abrazaron la creencia de que la materia no existe de manera independiente sino solo como una construcción de la mente. Erwin Schodinger, por ejemplo, estuvo toda la vida fascinado por la visión de las Upanishad de que todo, incluido el universo, proviene de la conciencia de Brahmán, la realidad definitiva que existe fuera del espacio y del tiempo;[27] hasta qué punto influyo esto en su trabajo es una pregunta que permanece abierta. Lo que sí es evidente es que el pensamiento científico de David Bohm estuvo influido por esta creencia. [28] Hoy en día, una minoría de científicos profesa públicamente su fe religiosa. Entre ellos destacan John D. Barrow, cosmólogo y miembro de la Iglesia unida reformada de Cristo Emanuel; Francis Collins, antiguo director del Proyecto del genoma humano y cristiano evangélico, que ve el «ADN, la molécula de información de todas las cosas vivas, como el lenguaje de Dios, y la elegancia y la complejidad de nuestro cuerpo y del resto de la naturaleza como un reflejo del plan de Dios»[29] y Ahmed Zewail, musulmán y Premio Nobel de Química en 1989. En general, estos científicos sostienen que la ciencia y la fe religiosa operan en terrenos distintos, aunque algunos, como John Polkinghorne, físico teórico y sacerdote anglicano, promueven activamente el debate sobre la intersección entre ciencia y teología. Alejándose del mito, la ciencia nos ofrece una comprensión más clara del origen del universo y, a partir de ahí, de la materia y la energía a partir de las cuales evolucionamos. ¿O no? [1]1 El día que los científicos de la NASA anunciaron que los datos de la sonda espacial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), habían confirmado el modelo del Big Bang y les habían per mitido determinar la edad del universo con un uno por ciento de margen de error, una exactitud sin precedentes. El 21 de marzo de 2013, científicos de la Agencia Espacial Europea anunciaron que los datos de su telescopio espacial Planck indicaban que dicha edad debía ser revisada y establecerse en 13,82 miles de millones de años. [2]2 Véase el glosario, al final del libro, para una explicación más detallada de estos términos. |3|l^’a las traducciones, he utilizado The Rig Veda (1896) y The Upanishads (1987). [4] Para la mayoría de mitos resumidos en este capítulo, he recurrido a Sproul (1991) y Long, Charles H., «Creation Myth», EncyclopwdiaBritannica Online, 2014. [5] Graves (1955), p. 27. [6] Sproul (1991), pp. 19-20. [7] VéaseKak, Subhash C., «Archaeoastronomy and Literature», Current Science, 73: 7, 1997, pp. 624-627 como ejemplo de un grupo pequeño pero creciente de académicos indios que desafían lo que consideran la interpretación colonial de la historia y la cultura indias enraizada en la intelectualidad victoriana. [8] Finkelstein y Silberman (2001). [9] The RevisedEnglish Bible (1989), Génesis 1:1. [10] The Holy Qur’an (1938), Sura 7:54 y Sura 41:9-12. [11] Buda (1997). [12] Según una encuesta llevada a cabo el 21 y 22 de abril de 2005 por Rasmussen Reports. [13] Las ramas místicas y más modernas del islam están hoy en día marginadas, véase Ahmed (2007). [14] Ussher (1581-1656) era arzobispo de Armagh, Irlanda, por lo que se supone que la hora corresponde con la del meridiano de Greenwich. [15] Los cálculos de Ussher aparecen en Gorst (2001). Para apoyos contemporáneos véase, por ejemplo, la Creation Science Association y su página web http://www.csama.org/ . [16] Véase, por ejemplo, Kitcher (1982); Futuyma (1983). [17] Sproul (1991), p. 17. [18] Ibíd, p. 6. [19] Ibíd, p. 4. [20] Ibíd, p. 10. [21] Ibíd, p. 29. [22] Reanney (1995), p. 99. [23] Finkelstein y Silberman, (2001). [24] Citado en Snobelen, Stephen D., «God of Gods and Lord of Lords: The Theology of Isaac Newton’s General Scholium to the Principia», Osiris, 16, 2001, pp.169-208. [25] Véase el apéndice cuando trata sobre sus creencias religiosas en Darwin, Charles (1929). [26] Einstein (1949). [27] Schrodinger (1964). [28] Véase Krishnamurti y Bohm (1985), (1986), (1999). [29] http://www.cnn.com/2007/US/04/03/collins.commentary/index.html, consultado el 6 de febrero de 2008. http://www.csama.org/ http://www.cnn.com/2007/US/04/03/collins.commentary/index.html CAPÍTULO 3. EL ORIGEN DE LA MATERIA: LA TEORÍA ORTODOXA DE LA CIENCIA A mí, esa teoría del Big Bang siempre me pareció insatisfactoria. Fred Hoyle, 1950 [El Big Bang] es un testimonio de aquel fiat lux primordial. Papa Pío XII, 1951 Somos materia. Podríamos ser algo más que materia. Podríamos ser manifestaciones de una conciencia cósmica, como defienden las visiones místicas, o simulaciones tridimensionales generadas por un ordenador súper inteligente, como propone una conjetura filosófica. Pero el objetivo de este estudio es establecer lo que sabemos en la actualidad, o lo que podemos deducir de un modo razonable, a partir de la experimentación y la observación del mundo que percibimos: es decir, lo que la ciencia nos cuenta sobre qué somos y de dónde venimos. El punto de partida, por lo tanto, es lo que conocemos sobre el origen de la materia a partir de la ciencia, y la teoría ortodoxa actual de la ciencia es que la materia y la energía tienen su origen en el Big Bang que se produjo hace 13,8 miles de millones de años. Me gustaría destacar la palabra «actual» porque tanto los medios de comunicación como los libros científicos más populares presentan las teorías científicas, e incluso las conjeturas, como si fueran hechos indiscutibles. Las teorías científicas cambian. Para dejar claro este hecho, describiré la teoría imperante en la primera parte del siglo xx, explicaré por qué y cómo cambió para dar lugar al modelo del Big Bang, examinaré los problemas que presenta el modelo y consideraré las soluciones que proponen los cosmólogos actuales para hacer frente a dichos problemas. Primera mitad del siglo xx De haber escrito este libro en 1928, habría dicho que la teoría ortodoxa actual de la ciencia es que el universo es eterno e invariable. Era una teoría tan establecida que Einstein cometió lo que posteriormente reconoció como el mayor error de su vida. En 1915 presentó su Teoría general de la relatividad, que incorporaba la gravedad en su descripción de toda la materia y las fuerzas conocidas. Sin embargo, cuando la aplicó al universo como un todo, descubrió que predecía un universo cambiante —la fuerza de la gravedad provocaba el efecto de unir toda la materia del universo—, razón por la cual dos años después introdujo una constante arbitraria, Lambda (A), en sus ecuaciones de campo. Realizando los ajustes necesarios al nivel de Lambda, consiguió que ese término adicional de las ecuaciones equilibrara exactamente la fuerza de la gravedad, produciendo, en consecuencia, un universo estático. Durante los quince años siguientes, todos los teóricos físicos aceptaron la propuesta porque estaba respaldada por la evidencia: las estrellas se movían muy poco. El concepto de universo estático siguió imponiéndose incluso después de que el astrónomo Edwin Hubble demostrara en 1924 que en la única galaxia conocida por aquel entonces —la Vía Láctea— había manchas difusas de luz que no eran nubes de gas, sino galaxias de estrellas muy lejanas. Entre 1929 y 1931, sin embargo, Hubble demostró que en la luz emitida desde esas galaxias remotas había un desplazamiento al rojo, y que ese desplazamiento al rojo aumentaba cuanto más lejos estaban de nosotros. La luz roja consiste en una mezcla de colores que se revela cuando un prisma se descompone en un espectro de longitudes de onda, siendo las longitudes de onda más cortas de color azul y las longitudes de onda más largas de color rojo. Cuando una fuente de luz se aleja del observador, su longitud de onda aumenta y se desplaza hacia el extremo rojo del espectro. Las observaciones de Hubble fueron interpretadas como un signo de que las galaxias se alejan de nosotros y que cuánto más lejos están, a mayor velocidad se mueven. No fue hasta entonces que los teóricos físicos se tomaron en serio el trabajo de aquellos que habían producido soluciones distintas a las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein y que daban como resultado un universo en expansión. Uno de ellos fue el jesuíta y científico belga Georges Lemaitre, que en 1927 incorporó los datos de Hubble a sus propias ideas y planteó la expansión del universo con carácter retrospectivo para obtener su hipótesis del átomo primitivo. La hipótesis defendía que en el tiempo cero, todo lo que contiene el universo —toda la luz y todas las galaxias, estrellas y planetas— estaba comprimido en un único átomo súper denso que explotó y formó un universo en expansión. En 1948, el astrónomo Fred Hoyle se refirió en tono despectivo a esta hipótesis como el Big Bang después de haber desarrollado, junto a Thomas Gold y Herman Bondi, la teoría del estado estacionario. Según esta hipótesis, el universo está en expansión pero no a partir de un punto, sino que la materia se crea continuamente en el espacio en expansión y produce una densidad uniforme en un universo infinitamente grande. Durante la década posterior a la Segunda Guerra Mundial, varios teóricos físicos volcaron su atención hacia el rompecabezas de la cosmogénesis, o cómo se inició el universo. Enrico Fermi, Edward Teller, Maria Mayer, Rudolf Peierls, George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman estuvieron entre los que examinaron la idea del Big Bang. Gamow, Alpher y Herman intentaron averiguar de qué modo pudieron crearse todos los tipos de átomos que vemos hoy en día en el universo a partir del plasma increíblemente pequeño, denso y caliente de protones, neutrones, electrones y fotones de la hipótesis.[1] Demostraron que los núcleos de helio y los isótopos[2] de hidrógeno estarían producidos por la combinación de protones y neutrones en los tres primeros minutos posteriores al Big Bang, puesto que aquel plasma se expandió y se enfrió a una temperatura inferior a mil millones grados Kelvin.[3] El cálculo de Alpher y Herman sobre la proporción de hidrógeno y helio producido de esta manera encaja aproximadamente con el que se observa en el universo, lo que viene a sustentar la hipótesis del Big Bang pero ni ellos ni nadie, debido a la inestabilidad de los núcleos formados por una combinación de cinco u ocho protones y neutrones, fue capaz de demostrar cómo debieron crearse los elementos más pesados. Todo ello sembró dudas sobre el Big Bang, y Fermiy sus colegas lo dejaron como un modelo de cosmogénesis.[4] Según el relato ortodoxo, Gamow y Alpher calcularon que, después de trescientos mil años de expansión a partir del Big Bang, el plasma se enfrió hasta alcanzar una temperatura de 4.000 K,[5] momento en el cual los electrones con carga negativa fueron capturados por los núcleos atómicos con carga positiva para formar moléculas de hidrógeno diatómicas estables y eléctricamente neutras, sus isótopos, y átomos de helio. Los fotones —partículas de radiación electromagnética con carga neutra— dejaron entonces de estar vinculados al plasma y se separaron para viajar libremente por el espacio en expansión. Con ello, se enfriaron y su longitud de onda se incrementó. Cuando el universo alcanzó su tamaño actual, esa longitud de onda se situó en la región de las microondas y llenó todo el espacio, produciendo un fondo cósmico de microondas. En 1948, esos científicos estimaron que la temperatura de este fondo cósmico de microondas era aproximadamente de 5 K. En 1952, Gamow estimó que la temperatura se situaba alrededor de 50 K.[6] Entretanto, Fred Hoyle y sus colegas demostraron que los elementos más pesados podían ser producto de una fusión nuclear en el interior de las estrellas. Esta obra de la postguerra, por lo tanto, dejo la teoría del estado estacionario y el Big Bang como dos hipótesis en competencia para explicar el origen del universo: la primera sostenía que el universo era eterno y que, en consecuencia, no había principio, mientras que la segunda defendía que el universo empezó como una explosión de luz y plasma a partir de un punto. Sin esperar las evidencias que la comunidad científica necesitaba y, de este modo, poder elegir entre las dos, la iglesia católica romana emitió su veredicto. En 1951, el papa Pío XII dijo a la Pontificia Academia de las Ciencias que el Big Bang era un testimonio del relato de la creación plasmado en el Génesis, cuando Dios dijo que se hizo la luz. La alacridad con la que la Iglesia respondió a esta hipótesis científica contrasta con los doscientos años que fueron necesarios para que aceptase que Galileo tenía razón cuando sus observaciones sustentaron la teoría de Copérnico de que la Tierra no es el centro del universo, sino que la Tierra y los demás planetas orbitan alrededor del sol. A diferencia de la iglesia católica, la comunidad científica siguió dividida entre los seguidores del Big Bang y los de la teoría del estado estacionario hasta 1965, momento en el cual, según la versión ortodoxa de la historia, un descubrimiento casual produjo las evidencias decisivas. Los astrónomos Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson no conseguían eliminar el «ruido» de fondo que llegaba desde todas las regiones del firmamento cuando las observaban a través de su radiotelescopio en los Bell Laboratories de Nueva Jersey. Pidieron consejo a Robert Dicke, de Princeton, que, sin que ellos estuvieran al corriente, llevaba tiempo intentando encontrar la radiación de fondo cósmico de microondas predicha por Gamow. Dicke se dio cuenta entonces de que este «ruido» uniforme en la región de las microondas era esta radiación que se había enfriado a una temperatura de 2,7 K.[7] Rara vez, si alguna, se comenta que Geoffrey Burbridge, profesor de astrofísica de la Universidad de California, afirmó que este relato ortodoxo está distorsionado. Según él, la elección de parámetros que Alpher y Herman realizaron para sus ecuaciones fue lo que hizo que la proporción entre hidrógeno y los demás elementos ligeros que presentaron se correspondiera aproximadamente a la proporción observada. Más aún, señaló que el descubridor de la radiación de fondo cósmico de microondas fue Andrew McKellas, que estimó además su temperatura entre 1,8 y 3,4 K, y que publicó dichos descubrimientos en 1941; alegó que Gamow conocía como mínimo estos resultados y que, por lo tanto, no predijo la radiación de fondo cósmico de microondas que las observaciones posteriores confirmaron.[8] Sin embargo, el relato ortodoxo prevaleció y Penzias y Wilson recibieron un Premio Nobel por su descubrimiento. La inmensa mayoría de la comunidad científica adoptó el Big Bang como modelo para el origen del universo y los que no se mostraron de acuerdo con él lo pasaron realmente mal. Según John Maddox, la continuada adhesión de Hoyle a la teoría del estado estacionario «lo condenó al ostracismo de sus colegas académicos y a la renuncia sin precedentes de su puesto como profesor en Cambridge».[9] Probablemente, este último hecho fue una consecuencia de las duras críticas de Hoyle a las evidencias contra la teoría del estado estacionario que presentó su colega académico en Cambridge, Martin Ryle, y que acabaron con la enemistad entre los dos. Y mientras que Hoyle jamás consiguió un nuevo puesto académico, Ryle acabó convirtiéndose en Astrónomo Real de Gran Bretaña y siendo galardonado con un Premio Nobel. De manera inexplicable, el Premio Nobel de 1983, concedido por el trabajo sobre la nucleosíntesis estelar, fue otorgado únicamente a William Fowler e ignoró tanto a Hoyle como a Geoffrey y Margaret Burbidge, los otros tres autores del trascendental documento de 1957 que describe en detalle cómo se forman en el interior de las estrellas todos los elementos naturales distintos al hidrógeno y el helio. Fowler reconoció libremente que Hoyle fue el primero en establecer el concepto de nucleosíntesis estelar y que se había incorporado a Cambridge con una beca Fullbright con el único fin de trabajar con Hoyle.[10] El relato ortodoxo ejemplifica el método científico según el cual una teoría consolidada —el universo eterno— queda descartada cuando nuevos datos confirman predicciones realizadas por una hipótesis distinta —el Bing Bang—, que pasa entonces a convertirse en la teoría ortodoxa. En el trato recibido por Hoyle, ejemplifica también el comportamiento de la clase dirigente científica hacia aquellos que se muestran disconformes con la ortodoxia. Desde mediados de la década de los sesenta del siglo pasado, el modelo del Big Bang se ha mantenido con la misma convicción que mantenía la teoría del universo eterno e invariable en 1928. ¿Pero siguen las evidencias validando este modelo y, en caso contrario, como ha respondido la comunidad científica? La teoría actual: el Big Bang Para ver si el modelo del Big Bang ofrece una explicación satisfactoria del origen del universo, debemos examinar su base teórica. Base teórica A diferencia del método científico[11] comúnmente aceptado, la teoría del Big Bang no derivó de la observación sino que surgió a partir de soluciones a las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Einstein, una de las cuales fue seleccionada por ser la que mejor encajaba con las observaciones. La visión de Einstein produjo leyes del movimiento que no dependen de que el observador se mueva de un modo particular en relación con lo que está observando. Einstein asumió que la velocidad de la luz (c) es constante, que es la misma para todos los observadores en cualquier momento y en todas las partes del universo, y que no hay nada que pueda viajar más rápido. Su teoría de la relatividad especial de 1905 aporta la idea de que espacio y tiempo son independientes y absolutos: ofrece una matriz espacio-tiempo de cuatro dimensiones en la que el espacio o el tiempo podrían expandirse o contraerse dependiendo del movimiento del observador, pero el espacio-tiempo es igual para todo el mundo. Una consecuencia de la teoría de la relatividad especial es que la masa (m) y la energía (E) son equivalentes, lo que queda reflejado en la famosa ecuación E = mc2. Cuando Einstein incorporó la gravedad a estas leyes del movimiento para producir una teoría general de la relatividad, su visión era que la gravedad no es una fuerza que actúa instantáneamente entre masas, según definía la ley de Newton, sino que es una distorsión en el tejido espacio-tiempo provocada por la masa y que, cuántomás grande sea la masa, mayor será la distorsión. Estas distorsiones dictan entonces el movimiento de otras masas en el espacio-tiempo. Para parafrasear a John Archibald Wheeler, la materia le dice al espacio-tiempo cómo debe curvarse y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo debe moverse. Para producir una ecuación que cuantificara este concepto y permitiera realizar predicciones, Einstein utilizó una rama complicada de las matemáticas, conocida como geometría diferencial, que se ocupa de las superficies curvas. Llegó de este modo a lo que hoy en día se conoce como las ecuaciones de campo de Einstein. Se utiliza el plural porque la ecuación única contiene tensores[12] que tienen diez posibilidades lo que genera, a todos los efectos, diez ecuaciones. Las muchísimas soluciones posibles a estas ecuaciones producen muchos universos teóricos y el reto consistía en descubrir la solución que mejor encajara con los datos observacionales. Fjfiw 3 • /. Rqwr$rirffw»w f'tfrwmjrjinad Je h rununmi Jri MjfUfo'ftrmjM ahvJedor Jr una num esfrrva, nvirf podría ser una estrella Resolver estas ecuaciones es extremadamente difícil. Los intentos fueron liderados por cuatro hombres. Además de Einstein y Lemaitre, los otros dos fueron el astrónomo holandés Willem de Sitter y el meteorólogo ruso Alexander Friedmann. Simplificación de supuestos: isotropía y omnicentrismo Todos ellos realizaron dos supuestos con fines de simplificación: en cualquier momento dado, el universo es el mismo independientemente de la dirección hacia la que miremos (es isotrópico) y esto sigue siendo cierto si observamos el universo desde cualquier otra parte (es omnicéntrico). Estos dos supuestos implican necesariamente que el universo es el mismo en todos sus puntos (es homogéneo).[13] Evidentemente, el supuesto isotrópico no es totalmente válido: las estrellas de nuestra galaxia forman una banda perceptible de luz en el cielo nocturno, lo que conocemos como la Vía Láctea. Pero los supuestos se hicieron por tres motivos: (a) la intuición de que era una buena aproximación a la escala del universo; (b) la creencia de que no ocupamos un lugar especial, o privilegiado, en el universo, del mismo modo que Copérnico demostró que no ocupamos un lugar único en el sistema solar; y (c) la conveniencia matemática, puesto que reduce drásticamente el número de posibles geometrías, o espacios-tiempo, que describen la forma del universo pues, si la materia produce curvatura y si el universo es homogéneo, la curvatura del universo es la misma en todas partes. Friedman demostró que una consecuencia de estos supuestos es que el universo solo puede tener tres geometrías: cerrada (esférica), abierta (hiperbólica) o plana, cada una de las cuales cambia con el tiempo según el factor de escala, o expansión, del universo. Según las ecuaciones de campo de Einstein, es la materia lo que curva la totalidad —geometría tridimensional más el factor de escala función del tiempo— que define el espacio-tiempo. Estas matrices matemáticas cambiantes de cuatro dimensiones son difíciles de visualizar. La figura 3.2 ofrece solo representaciones bidimensionales de los espacios tridimensionales que cambian con el tiempo. Geometría cerrada Geometría abierta Geometría planta Figura ,12. Rcjwrorariiiri hidimrnrronal de la geometría de /.>< nrilirrrr’r de FraaMrarrir (fírnrlOHtr Mmttdófaa r arbitraria). Friedman demostró que los universos con estas tres posibles geometrías tenían tres destinos distintos. El universo cerrado (o esférico) se expande a partir de un Big Bang, pero el efecto gravitacional de su materia es lo bastante fuerte como para ralentizar, detener y cambiar el sentido de la expansión hasta que el universo en contracción termina en un Big Crunch, o gran implosión. El universo abierto (o hiperbólico) se expande a partir de un Big Bang, pero el efecto gravitacional de su materia es demasiado débil para detener esta expansión, que continúa indefinidamente a un ritmo regular hasta que sus elementos dejan de tener contacto entre ellos, lo que conduce a un universo vacío. El universo plano se expande a partir de un Big Bang, pero el efecto gravitacional que une su materia equilibra exactamente la energía cinética de la expansión, lo que da como resultado que el ritmo de la expansión disminuya pero no lo bastante como para detenerla, de modo que el universo se expande eternamente a un ritmo de expansión continuamente más lento. Como consecuencia de los supuestos de simplificación, tanto el universo plano como el abierto son necesariamente infinitos en su extensión: si llegaran a un límite definido, entrarían en contradicción con el supuesto de que el universo se ve igual desde todos los puntos. Pero esto no aplica para un universo esférico: una esfera perfecta tiene el mismo aspecto desde todos los puntos de su superficie. A diferencia de Einstein, Friedman no incorporó una constante arbitraria Lambda para conseguir el resultado deseado. En su modelo matemático, la fuerza de la gravedad de la materia en relación con la energía cinética de la expansión se expresa como el parámetro de densidad crítica Omega (Q). En un universo cerrado, Omega es mayor que 1; en un universo abierto, Omega es menor que 1; en un universo plano, Omega es igual a 1. Después de que Hubble publicara sus datos, la mayoría de científicos llegó a la conclusión de que lo que más encajaba con las observaciones era un universo plano iniciado a partir de un Big Bang muy caliente, razón por la cual el modelo Friedmann-Lemaitre pasó a ser el modelo ortodoxo.[14] Una geometría cerrada es el análogo tridimensional de la superficie de una esfera: en esta geometría, la suma de los ángulos de un triángulo es superior a 180° y la circunferencia de un círculo es inferior a n veces su diámetro. Una geometría abierta es el análogo de una superficie hiperbólica, o en forma de silla de montar: en este caso, la suma de los ángulos de un triángulo es inferior a 180° y la circunferencia de un círculo es superior a n veces su diámetro. Una geometría plana es la geometría euclidiana que conocemos: la suma de los ángulos de un triángulo es igual a 180° y la circunferencia de un círculo es exactamente n veces su diámetro. Las distintas geometrías espaciales cambian con el tiempo según el factor de escala, o de expansión, del universo. Sin embargo, si introducimos una constante cosmológica distinta a cero, podrá producirse cualquier tipo de geometría con cualquier tipo de evolución en el tiempo. Problemas de la teoría del Big Bang El universo como sujeto de la investigación científica dejó de ser dominio exclusivo de la astronomía observacional y teórica. Surgió entonces una nueva ciencia de la cosmología, que definiré como Cosmología: el estudio del origen, la naturaleza y la estructura a gran escala del universo físico, que incluye la distribución y la interrelación de todas las galaxias, cúmulos de galaxias y objetos cuasi-estelares. La teoría de la relatividad había jugado un papel crucial en la investigación del universo como un todo en comparación con la astronomía, que tradicionalmente había puesto su foco en las estrellas y las galaxias. En la actualidad se utiliza la física de partículas, la física de plasmas y la física cuántica, tanto a nivel teórico como experimental, para examinar lo que sucedió durante el Big Bang, e inmediatamente después del mismo, cuando el universo era increíblemente minúsculo y caliente. Cuando los científicos aplicaron estas disciplinas al modelo del Big Bang, se encontraron con cuatro problemas. Sin constante cosmológica, una densidad de masa lo suficientemente elevada como para cambiar el sentido de la expansión produciría un universo cerrado; una densidad de masa baja sería insuficiente para cambiar el sentido de la expansión, que seguiría a un ritmo constante y llevaría a un universo abierto; si la densidad es igual a la densidad crítica tendría una geometría plana: se expandirá eternamente,pero a un ritmo cada vez menor. J. I. La txvtuíwu de Zn« jouhtuií de bned/nau. Monopolo magnético Los físicos de partículas y de plasmas defienden la teoría de que la temperatura extremadamente elevada y la energía del plasma inmediatamente posteriores al Big Bang tendrían que haber creado monopolos magnéticos, que son partículas con un único polo de carga magnética en vez de los habituales dos.[15] Y utilizando la teoría de la relatividad, calcularon que el Big Bang tendría que haber producido la cantidad suficiente de los mismos como para generar un centenar de veces la densidad de energía observada del universo.[16] En el universo no se ha detectado ni un solo monopolo magnético. Homogeneidad Los dos supuestos del modelo ortodoxo producen un universo que es homogéneo, o completamente uniforme, mientras que todas las demás soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein sin estos supuestos, producen universos irregulares. Contrastando con este modelo, cuando observamos el universo vemos que no es completamente uniforme. Tiene sistemas solares, cúmulos de galaxias y supercúmulos, todos ellos separados por inmensos vacíos que contienen poca o ninguna materia. La Tierra tiene una densidad unas 1030 veces superior a la de la media del universo, el aire que respiramos tiene una densidad 1026 veces superior, la densidad media de nuestra galaxia, la Vía Láctea, es 106 veces superior, nuestro grupo de galaxias tiene una densidad media doscientas veces superior, mientras que los vacíos entre los supercúmulos tienen normalmente una anchura de ciento cincuenta años luz.[17] Si el universo fuese perfectamente homogéneo, no estaríamos aquí para observarlo. Sin embargo, los cosmólogos piensan que en una escala del tamaño del universo, el alejamiento de la homogeneidad es solo de una cienmilésima parte. El modelo del Big Bang no consigue explicar cómo y por qué el universo debería estar tan extremadamente cerca de la homogeneidad perfecta, aunque sin llegar a alcanzarla, y permitir aun así la formación de estructuras como nuestro sistema solar, con planetas como la Tierra en la que el hombre ha evolucionado. Isotropía del fondo cósmico de microondas (el problema del horizonte) El modelo del Big Bang defiende que el fondo cósmico de microondas (FCM) es la radiación que se escindió de la materia en estado de plasma unos 380.000 años (según las estimaciones revisadas) después del Big Bang, y que perdió energía y que, a medida que el universo fue expandiéndose, se enfrió hasta alcanzar su temperatura actual de 2.73 K. Los detectores de los satélites Cosmic Background Explorer (COBE) y Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) demostraron que esta temperatura es prácticamente isotrópica, es decir, que es la misma en todas direcciones. Para alcanzar esta temperatura casi uniforme, todas las partículas de radiación (fotones) deberían haberse combinado a través de colisiones repetidas justo después de escindirse del plasma. La teoría de la relatividad afirma que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. De ahí que, para poder combinarse, la distancia de separación entre los fotones no debería ser mayor a la que se puede viajar a la velocidad de la luz. Esta distancia se conoce como el horizonte de contacto del fotón. Sin embargo, el modelo del Big Bang afirma que el ritmo de expansión del universo se ralentizó. En consecuencia, en un universo mucho más joven, el horizonte de contacto de un fotón era muy inferior al que pueda ser ahora. De ahí que habría sido imposible que todos los fotones estuvieran en contacto entre sí justo después de escindirse del plasma. Por lo tanto, la energía de los diversos fotones debía de ser distinta y esto tendría que quedar patente en la actualidad con distintas temperaturas del fondo cósmico de microondas medido en distintas direcciones. La teoría del Big Bang es incapaz de explicar este conflicto con pruebas observacionales. Planicidad (Omega) Un universo plano es inestable por definición. Se sustenta mediante el equilibrio precario entre la energía cinética de la expansión y la atracción de fuerza gravitacional de su materia para producir Omega = 1. Pero los cálculos matemáticos del modelo del Big Bang demostraron que Omega es extremadamente sensible, sobre todo en el universo primitivo. Las desviaciones ínfimas de la unidad, en un sentido u otro, pueden magnificarse muy rápidamente, inclinando el universo hacia una configuración cerrada o abierta. Dicke calculó que cuando el universo tenía un segundo de antigüedad, el valor de Omega debió de situarse entre 0,99999999999999999 y 1,00000000000000001, es decir, una sensibilidad de ± 1-17. Si Omega se hubiera desviado de 1 por una cantidad superior a esta cifra, el universo habría colapsado en un Big Crunch o se habría expandido hacia el vacío mucho antes de que pudieran formarse los sistemas solares y los planetas, y nosotros no estaríamos aquí para hacer especulaciones sobre el Big Bang. La mayoría de cosmólogos deduce, a partir de bases teóricas más que de la observación, que el universo se ha estado expandiendo desde que tenía 10-43 segundos de vida[18] (por ninguna otra razón que la teoría cuántica[19] se desmorona con un tiempo inferior). De ser así, el valor de Omega no podría diferenciarse de la unidad por más de 10-64, una sensibilidad que resulta inconcebible. [20] Pero Omega no podía ser exactamente igual a uno desde un buen principio; de ser este el caso, el universo jamás se habría expandido. El modelo del Big Bang no consigue explicar cómo o por qué el valor de Omega tiene que situarse tan increíblemente cerca de uno, aunque no ser igual a uno, para permitir que el universo se expanda establemente. Existe un quinto problema, más fundamental si cabe, que la inmensa mayoría de cosmólogos no aborda. Consideraré este esqueleto encerrado en el armario en el siguiente capítulo, cuando examine lo que el modelo revisado no consigue explicar. La solución de la teoría de la inflación Hay una idea que afirma solucionar estos primeros cuatro problemas de un solo plumazo. A quién se le ocurrió la idea fue, y sigue siendo, tema de debate. Alan Guth, del Massachusetts Institute of Technology, declara «Protagonicé el debut oficial de la inflación en el seminario que impartí en SLAC el 23 de enero de 1989».[21] El ruso Andrei Linde, que trabaja actualmente en la Universidad de Stanford, California, reivindica que Alexei Starobinsky, David Kirzhnits y él desarrollaron los conceptos esenciales de la inflación en la antigua Unión Soviética antes de esa fecha.[22] Según la versión publicada por Guth en 1981, muy poco después de que se produjera el Big Bang el universo sufrió una expansión enorme y casi instantánea que lo infló billones de veces en lo que podría haber sido menos de un billón de billones de billones de segundo. Para que este fenómeno fuera posible, el universo estaba en un estado inestable tremendamente frío; esta inflación decadente acabó deteniéndose y el inmenso universo inició la expansión desacelerada que predice el modelo básico del Big Bang.[23] Después de la inflación, el universo ha quedado convertido en algo tan inmenso que solo alcanzamos a ver una mínima fracción del mismo. Y esta es la razón por la cual, igual que sucede con un área minúscula en la superficie de un globo gigantesco, nuestra parte tiene aspecto plano. Dicho de otra manera, la inflación diluye de tal manera cualquier desequilibrio entre la energía explosiva de la expansión y la energía de la fuerza de gravedad de la materia del Big Bang que permite que el universo post-inflación experimente una expansión desacelerada estable. En efecto, después de la inflación Omega queda igual a uno y el universo no está destinado a sufrir una aceleración rápida hacia el vacío ni una contracción veloz hacia el colapso: sigue el modelo matemático del universo plano. Lo cual soluciona el problema de la planicidad. La enorme expansión inflacionariaha diluido también cualquier irregularidad surgida a partir del Big Bang explosivo. Lo cual soluciona el problema de la homogeneidad. De un modo similar, todos esos monopolos magnéticos existen en algún lugar del inmenso universo, pero nuestra región es tan increíblemente minúscula que no contiene ninguno. Lo cual soluciona el problema de los monopolos magnéticos. El universo que somos capaces de ver actualmente, cuyas distancias más lejanas están limitadas por la velocidad de la luz y la edad del universo, es solo la región post-inflación expandida de lo que fue una parte increíblemente minúscula del universo inflacionado. En esta parte increíblemente minúscula, todos los fotones estuvieron en contacto y alcanzaron una temperatura uniforme. Lo cual soluciona el problema del fondo cósmico de microondas. La conjetura sobre la inflación de Guth, sin embargo, tenía un punto débil que acabó resultando fatal. Su mecanismo para terminar con la expansión exponencial desbocada y que permitía que el universo pudiera entonces iniciar su expansión desacelerada según el modelo básico de universo plano de Friedmann-Lemaitre, producía en el universo grandes heterogeneidades que las observaciones refutan. Guth la retiró después de un año. Andreas Albrecht y Paul Steinhardt y, por otro lado, Linde, presentaron versiones modificadas. Pero según Linde, estas versiones tampoco funcionaban. Declaró que los problemas de la conjetura de la inflación solo quedaron solventados cuando, en 1983, él concibió una nueva versión más sencilla en la que prescindía del súper enfriamiento, de los efectos cuánticos de la gravedad e incluso del supuesto habitual de que el universo era caliente en su origen; se basaba simplemente en los campos escalares. Un campo escalar en un concepto matemático según el cual todo punto del espacio está asociado a un escalar, una cantidad como la masa, la longitud o la velocidad que queda totalmente especificada por su magnitud.[24] Linde se limitó a asumir que el universo tenía todos los campos escalares posibles, y que cada uno de ellos tenía todos los valores posibles. Este supuesto otorgó a su modelo matemático infinitas posibilidades y produjo, teóricamente, regiones del universo que continúan siendo pequeñas y otras que se inflan de manera exponencial. Por su naturaleza arbitraria, lo denominó «inflación caótica». Se convirtió en una versión popular de la inflación y desde entonces se han propuesto muchas más versiones de la misma.[25] La conjetura de la inflación no solventa el problema del esqueleto en el armario —de hecho, agranda incluso más el tamaño del esqueleto—, pero los cosmólogos se sintieron tan aliviados al ver que solucionaba los cuatro problemas que habían identificado, que la aceptaron con entusiasmo. De hecho, acordaron ponerle el título de Teoría de la inflación y el modelo Inflacionario del Big Bang pasó a convertirse en la ortodoxia científica. Validez de la teoría inflacionaria del Big Bang Que esta ortodoxia cosmológica revisada ofrezca una explicación científica al origen del universo depende de si tanto la teoría básica como el añadido inflacionario son válidos en dos sentidos: (a) ¿es fiable la teoría? y (b) ¿está sustentada por observaciones o experimentación? Fiabilidad de la teoría básica La teoría básica del Big Bang caliente consta de dos partes. La primera es la solución a las teorías de campo de Einstein que asume que el universo es tanto omnicéntrico como isotrópico (y, por lo tanto, homogéneo) y la elección de un universo geométricamente plano. La segunda parte es el modelo estándar de la física de partículas. El supuesto omnicéntrico no es verificable. Incluso en el caso de que una civilización avanzada de una galaxia remota nos hiciera llegar su visión del universo, estaría tremendamente obsoleta cuando llegara a nosotros. A pesar de que tanto el supuesto de isotropía como el supuesto de homogeneidad no son totalmente válidos porque el universo está integrado por sistemas solares, galaxias, grupos locales de galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos separados por gigantescos vacíos, los cosmólogos creen que estos supuestos son válidos en la escala del universo. Sin embargo, cada vez que los astrónomos han examinado secciones grandes a enormes distancias con instrumentos cada vez más sofisticados, han descubierto estructuras tan grandes como el tamaño de la región examinada. En 1989, Geller y Huchra identificaron una estructura casi bidimensional de aproximadamente 650 millones de años luz de longitud a la que apodaron la Gran Muralla. En 2005, Gott y sus colegas detectaron la Gran Muralla Sloan, de más del doble de longitud que la primera, 1,3 miles de millones de años luz, a una distancia aproximada de nosotros de mil millones de años luz. En 2013, Roger Clowes y sus colegas identificaron un grupo de cuásares sin precedentes con una longitud de cuatro mil millones de años luz a una distancia que se sitúa entre ocho y nueve mil millones de años luz.[26] En 2014, István Horváth y sus colegas informaron de que en 2013 habían realizado el descubrimiento de un objeto que multiplicaba por seis el tamaño de la Gran muralla Sloan, de una longitud de entre siete y diez mil millones de años luz y a una distancia aproximada de diez mil millones de años luz.[27] Los tamaños de estos objetos contradicen los supuestos de isotropía y homogeneidad. En cuanto a la elección de la geometría plana, no podemos verificar la consecuencia de que el universo tiene un tamaño infinito. Más aún, la idea de que el universo, espacio-tiempo incluido, cobra existencia a partir de la nada gracias un Big Bang caliente partió de extrapolar la expansión del universo al momento de tiempo cero. Pero la teoría cuántica se desmorona en ese momento porque su Principio de la incertidumbre defiende que no es posible especificar nada dentro de un periodo inferior a 10-43 segundos, lo que se conoce como tiempo de Planck.[28] Además, esta extrapolación comprime el universo hasta un punto de densidad infinita donde la curvatura del espacio-tiempo es infinita, lo que provoca el derrumbe de la teoría de la relatividad.[29] Como dice Guth, «la extrapolación a temperaturas arbitrariamente elevadas nos lleva mucho más allá de la física que comprendemos, razón por la cual no existen motivos válidos para confiar en ella. La verdadera historia del universo en “t = 0” sigue siendo un misterio».[30] Una teoría que se basa en un misterio en el que las teorías que la sustentan se desmoronan y, que se basa además en supuestos simplificadores, uno de los cuales no puede verificarse mientras que los demás entran en contradicción con las observaciones astronómicas, queda lejos de ser totalmente fiable. La segunda parte de la teoría básica del Big Bang es el modelo estándar de la física de partículas, que utiliza la teoría del campo cuántico para explicar cómo, mediante un mecanismo denominado ruptura de simetría, se forman las partículas subatómicas a partir de la energía liberada por el Big Bang. Modelo estándar de la física de partículas: pretende explicar la existencia de, y las interacciones entre, todas las cosas, excepto la gravedad que observamos en el universo, en términos de partículas elementales y sus movimientos. Actualmente describe diecisiete tipos de partículas elementales, agrupadas en forma de cuarks, leptones o bosones. Cuando se tienen en cuenta las correspondientes antipartículas y variaciones de bosones, el total de partículas elementales asciende a sesenta y una. Según este modelo, distintos tipos de cuarks se combinan para crear los protones y los neutrones (cuyas distintas combinaciones crean el núcleo de todos los átomos). Las interacciones entre doce de estos tipos de partículas elementales son los movimientos de cinco partículas elementales más, bosones que son portadores de fuerza, como los gluones, que proporcionan la fuerza de unión a los cuarks.[31] El modelo ha predicho con éxitola existencia de partículas que posteriormente han sido detectadas, directamente o por inferencia en el caso de los cuarks, mediante experimentación u observación. Una predicción clave es la existencia de una partícula conocida como el bosón de Higgs, esencial para explicar por qué los dieciséis tipos de partículas elementales restantes, con la excepción del fotón y el gluon, tienen masa. En 2012, dos experimentos llevados a cabo con el Large Hadron Collider, o Gran Colisionador de Hadrones (LHC), construido por el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) en el subsuelo de la frontera franco-suiza, identificó la muy efímera existencia del bosón de Higgs, o posiblemente de una familia de bosones de Higgs, en cuyo caso el modelo estándar necesitaría revisión. Incluso en el caso de que solo se confirmara un único bosón de Higgs después de que el LHC reabriera en 2015 con niveles de energía muy superiores, seguiría habiendo problemas importantes. El modelo estándar contenía diecinueve parámetros, que se revisaron después de 1998 a veintinueve para permitir que los neutrinos tuvieran masa, algo que no había predicho el modelo. Estos parámetros son constantes libremente ajustables cuyos valores deben elegirse: desde un punto de vista matemático, la teoría resulta consistente independientemente de los valores que se incorporen. Estas constantes especifican las propiedades de la materia, como la carga de un electrón, la masa de un protón y constantes de acoplamiento (números que determinan la fuerza de las interacciones entre partículas). Las constantes se calculan experimentalmente y luego se incorporan al modelo «a mano». Tal y como Guth reconoce «[según el modelo estándar] las masas de la partícula W+ y del electrón surgen esencialmente de la misma manera, de modo que el hecho de que la masa del electrón sea 160.000 veces inferior se incorpora a la teoría amañando los parámetros para que así suceda».[32] Una teoría de este estilo es, por naturaleza, menos fiable que aquella cuyas predicciones queden posteriormente confirmadas por la experimentación y la observación. Cuando se tienen en cuenta las antipartículas correspondientes y las variaciones en los bosones, el número de partículas elementales asciende a sesenta y uno, [33] lo que parece un número importante para definirlas como elementales o irreducibles. Además, el actual modelo estándar es necesariamente incompleto porque no tiene en cuenta la gravedad. De hacerlo, se harían necesarias más partículas elementales, como los gravitones. La fiabilidad de la teoría básica del Big Bang depende también de su correspondencia con la realidad. Los cosmólogos han adoptado la interpretación que hizo Friedman para solucionar matemáticamente las ecuaciones de campo de Einstein. Esta interpretación defiende que las estrellas (que posteriormente se revisaron para pasar a ser galaxias y más adelante cúmulos galácticos) no se mueven. Están incrustadas en el espacio y lo que se expande es el espacio entre las galaxias. Puede que la lógica matemática que lo respalda sea correcta, pero para muchos no-cosmólogos parece una interpretación jesuítica: en el mundo real, si la distancia entre dos galaxias aumenta con el tiempo, las galaxias se distancian durante ese tiempo. De hecho, los cosmólogos se refieren al desplazamiento al rojo de una galaxia como la medida de la velocidad a la que esa galaxia se aleja de la nuestra. Necesidad de evidencias que sustenten la teoría básica La inmensa mayoría de cosmólogos reivindica la existencia de tres plataformas distintas de evidencias que sustentan con fuerza suficiente la teoría básica del Big Bang: (a) los desplazamientos al rojo observados de galaxias que demuestran que el universo está expandiéndose; (b) la existencia y la forma de cuerpo negro del fondo cósmico de microondas; y (c) la abundancia relativa observada de elementos ligeros. Desplazamiento al rojo cosmológico La interpretación del desplazamiento al rojo observado en los objetos celestes como su movimiento de alejamiento de nosotros y la conclusión de que cuánto más se alejan dichos objetos más rápido es su movimiento, dio lugar a la constante de Hubble, la proporción entre velocidad de recesión y distancia. Su cálculo es tremendamente complicado, por no decir, además, que calcular la distancia es un reto gigantesco.[34] Pero con todo y con eso, los cosmólogos ortodoxos asumieron que todos los desplazamientos al rojo de objetos que se alejan de nuestro Grupo Local de galaxias se deben a la expansión del universo y adoptaron el desplazamiento al rojo como una medida de distancia. Diversos astrónomos de renombre han desafiado este supuesto y afirman que las evidencias demuestran que muchos desplazamientos al rojo tienen un origen distinto. Examinaré las distintas reivindicaciones en conflicto en el capítulo 6, cuando trate sobre los problemas a los que se enfrenta la cosmología como medio explicativo. Pero si su interpretación de los datos[35] es correcta, el desplazamiento al rojo por sí mismo —y muy especialmente el desplazamiento al rojo muy elevado sin evidencias de que surge del espectro de emisión o absorción de luz estelar— no sería un indicador fiable ni de la distancia cosmológica ni de la velocidad de recesión y, consecuentemente, de la edad. Lo cual socavaría una de las tres plataformas claves de evidencias que soportan el modelo del Big Bang de la cosmología ortodoxa. Fondo cósmico de microondas La temperatura de 2.73K del fondo cósmico de microondas (FCM) es consistente con la radiación que se habría desprendido de la materia en las primeras fases del Big Bang caliente y de su enfriamiento en su diseminación por el universo en expansión. Además, dicha radiación tendría lo que se conoce como un espectro de cuerpo negro de Planck. El satélite COBE, lanzado al espacio en 1989, detectó este espectro, lo que aportó una base sólida al modelo ortodoxo.[36] Sin embargo, como veremos en el capítulo 6 cuando considere la interpretación de los datos, los defensores de otros modelos cosmológicos afirman también que la existencia y las características del FCM son consistentes con sus hipótesis. Abundancia relativa de los elementos ligeros Gamow, Alpher y Herman demostraron que los núcleos de helio, deuterio y litio podrían ser resultado de la fusión nuclear de protones y neutrones en el plasma tremendamente caliente existente durante los dos primeros minutos posteriores al Big Bang.[37] La abundancia relativa de estos elementos ligeros antes de la expansión y el enfriamiento que provocaron el proceso de nucleosíntesis debería permanecer básicamente invariable en el universo actual. La predicción que hicieron Alpher y Herman de la proporción de aproximadamente un 75 por ciento de hidrógeno y un 25 por ciento de helio por masa es la misma proporción observada y se cita como evidencia convincente del Big Bang. Como se ha apuntado anteriormente, Burbridge declaró que el valor que Alpher y Herman eligieron en sus ecuaciones para la proporción entre la densidad de bariones (material normal, visible) y la radiación, se calculó expresamente para que produjera la proporción entre hidrógeno y helio observada entonces y que, en consecuencia, no era una predicción.[38] Reconoció que el parámetro elegido también produce la proporción observada de hidrógeno respecto a deuterio y que ello sustenta la hipótesis del Big Bang. Sin embargo, en 2004, Michael Rowan-Robinson, entonces profesor de Astrofísica del Imperial College de Londres y presidente de la Royal Astronomical Society, destacó que las estimaciones más recientes presentadas por Tytler y sus colegas sobre la abundancia de deuterio procedente de las líneas de absorción de cuásares con un desplazamiento al rojo muy alto y situados en el mismo campo visual, precisa una revisión de la estimación de la densidad bariónica. El nuevo valor está sustentado por el análisis de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas.Y coincide poco con la abundancia de helio.[39] Todo esto sugiere que esta plataforma de evidencias del Big Bang podría no ser tan sólida como la mayoría de cosmólogos afirma. Una hipótesis alternativa planteada por Hoyle y Burbridge sostiene que todos los elementos surgen a partir de la nucleosíntesis que se produce en el interior de las estrellas. Para sustentarla, afirman que si la abundancia de helio que conocemos se hubiera producido de esta manera a partir del hidrógeno, la energía liberada cuando aumenta de temperatura generaría un espectro de cuerpo negro como el del fondo cósmico de microondas a una temperatura de 2.76 K, que coincide casi exactamente con la observada. Defienden que los demás elementos ligeros podrían crearse bien a partir de la actividad de las llamaradas que se producen en la superficie de muchas estrellas, como se sabe que sucede con el sol y otros astros, bien a partir de la combustión incompleta del hidrógeno en su interior.[40] ¿Objetos antiguos en galaxias jóvenes? Astrónomos respetables afirman que las galaxias con desplazamientos al rojo muy elevados, que según el modelo ortodoxo serían muy jóvenes, contienen objetos muy antiguos, como estrellas rojas gigantes además de hierro y otros metales. Como que las galaxias no pueden contener objetos más antiguos que ellas mismas, los astrónomos defienden que la teoría ortodoxa del Big Bang es, por lo tanto, errónea. Consideraré esta postura con mayor detalle cuando examine la evolución de la materia en el universo en el capítulo 8. De los cinco problemas mencionados previamente, tres presentan conflictos menos controvertidos con las evidencias: la ausencia de monopolos magnéticos, el alejamiento de la homogeneidad de solo una cienmilésima parte y la isotropía del fondo cósmico de microondas. Fueron estas tres inconsistencias con las evidencias, además del problema de planicidad del modelo del Big Bang, lo que empujó a la mayoría de cosmólogos a aceptar la solución de la teoría de la inflación como parte del modelo ortodoxo del universo. De ahí que se haga necesario examinar la validez de esta incorporación a la teoría básica del Big Bang. Fiabilidad de la teoría de la inflación Linde dice que «si el universo en el inicio de la inflación tenía un tamaño de 10-33 centímetros,[41] después de 10-35 segundos de inflación este campo adquiere un tamaño increíble. Según algunos modelos inflacionarios, este tamaño en centímetros puede ser equivalente a (1010)12», es decir, 101000000000000 centímetros.[42] Lo que pretende decir uno de los creadores de la teoría de la inflación es que en cien mil millones de millones de millones de millones de millonésimas de segundo, un universo con un supuesto diámetro de mil millones de millones de millones de millones de millonésimas de centímetro podría haberse expandido en un orden de magnitud de más de diez miles de millones del universo que hoy observamos. Sería presuntuoso poner reparos al calificativo «increíble» que propone Linde. Pero que una conjetura sea increíble, sin embargo, no significa que sea científicamente inválida. Aunque alcanzar un tamaño tan increíble en un espacio de tiempo tan breve sí significa que el universo se expandió a una velocidad de magnitudes muchísimo más elevadas que la velocidad de la luz. Los inflacionistas sostienen que esto no viola la teoría de la relatividad. Apelando a la interpretación de Friedmann, defienden que no fue la sustancia del universo lo que viajó más rápido que la velocidad de la luz sino el espacio entre la sustancia, y lo que prohíbe la teoría de la relatividad es que la sustancia y la información, que no el espacio, viajen más rápido que la luz. Una mayoría de inflacionistas sostiene actualmente la postura de que el Big Bang caliente se produjo después de la inflación, es decir, que lo que sufrió la inflación no fue sustancia —materia y radiación— sino solo una burbuja de vacío que al finalizar la inflación se convirtió en energía y materia. Sin embargo, los inflacionistas defienden también que el espacio o vacío que se expandió posee una energía del estado fundamental, y como que energía y masa son equivalentes, la masa-energía del espacio o vacío viajó a una magnitud muchísimo más veloz que la luz, lo que entra en conflicto con la teoría de la relatividad. Cómo y cuándo se inició la supuesta inflación del universo sigue siendo una pregunta sin respuesta. La versión que Guth planteó de entrada estaba basada en teorías de gran unificación (TGU) de la física de partículas, y propone que la inflación se inició unos 10-35 segundos después del Big Bang. Desde entonces, los teóricos han desarrollado más de cien versiones distintas de la inflación basadas en diversos mecanismos y que suelen incorporar algún tipo de campo escalar al que genéricamente se refieren como campo de inflación; entre estas teorías destacan la inflación caótica, doble, triple e hibrida, y la inflación que utiliza la gravedad, el espín, los campos vectoriales y las branas de la teoría de cuerdas.[43] Cada una de ellas plantea un distinto momento de inicio, un periodo distinto de inflación exponencial más rápida que la velocidad de la luz y un momento distinto de finalización, lo que produce una inmensa variedad de tamaños del universo. Pero, con todo y con eso, cada versión defiende que su periodo inflacionario termina con un universo con una densidad crítica altamente improbable en la que Omega = 1, de modo que un universo plano experimenta una expansión estable y desacelerada. Si el Big Bang se produjo después de que el universo experimentara una inflación, surgen las preguntas acerca de qué había antes de la inflación y por qué, cómo y cuándo se inició la inflación. Pero es algo que no parece preocupar a Guth: «la teoría inflacionista permite una amplia variedad de supuestos sobre el estado del universo antes de la inflacion»,[44] y «Independientemente de lo poco probable que sea que se iniciara la inflación, el crecimiento exponencial externo puede fácilmente compensarlo».[45] Respuestas tan vagas no son precisamente el sello distintivo de una teoría fiable. Otra pregunta que suscitan estas teorías inflacionistas es la de qué es lo que conduce a los distintos mecanismos a inflar de forma exponencial un universo primigenio súper denso contra su inmenso campo gravitatorio, que cabría esperar que se comprimiera en un agujero negro[46] del que nada podría escapar. Para dar una respuesta, la mayoría de teóricos reintrodujo en sus ecuaciones la constante arbitraria Lambda que Einstein descartó como un error. Al asignar a esta constante arbitraria un valor positivo mucho mayor del que Einstein le otorgó, fueron capaces de proporcionar a sus campos de inflación conceptuales una enorme energía gravitatoria negativa (o repulsiva) que hace insignificante el inmenso campo gravitatorio normal. Y en cuanto a lo que Lambda es en la realidad física, para diferenciarlo de la constante matemática arbitraria que proporciona a una ecuación la solución deseada, consideraré los distintos puntos de vista en el capítulo 4 puesto que, más de quince años después de la presentación de la hipótesis de la inflación, los cosmólogos volvieron a invocarla —aunque con un valor muy distinto— para explicar otra observación astronómica que contradecía el modelo del Big Bang. Es evidente que no todas las versiones de la inflación pueden ser acertadas, aunque Guth comenta: «De las muchas versiones de la inflación que se han desarrollado, pueden extraerse algunas conclusiones [...]. La inflación solo exige que haya algún estado que juegue el papel de falso vacío, y que haya algún mecanismo que produzca los bariones (por ejemplo, los protones y neutrones) del universo una vez la inflación haya finalizado. Por lo tanto, la inflación puede sobrevivir incluso si las teorías de gran unificación se equivocan [la cursiva es mía]».[47] Esto no define una teoría tal y como la entiende la ciencia, sino unacolección de conjeturas tan abstracta y generalizada que carece de sentido en el mundo físico. Este problema de definición surge porque la cosmología ha estado liderada por teóricos cuyo principal instrumento son las matemáticas. Los matemáticos utilizan el término «teoría» para describir una colección de propuestas sobre un tema que son demostrables mediante razonamiento deductivo para un conjunto de supuestos o axiomas y que se expresan mediante símbolos y fórmulas. Una teoría matemática no tiene por qué mantener relación con los fenómenos físicos, tal y como Einstein reconoció sin reservas: «Los escépticos dirán: “Tal vez sea cierto que este sistema de ecuaciones es razonable desde un punto de vista lógico. Pero ello no demuestra que tenga correspondencia en la naturaleza”. Tiene usted razón, mi querido escéptico. Solo la experiencia puede decidir acerca de la verdad». Mientras que la mayoría de cosmólogos afirma que su disciplina es una ciencia, muchos fusionan teoría matemática con teoría científica, algo que es bastante distinto. La ciencia es una disciplina empírica, y una teoría científica es la explicación de un conjunto de fenómenos validado por experimentos u observaciones independientes y se utiliza para realizar predicciones o retrodicciones rigurosas sobre fenómenos. Necesidad de evidencias que sustenten la teoría de la inflación ¿Hay alguna de las hipótesis de la inflación que realice predicciones únicas que hayan quedado confirmadas por las evidencias? En 1997, Gurth escribió: «Es justo decir que la inflación no está demostrada, pero creo que está avanzando rápidamente de hipótesis de trabajo a hecho aceptado».[48] En 2004, declaró que «Las predicciones de la inflación coinciden maravillosamente con las mediciones del fondo cósmico de microondas».[49] De hecho, el equipo científico responsable del satélite espacial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) anunció en 2006 que las ondulaciones detectadas en el fondo cósmico de microondas (FCM) favorecen las versiones más simples de la inflación, lo que confirmó la inflación como un elemento esencial de la explicación que da la cosmología ortodoxa a la aparición del universo. Más aún, en 2014 el equipo encargado de examinar de uno a cinco grados del firmamento (de dos a diez veces el ancho de una luna llena) desde una estación situada cerca del polo sur, como parte del proyecto que lleva el nombre de BICEP2, anunció haber encontrado evidencias directas de inflacion.[50] Lo que de hecho descubrieron fue una señal de polarización de modo B en el fondo cósmico de microondas (FCM). El equipo del BICEP2 llegó a la conclusión de que esta señal estaba provocada por ondas gravitacionales primigenias generadas por la expansión inflacionaria del universo. Después de la excitación inicial y de las declaraciones de diversos premios Nobel, dos estudios independientes de los datos aportados por BICEP2 afirmaron que la señal podía ser también resultado del polvo y los campos magnéticos galácticos de nuestra propia galaxia, la Vía Lactea.[51] Además, las señales eran mucho más potentes de lo esperado e inconsistentes con los datos de la sonda WMAP y del telescopio Planck. Si las distintas versiones de la inflación consiguen realizar predicciones y si los parámetros de sus ecuaciones de campo Estan forzados para producir resultados consistentes con las observaciones es un tema que examinaré en el capítulo 8. Más aún, la literatura cosmológica rara vez menciona que las ondas del FCM sean consistentes con otras hipótesis, como la de un modelo de universo esféricamente simétrico y no homogéneo, el modelo de universo cíclico ecpirótico, la cosmología de estado cuasi-estacionario y el modelo de universo eterno de la cosmología del plasma. Examinaré estas posturas y los datos de la sonda WMAP con más detalle cuando trate sobre la cuestión de la interpretación de los datos en el capítulo 6. Baste con decir por el momento que Peter Coles, profesor de Astronomía de la Universidad de Nottingham, subraya las discrepancias entre los datos de la WMAP y la inflación, citando el alineamiento inexplicable de determinados componentes de puntos calientes y fríos, que teóricamente no deberían poseer estructura. Concluye con: Existen escasas evidencias directas de que la inflación tuviera realmente lugar. Las observaciones del fondo cósmico de microondas [...] son consistentes con la idea de que la inflación se produjo, pero eso no significa que realmente tuviera lugar. Lo que es más, seguimos incluso sin saber qué habría causado de haberse producido.[52] Lo cual es una réplica de la conclusión de Rowan-Robinson: Se han propuestos distintas versiones sobre cómo se produjo la inflación. La característica común esencial es el periodo de expansión exponencial en el universo temprano, lo que resuelve los problemas del horizonte y la planicidad. Sin embargo, no existen evidencias de que alguna de estas fases se haya producido y comprender cómo podrían obtenerse dichas evidencias resulta tremendamente difícil.[53] Ellis llama la atención hacia la debilidad explicativa y el escaso poder predictivo de la teoría de la inflación. Si la hipótesis solo soluciona los problemas concretos sobre el universo primigenio para los que fue diseñada y nada más, la verdad es que tiene escaso poder explicativo y se quedaría tan solo en una descripción alternativa (tal vez preferible desde un punto de vista teórico) de la situación conocida [...] el supuesto campo inflatón que sustenta una era inflacionaria de rápida expansión en el universo primigenio no se ha identificado y ningún experimento de laboratorio ha demostrado su existencia. Al ser cp un campo desconocido, podemos asignarle un potencial arbitrario V(^) [...]. Se ha demostrado que podemos obtener la evolución de escala S(t) deseada del universo si elegimos adecuadamente su potencial; y también es posible obtener la perturbación del espectro que deseemos si realizamos la elección (posiblemente distinta) adecuada. De hecho, en todos los casos es posible realizar los cálculos matemáticos a la inversa, a partir del resultado deseado, para determinar el potencial V(^) requerido.[54] Finalmente, para que una hipótesis se convierta en teoría científica debe ser susceptible de ser verificada. La reivindicación principal de las diversas hipótesis de inflación es que el universo que observamos no es más que una parte increíblemente minúscula de la totalidad del universo. Si la información no puede viajar a velocidad superior a la de la velocidad de la luz, no podremos comunicar con, ni obtener ninguna información sobre, ninguna otra parte de este universo. Hasta que los proponentes de los distintos modelos de inflación conciban un método para verificar sin ambigüedades la existencia de algo con lo que no podemos ni comunicar ni obtener información, su principal reivindicación no solo seguirá pendiente de verificación sino que además seguirá siendo no verificable. En consecuencia, me referiré a ella como la conjetura de la inflación. Como John Maddox, director editorial de Nature durante veintitrés años, dijo: «Un hecho revelador sobre los hábitos de la comunidad científica es que no haya vertido con la generosidad acostumbrada su perpetuo y sano escepticismo sobre esta atrevida e ingeniosa teoría».[55] Conclusiones Con tantos supuestos carentes de validez y dependientes de la incorporación o la variación de los valores de parámetros arbitrarios para que los resultados coincidan con las observaciones, se hace difícil no llegar a la conclusión de que la teoría ortodoxa de la cosmología no es fiable. Además, los diversos modelos de inflación introducidos para explicar las contradicciones reconocidas del modelo básico del Big Bang con respecto a las evidencias aportadas por la observación, no solo carecen de fiabilidad sino que además su reivindicación principal no es verificable. Y lo que es más, no aborda tampoco, ni explica adecuadamente,varios conflictos clave que consideraré en el siguiente capítulo. [I] Véase el glosario, al final del lilurr para una expllcación más detallada de estos términos. 12|l.os átomos con el mismo número de protones pero un número distinto de neutrones reciben el nombre de isótopos. El núcleo de un átomo de hidrógeno está formado por un protón, el del deuterio está formado por un protón y un neutrón, mientras que el del tritio está formado por un protón y dos neutrones. [3] 3 Un kelvin es la unidad de temperatura de la escala de temperatura Kelvin, que empieza con 0K, el cero absoluto debajo del cual la energía molecular no puede caer. Un grado Kelvin tiene la misma dimensión que un grado Celsius, y 0K corresponde a -273,15° C. [4] Burbidge, Geoffrey, «Quasi-Steady State Cosmology», 2001. http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0108051. Consultado el 29 de diciembre de 2006. [5] K es la abreviatura de Kelvin. [6] Assis, Andre K. T. y Neves, Marcos C. D., «History of the 2.7 K Temperature Prior to Penzias and Wilson», Apeiron 2: 3, 1975, pp. 79 87. [7] Véase, por eiemplo, Bryson (2004), pp. 29-31. [8] Burbidge (2001). [9] Maddox (1998), pp. 33-34. [10] Fowler, William, A., Anlobiography. Fundación Nobel, 1993, hllp: nobelprize.org nobelprizes physics lanreale\ 1983Jowler-anlobio.hlml. Consultado el 31 de octubre de 2007. [II] Véase el glosario para una descripción completa. [12]Un tensor es una entidad algebraica de varios componentes que cambian en la transformación de un sistema coordinado de espacio a otro. \13]Isotrópico significa que, para el observador, el universo es el mismo en todas direcciones. Homogéneo significa que el universo es igual en todos sus puntos. Lo cual no es necesariamente lo mismo. Por ejemplo, un universo con un campo magnético uniforme es homogéneo porque todos sus puntos son iguales, pero no es isotrópico porque un observador vería distintas líneas de campos magnéticos en distintas direcciones. Por otro lado, una distribución esféricamente simétrica de material es isotrópica cuando se observa desde su punto central, pero no es necesariamente homogénea; el material de un punto determinado podría no ser el mismo que el de un punto distinto en la misma dirección. Sin embargo, si asumimos que la distribución de material es isotrópica cuando se observa desde todos los puntos, el universo será necesariamente homogéneo. [14]Magueijo (2003), pp. 79 85. http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0108051 http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1983/fowler-autobio.html [ 15]Véase el glosario para una definición completa. [16] Ibíd, pp. 109-111; Linde (2001). [17] Guth (1997), pp. 213-214. [18] Es lo que se conoce como tiempo de Planck; v éase el glosario para su explicación. [19] Véase el glosario para una definición de teoría cuántica y página 159 para una descripción más completa. [20] Magueijo (2003), pp. 94 98. [21] Guth (1997), p. 186 [22] Linde (2001). [23] Guth, Alan y Steinhardt, Paul, «The Inflationary Universe», Scientific American, 250, 1980, 116-128. [24] Véase el glosario para una definición completa. [25] Linde (2001). [26] Clowes, Roger G., et al., «A Structure in the Early Universe at Z ~ 1.3 That Exceeds the Homogeneity Scale of the R-W Concordance Cosmology», Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, enero 2013. [27] Horváth, I., et al., «Possible Structure in the GRB Sky Distribution at Redshift Two», Astronomy & Astrophysics, 561, 2014, L12, 4pp. http://arxiv.org/abs/1401.0533v2. Consultado el 29 de Agosto de 2014. [28] Véase el glosario para una explicación del Tiempo de Planck y el Principio de incertidumbre. [29] Hawking (1988), p. 46. [30] Guth (1997), p. 87. [31] Véase el glosario para una definición de cuark, leptón y bosón. [32] Ibíd, pp. 238 239. [33] Braibant, et al. (2012), pp. 313 314. [34] Véase página 140. [35] Véase página 146 para más discusión sobre esta interpretación de los datos. [36] Rowan-Robinson (2004), pp. 89 92. [37] Véase página 55. [38] Véase página 56. [39] Ibíd, p. 99. [40] Burbidge, Geoffrey y Hoyle, Fred, «The Origin of Helium and the Other Light Elements», The Astrophysical Journal, 509, 1998, 1.11.3; Burbidge (2001). [41] Un supuesto basado en la longitud debajo de la cual la teoría cuántica se desmorona. [42] Linde (2001). [43] Las principales versiones se consideran en mayor detalle en la página 201 y las páginas siguientes. [44] Guth (1997), p. 186. [45] Ibíd, p. 250. [46] Véase el glosario para una descripción completa de agujero negro. [47] Ibid. pp. 278 279. [48] Ibíd, p. 286 [49] Alspach, Kyle, «Guth, Linde Win Gruber Cosmology Prize», Science & Technology News, 1, mayo 2014, pp. 1 y 3. http://arxiv.org/abs/1401.0533v2 [50] Ade, P. A. R. et al., «Detection of P-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2», 2014, http://arxiv.org/pdf/1403.3985. Consultado el 18 de marzo de 2014. [51] Cowan, Ron, «Big Bang Finding Challenged», Nature, 510, 2014, p. 20. [52] Coles, Peter, «Inside Inflation: After the Big Bang», New Scientist Space, 2007, Informe especial, 3 de marzo de 2007, http://space.newscientist.com.libproxy.ucl.ac.ukcn'iK'k'ng^ 19^:^^5^^^3L-^(4)js^es <̂iHnikl(C41 NEIPIDDIE. Consultado el 2 de abril de 2007. [53] Rowan-Robinson (2004), p. 101. [54] Ellis (2007), S.5.z [55] Maddox (1998), p. 55. http://arxiv.org/pdf/1403.3985 http://space.newscientist.com.libproxy.ucl.ac.uk/article/mg19325931.400;jsessionid=CCH CAPÍTULO 4. LO QUE LA TEORÍA ORTODOXA DE LA CIENCIA NO CONSIGUE EXPLICAR Como principio científico general, no es deseable depender esencialmente de lo que no es observable para explicar lo observable. Halton Arp, 1990 No solo no podemos ver aquello de lo que está hecha la mayor parte del universo, sino que además ni siquiera estamos hechos de lo que la mayor parte del universo está hecha. Bernard Sadoulet, 1993 Si la teoría ortodoxa de la ciencia, el modelo del Big Bang inflacionario, pretende proveernos de un relato convincente sobre el origen de la materia de la que estamos hechos, debería ofrecernos una respuesta satisfactoria a seis preguntas clave. Singularidad Según el modelo del Big Bang, si echáramos hacia atrás el reloj de la expansión del universo se produciría una singularidad. Los físicos teóricos desarrollaron el concepto de singularidad cuando estudiaron los agujeros negros. Podría definirse como sigue: Singularidad: región hipotética en el espacio-tiempo donde la fuerza de la gravedad hace que una masa finita quede comprimida en un volumen infinitamente pequeño, y por lo tanto tenga una densidad infinita, y donde el espacio-tiempo queda infinitamente distorsionado. En 1970, Stephen Hawking y Roger Penrose publicaron una prueba matemática de que el universo empezó a existir a partir de una singularidad, el Big Bang, siempre y cuando la teoría general de la relatividad fuera correcta y el universo contuviera toda la materia que observamos. Y esto se convirtió en la teoría ortodoxa. Hawking, sin embargo, ha cambiado de idea desde entonces y sostiene que la singularidad desaparece en cuanto tenemos en cuenta los efectos cuánticos (véase el universo sin límites de Hartle-Hawking en el próximo capítulo). Nos preguntamos, por lo tanto, ¿hubo una singularidad en el Big Bang y, de haberla habido, qué sabemos sobre el universo en aquel momento? La teoría ortodoxa se muestra ambigua respecto a la primera parte de la pregunta. Y respecto a la segunda parte, si hubo una singularidad en el Big Bang, no nos dice nada porque, como se ha comentado en el capítulo anterior,[1] la teoría de la relatividad y la teoría cuántica que la sustentan se desmoronan. Por mucho que un periodo de 10-43 segundos pueda parecer un periodo de tiempo absurdamente pequeño en el que no es posible concretar nada, diversos modelos de inflación especulan que en o durante ese periodo de tiempo, antes o después del Big Bang, se produjeron sucesos tremendamente importantes. Proporción observada de materia respecto a radiaciónLa teoría ortodoxa sobre el origen de la materia invoca la teoría estándar de física de partículas para explicar la creación de la materia a partir de la energía que liberó la explosión del Big Bang. Según la teoría estándar, una partícula elemental de materia se materializa espontáneamente a partir de un campo de energía junto con una partícula de antimateria simétricamente opuesta a ella, que posee la misma masa y espín pero carga eléctrica opuesta. Así pues, un electrón (con carga negativa) aparece con un positrón (carga positiva), y un protón (carga positiva) lo hace con un antiprotón (carga negativa). En condiciones de laboratorio, estas partículas y antipartículas pueden separarse y «embotellarse» mediante campos electromagnéticos. Sin embargo, sin campos aplicados externamente, la vida de estas partículas y antipartículas elementales es ínfima, normalmente de 10-21 segundos, después de lo cual se aniquilan mutuamente en una explosión de energía, un proceso contrario al que las crea. De ahí que el modelo del Big Bang inflacionario tuviera que explicar lo siguiente: (a) puesto que en la densidad extremadamente elevada que siguió al Big Bang todas las parejas partícula-antipartícula se vieron presionadas entre ellas, ¿por qué esas partículas y antipartículas no se aniquilaron mutuamente?; y (b) ya que sabemos que en el universo existe una cantidad enorme de materia, ¿dónde está la cantidad correspondiente de antimateria? Las especulaciones sobre las anti-galaxias dieron paso a estimaciones observacionales de la proporción entre fotones y protones del universo, que se sitúa aproximadamente en dos miles de millones contra uno. Con ello, los teóricos llegaron a la conclusión de que para cada mil millones de antipartículas (antiprotones y positrones) que se materializaron a partir de la liberación de energía del Big Bang, debieron de materializarse mil millones más una partículas correspondientes (protones y electrones). Los mil millones de partículas y antipartículas se aniquilaron entre ellas en una explosión de energía y produjeron dos mil millones de fotones, que son cuantos de energía electromagnética. Según el modelo del Big Bang, es esta energía, ahora expandida y enfriada, lo que forma la radiación de fondo cósmico de microondas que vemos hoy en día. Los mil millones más uno protones y electrones que quedaron huérfanos sobrevivieron y se combinaron para crear toda la materia del universo: todos los planetas, sistemas solares, galaxias y cúmulos de galaxias. Sin embargo, esto entraba en conflicto con la teoría estándar de la física de partículas que decía que, según la ley de la simetría, solo pueden materializarse parejas de partículas y antipartículas. Este conflicto siguió siendo un problema para los físicos teóricos hasta mediados de los años setenta del siglo pasado, cuando conjeturaron que, bajo las condiciones de temperaturas extremadamente elevadas del Big Bang, las tres fuerzas fundamentales de la naturaleza —electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte[2]— son simplemente tres aspectos distintos de la misma fuerza. Los teóricos concibieron asimismo distintos modelos matemáticos, que denominaron teorías de gran unificación (TGU), aunque los datos experimentales han refutado la TGU original y hasta el momento no han conseguido validar ninguna de las otras. Estas conjeturas permiten que todo tipo de partículas elementales interactúen, y transmuten, con todas las demás partículas. Como consecuencia de ello, los físicos teóricos consideraron que no era necesario conservar la simetría entre materia y antimateria. Ajustaron el modelo estándar para que diera cabida a la asimetría. Este ajuste no predice la cantidad de asimetría pero, como la carga de un electrón, requiere medidas obtenidas a partir de la observación que se incorporan luego al modelo para que el mismo sea consistente con la observación. A pesar de las esperanzas albergadas en los años setenta, no fue posible detectar y calibrar en laboratorio la asimetría materia-antimateria hasta 2001, momento en el cual se produjeron mesones B y anti mesones B y se logró que sobrevivieran 10-12 segundos. Sin embargo, la asimetría observada no resultó ser lo bastante grande como para explicar la proporción estimada entre energía y materia en el universo.[3] De ahí que la actual teoría ortodoxa de la ciencia sobre el origen de la materia necesite ofrecer una respuesta convincente a la pregunta de cómo se formó la materia a partir de la energía liberada por el Big Bang para producir la proporción entre materia y energía que observamos actualmente en el universo. Materia oscura y Omega Y aquí surgen dos problemas. En primer lugar, si estimamos la masa de una galaxia mediante el método convencional de medir su luminosidad, vemos que la atracción gravitatoria de la masa es solo una décima parte de la que sería necesaria para que todas sus estrellas orbitaran a su alrededor. De un modo similar, la atracción gravitatoria de la masa de un cúmulo de galaxias medida por su luminosidad es solo de una décima parte de la que sería necesaria para mantener las galaxias unidas en un cúmulo. Lo cual no es una sorpresa, puesto que el método convencional se limita a medir tan solo la cantidad de luz emitida. Estrellas y galaxias de distintas masas varían en cuanto a su luminosidad y su distancia de nosotros, y las más remotas pueden quedar oscurecidas por el gas y el polvo u ocultas por la luz de estrellas y galaxias más próximas. Por lo tanto, el cálculo de la masa no es más que una burda estimación basada en el promedio de valores estimados «conocidos». Y lo que es más importante, el método convencional no mide la masa de nada que no emita o refleje luz. Si la teoría general de la relatividad fuese válida, tendría que haber diez veces más cantidad de materia no luminosa —materia oscura— extendiéndose más allá del radio de cualquier galaxia visible para con ello impedir que la galaxia no se dispersase. De un modo similar, tendría que haber diez veces más cantidad de materia oscura en lo que se cree que es el vacío que rodea las galaxias visibles de un cúmulo. Las numerosas especulaciones sobre lo que constituye la materia oscura podrían agruparse en dos tipos: MACHO: los objetos masivos de halo compacto (MACHO del inglés «Massive Compact Halo Objects») son formas de materia densa —como los agujeros negros, las enanas marrones y otras estrellas tenues— que los astrofísicos utilizan para explicar la materia oscura. WIMP: las partículas masivas de interacción débil (WIMP, del inglés «Weakly Interacting Massive Particles») son partículas dejadas por el Big Bang —como los neutrinos, con una masa que multiplica por cien la del protón, y otros— que los físicos de partículas utilizan para explicar la materia oscura. A pesar de que la existencia de la materia oscura se ha deducido siempre a partir de sus efectos gravitatorios, más de treinta años de investigaciones no han logrado todavía identificar la naturaleza de la materia oscura ni confirmar experimentalmente la existencia de WIMP. Muchos físicos de partículas confían en que el Gran Colisionador de Hadrones produzca evidencias de la existencia de WIMP después de su reapertura en 2015 con casi el doble de energía de colisión que tenía anteriormente. El segundo problema es que, aun en el caso de que sumáramos toda la materia oscura estimada para mantener las estrellas orbitando en galaxias y las galaxias agrupadas en cúmulos a toda la materia estimada visible y conocida, seguiríamos obteniendo una masa total demasiado pequeña para proporcionar la atracción gravitatoria necesaria para equilibrar la energía cinética de la expansión del universo según el modelo ortodoxo del Big Bang inflacionario. Las estimaciones producen un valor del parámetro de densidad Omega de aproximadamente 0,3,[4] que es significativamente inferior al 1,0 del universo plano que supone el modelo ortodoxo de Friedmann-Lemaitre yque racionalizan las conjeturas de la inflación. Por lo tanto, la teoría ortodoxa de la ciencia sobre el origen de la materia no consigue responder a las siguientes preguntas: (a) ¿qué es la materia oscura que al parecer mantiene a las estrellas trazando órbitas y a las galaxias agrupadas en cúmulos?; y (b) ¿qué y dónde está la materia oscura adicional necesaria para ser consistente con el modelo ortodoxo del universo? Energía oscura Y por si todo esto no fuera bastante malo para el modelo ortodoxo, en 1998 los astrónomos anunciaron un descubrimiento de importancia mayor si cabe. Gracias al desarrollo de la tecnología y de la teoría astrofísica, dos equipos internacionales de astrónomos fueron capaces de recopilar datos de supernovas Tipo 1a con gran desplazamiento al rojo; consideraron que estas explosiones violentas de estrellas enanas blancas producían luminosidades estándar. Según la cosmología ortodoxa, el grado de desplazamiento al rojo indicaba que eran estrellas lejanas, y por lo tanto jóvenes, que habrían explotado cuando el universo tenía entre nueve y diez miles de millones de años. Sin embargo, eran más tenues de lo esperado. Los cosmólogos llegaron a la conclusión de que debían de estar situadas más lejos de lo predicho por el modelo de geometría plana de Friedmann-Lemaitre, que defiende que el ritmo de expansión del universo está ralentizándose. De ahí que decidieran que alguna cosa tenía que haber provocado la aceleración de la expansión del universo. Y a ese ingrediente desconocido le pusieron el nombre de «energía oscura».[5] Basándose en los supuestos de la teoría ortodoxa y en su interpretación de los datos astronómicos, los científicos que dirigen la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe anunciaron en 2003 que el universo está integrado por un 4 por ciento de materia conocida, un 23 por ciento de materia oscura de tipo desconocido y un 73 por ciento de esta misteriosa energía oscura.[6] Es decir, que la materia oscura desconocida que deja reducida a nada la materia que conocemos queda a su vez reducida a nada por una energía oscura desconocida que es responsable de más de dos terceras partes del universo. Tal vez la cita de Bernard Sadoulet que encabeza el capítulo debería decir: «No solo no estamos hechos de aquello de lo que está hecho la mayor parte del universo, sino que además ni siquiera sabemos de qué está hecha la mayor parte del universo». La figura 4.1 describe esta versión ortodoxa revisada de la historia del universo. E*po-oidn acelerad» de lo energía oscura inflocon. WMA E»porPOn del B<g Bang ti,/) mito* iJ» rr«lk**m de Pat/On de ku <«yj^uU* 37S.IKO Uto • '.■Í.MCiOfW ■ uAntkan t .V-l *r<nMHos enrolas hoco *'<-•<• aproa . 400 mJIonct de »Vx -~?v' Figura 4. t. Huloria Jet imiwrw srpm la iOímofqfja ortodoxa. Los científicos empezaron de inmediato a tratar de identificar la energía oscura. Los cosmólogos teóricos pensaron que podía ser la responsable de aquel incremento relativamente reciente de la expansión del universo si reintroducían Lambda en las ecuaciones de campo de Einstein. Como vimos en el capítulo 3, Einstein había descartado esta constante cosmológica, describiéndola como su mayor error. No aparece en las ecuaciones de Friedmann utilizadas en el modelo básico del Big Bang, pero la mayoría de modelos de inflación la reintrodujeron, aunque con un valor muy superior al que le había otorgado Einstein y solo durante un periodo de tiempo increíblemente breve, para justificar una inflación del universo primigenio y así conseguir la densidad de masa crítica con Omega = 1 para una expansión con desaceleración estable. (Al tratarse de una constante arbitraria, los cosmólogos pueden otorgarle cualquier valor, positivo, negativo o cero.) Los teóricos actuales han vuelto a introducir la constante cosmológica —aunque con un valor distinto al que le otorgaron Einstein o los inflacionistas— para intentar justificar la aceleración implícita, muy inferior a la aceleración inflacionista. No carece de razón el cosmólogo de la Universidad de Chicago, Rocky Kolbe, cuando se refiere a ella como la «constante cosmo-ilógica». Pero si pretende ser algo más que una constante matemática que los teóricos pueden insertar de manera arbitraria en sus ecuaciones y cuyo valor pueden manipular hasta que las soluciones cuadren con la observación, deberá significar alguna cosa en el mundo real. Los físicos de partículas pensaron que representaba la energía del punto cero, o energía del estado fundamental de la mecánica cuántica, del universo: es decir, la energía más baja posible del universo, que es la energía asociada al vacío del espacio. Pero cuando calcularon su valor de esta manera, resultó que tenía una magnitud ciento veinte veces superior a la observada por los astrónomos.4 El físico teórico Martin Kunz y sus colegas pusieron palos en la rueda de la constante Lambda señalando que, en primer lugar, los datos astronómicos presentan una gran dispersión y, en segundo lugar, la interpretación de los datos es implícitamente sensible a los supuestos sobre la naturaleza de la energía oscura. Sugirieron que comparando datos en una amplia variedad de fenómenos astrofísicos sería posible descartar una constante cosmológica como el origen de la energía oscura.[7] Otro físico de partículas, Syksy Rasanen, del CERN, lanzó un palo más a la rueda al proponer que la expansión acelerada del universo está provocada no por una energía oscura misteriosa sino, paradójicamente, por una disminución cada vez mayor del ritmo de expansión de esas pequeñas regiones de espacio dominadas por la materia. Como que la atracción gravitatoria de estas regiones las lleva a absorber más materia, se condensan y representan un porcentaje cada vez más pequeño —y menos importante— del volumen del universo. La expansión de los vacíos sigue avanzando de manera desenfrenada y, por consiguiente, ocupan un porcentaje cada vez mayor del volumen del universo. La consecuencia general de todo ello, sugiere Rasanen, es que el ritmo medio de expansión del universo aumenta sin necesidad de energía oscura.[8] En 2011, la física teórica Ruth Durrer, de la Universidad de Ginebra, destacó que todas las evidencias aportadas hasta la fecha para corroborar la existencia de la energía oscura dependen de distancias calculadas de desplazamiento al rojo que son mayores de lo que cabría esperar según el modelo ortodoxo.[9] Richard Lieu, profesor de Astrofísica de la Universidad de Alabama, va más allá y argumenta que gran parte del modelo ortodoxo, que ahora incluye materia oscura y energía oscura, «está sustentado por una cantidad impresionante de propaganda que reprime las evidencias que apuntan en direcciones opuestas y los modelos alternativos». Apunta que dos modelos alternativos, uno que elimina la materia oscura y otro que elimina tanto la materia oscura como la energía oscura, no presentan resultados peores en cuanto a corresponderse o no con las evidencias, y concluye diciendo que cuánto más fracase el ámbito ortodoxo —que es el que domina las entidades de financiación— en su empeño de encontrar estos ingredientes oscuros desconocidos, más se invertirá el dinero de los contribuyentes en intentar encontrarlos, hasta el punto de ahogar por completo cualquier enfoque alternativo.[10] Ellis sostiene también que hay explicaciones alternativas a los datos astronómicos que poseemos que son perfectamente posibles. Podrían encajar con un modelo de universo esféricamente simétrico y no homogéneo, o podrían deberse en parte a la retro-reacción de heterogeneidades sobre la expansión cósmica, o al efecto de heterogeneidades sobre el área distancia efectiva.[11] El cosmólogo Lawrence Krauss concluye diciendo que «la naturaleza de la “energía oscura” que está provocando la aparentemente acelerada expansión del universo es, sin lugar a dudas, el mayor misterio de la física y la astronomía».[12] Por lo tanto, si la teoría ortodoxa de la cienciasobre el origen de la materia pretende ser convincente, deberá responder a lo siguiente: (a) si la expansión del universo se está acelerando o no; (b) en caso afirmativo, cuándo se produjo el cambio de expansión desacelerada a expansión acelerada; y (c) que causa verificable está produciendo esta aceleración. El ajuste de precisión de los parámetros cosmológicos Cuando en el capítulo 3 examinamos el problema de la planicidad del modelo básico del Big Bang, vimos que diferencias extremadamente minúsculas en el valor de Omega —una medida de la atracción gravitatoria de la materia en el universo en comparación con su energía de expansión— producen tipos de universo muy distintos. En 2000, Martin Rees, astrónomo real de Gran Bretaña, defendió que nuestro universo no habría evolucionado hasta la fase en la que se encuentra, con seres humanos como nosotros que reflexionamos sobre el origen del universo, si el valor, no solo de Omega sino también de cinco parámetros cosmológicos más, hubiera sido distinto en cantidades increíblemente minúsculas. De hecho, se afirma que para la evolución humana es imprescindible ajustar con precisión muchos parámetros, además de los seis apuntados por Rees, y examinaré la cuestión del «universo antrópico» con más profundidad en posteriores capítulos. Baste por el momento decir que la teoría cosmológica ortodoxa no responde a la pregunta de cómo y por qué el universo que emergió del Big Bang adoptó la forma que adoptó entre otras muchas formas posibles. La creación a partir de la nada Este es el esqueleto encerrado en el armario. Es la pregunta más importante que la teoría ortodoxa sobre el origen de la materia está obligada a responder. Dicho de forma muy sencilla: ¿de dónde vino todo? Y más concretamente, ¿de dónde procede la energía que no solo produjo todo el universo, sino que además contrarrestó la inmensa atracción gravitatoria de la materia súper densa que se creó —infinitamente densa si se inició como una singularidad— y expandió el universo hasta su tamaño actual? Muchos cosmólogos apoyan la idea de que procede de la energía neta cero del universo. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, toda masa m posee una energía equivalente calculada mediante E = mc2 y, convencionalmente, esta energía de la masa de la materia en reposo tiene un valor positivo. Guth defiende que la energía de un campo gravitatorio es negativa. Basándose en una idea que al parecer fue avanzada por Richard Tolman en 1934,[13] la argumentación de Guth para la creación a partir de la nada utilizando el concepto de energía neta cero se resumiría como sigue: 1. Si el prindppo de ccon^eiAvK’iiói de la emergía apllca al umverro. entonces el universo tiene que tener la misma energía a partir de la cual fue creado. 2. Si d universo fue creado de la nada, entoncd la energía lotaa dd universo liene que ser cero. 3. Como que es evidenne que d umverro o1:^^^i^^1?1^ está lleno a rebosar de la inmensa energía-masa de cien miles de millones de galaxias en expansión, dicha expansión tiene que estar originada por otra energía. 4. Como que d campo gravitalorio tiene emergía nesíariva, la i ininensa emergía que observamos puede quedar anulada por una contribución negativa de igual magnitud del campo gravitatorio. 5. Como que la magnitud de emergía dd campo gravitalorio no tiene 11miie, lampoco tiene límite la cantidad de energía-masa que es capaz de anular. 6. Por lo lanto, d umverro podría haber evotudonado a paitir de abro1utamente nada y de forma consistente con todas las leyes de conservación conocidas.[14] La proposición (2) depende de la condición de que el universo fue creado a partir de la nada. Lo cual no es una verdad obvia. De ahí que la validez de esta proposición sea cuestionable. La proposición (5) se basa en un supuesto cuestionable; en el capítulo 6, cuando examine la infinitud de un cosmos físico, discutiré términos como «ilimitado» s «infinito». Pero aun aceptando proposiciones tan cuestionables como estas, el argumento muestra que, en teoría, el universo podría haber evolucionado a partir de la nada, pero no nos explica cómo evolucionó en la práctica. En 1973, Edward Tryon propuso la respuesta de la «fluctuación cuántica del vacío». Según el principio de incertidumbre de la teoría cuántica, es imposible calcular la energía exacta de un sistema en un momento exacto. En consecuencia, la teoría cuántica permite la conjetura de que incluso el vacío, un espacio en el cual todo ha sido eliminado, tiene un punto cero, o estado fundamental, de energía fluctuante a partir de la cual una pareja de partículas de materia y antimateria puede materializarse de manera espontánea, existir durante un periodo de tiempo increíblemente breve y luego desaparecer. Tryon sugirió que el universo se materializó espontáneamente a partir de un vacío mediante esta fluctuación cuántica.[15] Sin embargo, en la teoría cuántica, la probabilidad de que un objeto se materialice a partir de un vacío disminuye dramáticamente a tenor de su masa y su complejidad, lo que hace que la probabilidad de que un universo complejo de catorce mil millones de años de antigüedad y que posee unos diez mil millones de millones la masa del sol surgiera de esta manera es tan remota, que resulta prácticamente imposible. Nadie se tomó en serio la sugerencia de Tryon hasta que la inflación acudió a su rescate. Guth y otros especularon que, durante el tiempo de vida infinitésimamente breve de estas fluctuaciones cuánticas del vacío, surgió un proto-universo que se infló en un instante hasta alcanzar una magnitud cincuenta veces mayor, y que lo hizo incluso a pesar del campo gravitatorio provocado por su masa que amenazaba con aplastarlo y acabar con su existencia. Lo cual plantea dos retos. En primer lugar, como vimos en el capítulo 3, a pesar del intento de los teóricos de la inflación de defender lo contrario, esta energía-masa no puede viajar más rápido que la velocidad de la luz sin entrar en conflicto con la teoría de la relatividad.[16] En segundo lugar, como vimos también en el último capítulo, existe alrededor de un centenar de versiones de la inflación, pero en su mayoría siguen a Linde y asumen que el mecanismo es algún tipo de campo escalar, que recibe el nombre genérico de campo de inflación. Sin embargo, a diferencia de un campo electromagnético que puede ser detectado y medido, nadie ha encontrado todavía la manera de detectar, y mucho menos de medir, un campo de inflación. Por lo tanto, esta conjetura crucial carece de base empírica. Se supone que la energía que impulsa este supuesto campo de inflación proviene de la energía neta cero del universo. Y mientras que Rees se muestra cauteloso y utiliza la palabra «conjetura» para calificar esta idea[17], Hawking no tiene tantas reservas. Asevera que, en el caso de un universo que es aproximadamente uniforme en el espacio, la energía de gravitación negativa cancela por completo la energía positiva representada por la materia. De ahí que la energía total del universo sea cero. «El doble de cero es también cero. Por lo tanto, el universo puede duplicar la cantidad de energía de materia positiva y duplicar también la energía gravitatoria negativa sin que se viole la conservación de la energía. [...] Durante la fase inflacionaria el universo aumenta su tamaño en una cantidad muy grande. De este modo, la cantidad total de energía disponible para crear partículas se hace muy grande. Como comentaba Guth: “Se dice que la comida gratis no existe. Pero el universo es la comida gratis por excelencia”».[18] No conozco muchos científicos, aparte de los cosmólogos, que crean en la comida gratis. Pero incluso en el caso de que el universo fuera una comida gratis, la idea sigue sin decirnos de dónde provienen los ingredientes. Concretamente, un vacío con una energía fundamental que experimenta fluctuaciones cuánticas aleatorias no es la nada. ¿De dónde surgió este vacío? Más aun, ¿cómose puede verificar esta conjetura? Se trata de preguntas que la cosmología ortodoxa está obligada a responder si pretende que su conjetura de la creación a partir de la nada sea tratada como una teoría científica. Conclusiones El capítulo 3 concluía diciendo que la teoría ortodoxa de la cosmología no es fiable y que su reivindicación principal, la inflación, que se incorporó para explicar las contradicciones que presenta la teoría con las evidencias aportadas por la observación, no es verificable con casi toda seguridad. Este capítulo llega a la conclusión de que, incluso con dos añadidos importantes —la materia oscura y la energía oscura—, la teoría actual sigue sin ofrecer respuestas convincentes a seis preguntas clave: si hubo o no una singularidad y, en caso afirmativo, cómo se originó el universo como singularidad; cómo se formó la materia oscura a partir de la energía liberada por el Big Bang para producir la proporción entre materia y energía que observamos en la actualidad; qué es esa materia oscura que al parecer es necesaria para explicar por qué las galaxias y los cúmulos de galaxias no se disgregan, y qué y dónde está esa cantidad mucho mayor de materia adicional necesaria para explicar por qué el ritmo de expansión del universo es el pronosticado por la teoría; cómo y cuándo este ritmo desacelerado de expansión cambió a un ritmo acelerado y qué es la energía oscura invocada como su causa; cómo y por qué el universo adoptó la forma que adoptó habiendo tantas otras formas disponibles; y, lo que es más importante, cómo se creó todo a partir de la nada cuando la burbuja de vacío originaria posee una energía fundamental y, por lo tanto, no es la nada. En 1989, Nature publicó un editorial en el que calificaba de «inaceptable» el modelo del Big Bang y predecía que «es poco probable que sobreviva la próxima década».[19] Pero ha sobrevivido más que eso: el Big Bang caliente inflacionario sigue siendo la explicación ortodoxa de la cosmología para el origen del universo. ¿Pero por cuánto tiempo más? En la actualidad, otras hipótesis compiten bien para modificar el modelo ortodoxo, bien para desbancarlo. ¿Ofrecen un relato más riguroso, desde un punto de vista científico, sobre el origen del universo? | l|a'e^e página 71. |2|a'ease el glosario para una definición de las distintas fuerzas. [3] Rodgers, Peter, «Where Did All the Antimatter Go?», Physics World, 2001. http://physicsweb.org/articles/world/14/8/9. Consultado el 12 de junio de 2006. [4] Ellis (2007), S.2.3.6. [5] Ellis, George, «Physics Ain’t What It Used to Be», Nature 438: 7069, 2005, pp. 739-740. [6] Los datos aportados en 2013 por el telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea provocaron una revisión de estas proporciones que quedaron en un 4,9 por ciento de materia conocida, un 26,8 por ciento de materia oscura y un 68,3 por ciento de energía oscura. [7] Kunz, Martin, et al., «Model-Independent Dark Energy Test with Sigma [Sub 8] Using Results from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe», Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology) 70: 4, 041301, 2004. [8] Shiga, David, «Is Dark Energy an Illusion?», http:/.7www.newscientist.com/article/dn11498-is-dark-energy-an-illusion.htmltt.UhGjRSjhh http://physicsweb.org/articles/world/14/8/9 http://www.newscientist.com/article/dn11498-is-dark-energy-an-illusion.html%252523.U5GjRSj5h hl. 30 de marzo de 2007. [9] Dur^er, Ruth, «What Do We Really Know About Dark Energy?», Philosophical Transactions of the Royal Society, 369, 2011, pp. 5102 5114. [10] Lieu, Richard, «ACDM Cosmology: How Much Suppression of Credible Evidence, and Does the Model Really Lead Its Competitors, Using All Evidence?», 2007, http://arxiv.org/abs/0705.2462 . [11] Ellis (2007), S.2.3.5. [12] Krauss, Lawrence M., «What Is Dark Energy? », Nature 431, 2004, pp. 519 520. [13] Tolman (1987). [14] Guth (1997), pp. 9-12 y 289-296 [15] Tryon, Edward P., «Is the Universe a Vacuum Fluctuation?», Nature 246, 1973, pp.396397 [16] Véase página 79. [17] Rees (1997), p. 143. [18] Hawking (1988), p. 129. [19] Maddox, John, «Down with the Big Bang», Nature 340, 1989, p. 425. http://arxiv.org/abs/0705.2462 CAPÍTULO 5. OTRAS CONJETURAS COSMOLÓGICAS Buscar una alternativa [al modelo ortodoxo] es buena ciencia, simplemente. La ciencia avanza con mayor rapidez cuando hay dos o más ideas en competencia. Paul Steinhardt, 2004 Muchos de los teóricos actuales no parecen estar preocupados por la posibilidad de que sus hipótesis acaben viéndose confrontadas a observaciones objetivas y reales. Michael Riordan, 2003 Algunos cosmólogos, a diferencia de algunos papas, no están satisfechos con la idea de que el universo surgió de la nada a partir de una explosión. Para ellos, resulta mucho más atractivo el concepto de que el universo es eterno. Una de las dificultades a las que se enfrenta la evaluación, tanto de estas ideas como de otras alternativas al modelo ortodoxo del Big Bang inflacionario, es que, del mismo modo que la literatura religiosa está escrita por creyentes en las distintas religiones, la literatura sobre la especulación cosmológica está escrita por creyentes en las distintas especulaciones; e igual que sucede con sus homólogos religiosos, a menudo distan mucho de ser objetivos cuando presentan sus hipótesis y seleccionan e interpretan las supuestas evidencias que las sustentan. He elegido las que considero ideas más relevantes. El universo sin límites de Hartle-Hawking Para abordar la primera pregunta planteada en el anterior capítulo —si el universo, incluyendo el tiempo y el espacio, se originó o no como una singularidad en la que dejan de ser válidas las leyes conocidas de la física—, Stephen Hawking examinó diversas maneras de aplicar la teoría cuántica al estado inicial del universo. Plantear sus ecuaciones sin realizar distinción alguna entre las dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo, le permitió introducir un tiempo imaginario. Lo cual sería equivalente al concepto de los números imaginarios aceptado desde hace mucho tiempo en las matemáticas. Si tomamos un número real, como 2, y lo multiplicamos por sí mismo, el resultado obtenido es un número positivo, 4. Lo mismo sucede si multiplicamos un número negativo por sí mismo: -2 por -2 igual a 4. Un número imaginario es aquel que, multiplicado por sí mismo, da un número negativo. Por ejemplo, i multiplicado por sí mismo es igual a -1, mientras que 2i multiplicado por sí mismo es igual a -4. El resultado de este trabajo, que desarrolló junto con Jim Hartle en 1983, fue producir un universo en el que el tiempo y el espacio son finitos, pero sin límites de ningún tipo.[1] Una analogía simplificada del universo espacio-tiempo de cuatro dimensiones de Hartle-Hawking sería la superficie de la Tierra, que es finita pero no tiene límites, como se muestra en la figura 5.1. ¡LMCILMCH fl UNMH&O I ignra 5. I. Krpr'f^oiMwHi titnpÜfieMla «r la siipefir del lutlirTC un fimi/es de Hanle-HairkiiiX nmp«mu¿> «w la superficie de la Tierra. En la figura, el universo se origina con el Big Bang con un tamaño cero en su equivalente del polo norte, se expande en un tiempo imaginario hasta alcanzar el tamaño máximo en su equivalente del ecuador, y se contrae en un tiempo imaginario para terminar en un Big Crunch con tamaño cero en su equivalente del polo sur. Y del mismo modo que las leyes de la física aplican en el polo norte real de la superficie de la Tierra, aplican también en el tiempo imaginario cero. Esta solución describe un universo en el que, según Hawking, «No habría singularidades en las que las leyes de la ciencia dejaran de ser válidas y no habría ningún límite del espacio-tiempo [...]. La condición de frontera del universo es que no hay frontera. El universo [...] no sería creado ni destruido. Simplemente SERIA». Hawking reconoce que cuando regresemos al tiempo real en el que vivimos, seguirá pareciendo que hay singularidades, pero sugiereque lo que denominamos tiempo imaginario podría de hecho ser el tiempo real, mientras que lo que denominamos tiempo real no es más que un producto de nuestra imaginación. Esta propuesta ingeniosa soluciona muchos problemas del modelo ortodoxo de la cosmología, no siendo precisamente el menor de ellos el de la creación a partir de la nada. Sin embargo, Roger Penrose, coautor con Hawking de la prueba matemática de que se produjo una singularidad tipo Big Bang siempre y cuando la teoría general de la relatividad sea correcta,[2] describe el modelo como un «truco inteligente» para producir teorías cuánticas de campo consistentes pero presenta «severas dificultades» cuando se utiliza en conjunción con las aproximaciones necesarias para resolver las ecuaciones.[3] Para ver si describe el mundo que experimentamos, hay que comprobarlo. Hawking afirma que realiza dos predicciones que coinciden con las observaciones: la amplitud y el espectro de fluctuaciones del fondo cósmico de microondas. Sin embargo, como en el caso de las de la inflación, las «predicciones» derivan de la elección arbitraria de campos escalares, más que de las predicciones reales del modelo del universo sin límites. Por muy atractivo que resulte conceptualmente el modelo, han pasado más de treinta años y Hawking no ha conseguido convencer todavía a muchos cosmólogos teóricos de que sus cálculos matemáticos son viables y de que su tiempo imaginario es verdaderamente tiempo real. Además, el modelo no ha realizado ninguna predicción única que esté sustentada por la observación. La inflación caótica eterna Si al Big Bang le siguió un periodo de inflación, como la mayoría de cosmólogos actuales apoya, surge entonces la cuestión de qué fue lo que lo precedió. En consecuencia, Linde desarrolló en 1986 lo que describió como el modelo de un «universo que se reproduce a sí mismo a través de una inflación caótica eterna».[4] A pesar de que los cosmólogos formados después de 1965 con la cultura del Big Bang como única cosmogonía rara vez lo reconocen, este modelo tiene mucho en común con la versión actualizada de la teoría del estado estacionario conocida como cosmología del estado cuasi-estacionario.[5] Linde propone que la inflación caótica se prolonga eternamente como un proceso continuado que crea nuevas regiones de espacio con propiedades distintas. Algunas de estas regiones podrían ser tan grandes como todo nuestro universo observable. «Con la inflación eterna, todo sería el mismo universo, pero sus partes estarían tan distanciadas las unas de las otras que, a todos los efectos prácticos, podríamos decir que son universos distintos».[6] El modelo sugiere que una vez estas regiones se hayan inflado, contendrán necesariamente en su interior partes minúsculas que se inflarán, y que cuando estas partes se inflen, contendrán también partes minúsculas que a su vez se inflarán. En consecuencia, el proceso inflacionario se reproduce a sí mismo eternamente. Guth lo suscribe con entusiasmo porque «la inflación eterna pone fin a la difícil cuestión de decidir hasta qué punto es plausible que la inflación se iniciara». Además, Si el concepto de la inflación eterna es correcto, el Big Bang no fue un acto singular de creación, sino más bien algo parecido al proceso biológico de la división celular [...]. Dada la plausibilidad de la inflación eterna, creo que cualquier teoría cosmológica que no conduzca hacia la reproducción eterna de los universos pronto quedará considerada como algo tan inimaginable como una especie de bacterias incapaz de reproducirse.[7] Guth tiene razón al respaldar este punto de vista como una declaración de fe más que como una conclusión científica. En principio, la conjetura responde a la cuestión del origen de nuestra región, o nuestra burbuja, del universo: tuvo un principio y podría o no tener un fin, pero el proceso no concluirá nunca. Pero Linde ya no está tan seguro en lo referente a cómo se inició el proceso. En 2001 escribió: «Existe la posibilidad de que todas las partes del universo se crearan simultáneamente en una singularidad inicial tipo Big Bang. La necesidad de este supuesto, sin embargo, ha dejado de ser obvia».[8] Siete años antes, los cosmólogos Arvind Borde y Alexander Vilenkin llegaron a una conclusión más precisa. Defendieron que, siempre y cuando se acepten determinados supuestos técnicos, un espacio-tiempo físicamente razonable que esté inflándose eternamente hacia el futuro tendría que haberse iniciado a partir de una singularidad.[9] El peso del argumento sustenta con claridad la conclusión de que la conjetura de la inflación caótica «eterna» no es eterna: por mucho que la inflación caótica continuara indefinidamente en el futuro, tuvo un principio. En consecuencia, no responde a la pregunta fundamental sobre de dónde salió todo, ni pone tampoco fin a la difícil cuestión de decidir hasta qué punto es plausible que la inflación empezara. Más aún, presenta exactamente los mismos problemas de imposibilidad de verificar su principal reivindicación que situaba las demás versiones de la idea de la inflación fuera del terreno de la ciencia y dentro del terreno de las conjeturas filosóficas. La velocidad variable de la luz Un joven cosmólogo, Joao Magueijo, que en aquel momento estaba en posesión de una prestigiosa beca para investigación de la Royal Society, propuso una alternativa a la conjetura de la inflación que, según sostiene, se ha convertido en la teoría sagrada para la comunidad cosmológica americana. La idea central es que en el universo primigenio, la velocidad de la luz era muchísimo más rápida que la actual. Esta conjetura solventa todos los problemas que solventa la conjetura de la inflación y, a pesar de que no existen evidencias de la existencia de una partícula inflatón ni de su correspondiente campo inflacionario, Magueijo defiende que sí hay evidencias observacionales de estrellas muy jóvenes que sustentan la hipótesis de la velocidad de la luz variable desarrollada por él y Andreas Albrecht (que también había desarrollado conjuntamente una de las primeras versiones modificadas de la conjetura de la inflación, véase página 70). Esta idea, por supuesto, quebranta uno de los principios fundamentales de la teoría de la relatividad de Einstein, el de que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz y, por ello, Magueijo está intentando reformular en consecuencia las ecuaciones de Einstein. Especular que en un periodo justo después Big Bang (en el que la teoría de la relatividad de Einstein deja de ser válida), la velocidad de la luz era miles de veces más rápida de lo que lo es ahora, no parece más irracional que especular que la energía-masa de un vacío se infló a una velocidad miles de veces superior a la velocidad de la luz. A pesar de ello, a Magueijo y a Albrecht les resultó extremadamente difícil poder publicar su artículo, igual que les sucedió a Hoyle y a otros cuyas hipótesis difieren de la ortodoxia cosmológica. El relato de Magueijo sobre sus intentos de publicación y las respuestas a su artículo de los grandes referentes, ofrece una imagen del tan cacareado proceso de revisión por parte de los colegas que impera en la ciencia que emula la revisión por parte de obispos de la ortodoxia que instintivamente rechazan aquellos puntos de vista herejes que suponen un desafío a las conjeturas en las que se basa su reputación. Una triste reflexión acerca de Nature la expone el hecho de que para leer la versión completa de Magueyo me vi obligado a comprar la edición norteamericana de su libro, puesto que Nature amenazó con acciones legales al editor británico si no cribaba la primera edición y publicaba una versión expurgada. Entre otras cosas, Magueijo alega que el consenso en su campo de investigación es que el editor de cosmología de Nature no está a la altura del puesto pero que sus colegas no se atreven a decirlo por miedo a perjudicar su propia carrera profesional. Utiliza unlenguaje desmedido, tildando al editor de «imbécil redomado» y «científico fracasado» con envidia de pene. Este tipo de lenguaje degrada su caso. Evidentemente, Nature habría estado más en la línea de los ideales de la ciencia si hubiese desistido de la idea de comportarse como el Santo Oficio y hubiese permitido que los lectores decidieran hasta qué punto el relato de Magueijo es el de un egocéntrico inmaduro y equivocado o el de un hombre razonable abocado a la frustración.[10] El artículo de Magueijo y Albrecht fue finalmente publicado en 1999 por Physical Review. Su conjetura podría llevar a una teoría más robusta si pudiera realizar predicciones capaces de ser verificadas por la observación, pero cualquier opinión al respecto debe esperar a la aparición tanto de más trabajo teórico como de más evidencias observacionales. El universo oscilante cíclico La hipótesis de que el Big Bang surgió del colapso de un universo anterior fue sugerida por Richard Tolman, del Instituto Tecnológico de California, en un momento tan temprano como 1934. Se basó en otra solución a las ecuaciones de la relatividad general de Einstein para el universo, que también asumió que era isotrópico y omnicéntrico, pero cerrado en lugar de plano. Su solución muestra un universo oscilante, que se expande, se contrae en un Big Crunch y luego vuelve a expandirse, proceso que se repite ad infinitum. Cuando Tolman aplicó al modelo la segunda ley de la termodinámica, descubrió que cada ciclo del universo oscilante era mayor y duraba más tiempo que el anterior.[11] La hipótesis cayó en desgracia por varias razones, sobre todo cuando los cosmólogos llegaron a la conclusión de que las evidencias obtenidas mediante la observación apoyaban el modelo del universo plano. Pero, como hemos visto, el modelo del universo plano se topó con conflictos tan importantes al ser contrastado con las evidencias obtenidas mediante la observación, que hubo que incorporar la conjetura de la inflación además de cantidades inmensas de materia oscura desconocida y de energía oscura desconocida. La hipótesis de Tolman parece evitar el problema de la singularidad. Sin embargo, si cada ciclo del universo oscilante es mayor y más prolongado, cada ciclo precedente será menor y habrá durado menos tiempo. Si movemos el reloj hacia atrás, llegará un punto en el tiempo cero en el que el ciclo se aproximará a una insignificancia infinita y a una densidad infinita, es decir, las condiciones que se conjeturan para la singularidad del Big Bang. De ahí que el modelo no sea verdaderamente eterno y no evite el problema básico del origen: cómo y por qué se origina una singularidad infinitamente pequeña y densa. Además, nadie ha concebido hasta la fecha ningún medio que sirva para observar o demostrar la existencia física de un universo previo del supuesto ciclo. Hasta que no se consiga, esta conjetura deberá mantenerse también fuera del terreno de la ciencia, tal y como la entendemos hoy en día. La selección natural de universos Lee Smolin es un teórico que no solo está preparado para pensar más allá de las cuatro paredes de la ortodoxia, sino que además cree que es necesario para que la física progrese. Su conjetura de una evolución de universos mediante selección natural ha sido tomada muy en serio por diversos sectores de la comunidad científica, razón por la cual merece la pena examinarla con cierto nivel de detalle. En 1974, John Wheeler especuló que el colapso del universo en un Big Crunch podría conducir a un Big Bounce, o «gran rebote», en el que el universo se reprocesara para producir un nuevo universo donde las leyes de la física serían las mismas pero los parámetros físicos, como el de la masa de un protón o la carga de un electrón, que las leyes no predicen, serían distintos. Como vimos en el último capítulo cuando hablamos sobre el ajuste de precisión de los parámetros cosmológicos, cambios muy pequeños pueden producir universos muy distintos. Por ejemplo, si el único cambio fuera que los protones son un 0,2 por ciento más pesados, no se formarían átomos estables y el universo se mantendría en estado plasma; en consecuencia, nunca podría haber evolucionado la materia compleja, como la del ser humano. Llevando este concepto un paso más allá, Smolin lanza la conjetura de que no es solo el colapso de un universo en un Big Crunch lo que produce otro universo con parámetros distintos a través de un Big Bounce, sino que además el colapso de una estrella en un agujero negro produce otro universo con parámetros distintos al otro lado del agujero negro. Generaciones de universos producidos de esta manera con parámetros aleatorios a partir de un universo progenitor llevaría, mediante un proceso de selección natural similar al de la biología,[12] a universos más adaptados para sobrevivir y capaces de permitir la evolución de vida inteligente.[13] Esta especulación se sustenta sobre ocho parámetros: 1. Los efectos cuánticos impiden la formación de una singularidad en la que el tiempo se ponga en marcha o se detenga cuando un universo colapse en un Big Crunch o una estrella colapse en un agujero negro, de tal modo que el tiempo continúa en una nueva región de espacio-tiempo conectada al universo padre solo en su primer momento. 2. Essa nueva región de espacio-tiempo donde d tiempo continúa después dd colapso de una estrella en un agujero negro es inevitablemente inaccesible para nosotros pero «podría ser tan grande y tan variado como el universo que podemos ver». 3. Debido a que nuestro uini-erro vistble contiene un numero enorme de almic^os negros, «debe de haber un número enorme de otros universos [...], como mínimo tantos como agujeros negros hay en nuestro universo [... ] [además] si hay muchos más que usos, ¿por qué, entonces, cada uno de estos universos no podría tener también estrellas que colapsan en agujeros negros y engendran otros universos?». 4. Los parámetros del primer universo son tales que produce como mínimo una descendencia de un universo. 5. Cada descendiente sucesivo produce al menos un vástago. 6. Los parámetros del nuevo universo formado por el colapso de un universo o de una estrella son ligeramente distintos a los de su padre. 7. En el proceso aplican las reglas de la selección natural: el efecto acumulativo de pequeñas mutaciones aleatorias en los parámetros de los universos hijos acaba generando universos cuyos parámetros están mejor adaptados para producir muchos agujeros negros —y de ahí, muchos vástagos— hasta acabar en universos como el nuestro, que crea alrededor de 1018 agujeros negros. 8. Los parámetros de universos como el nuestro, con cantidades tan grandes de agujeros negros, están ajustados para la evolución de vida inteligente. Estos supuestos no son ni mucho menos evidentes. Smolin comparte el supuesto (1) con muchos otros teóricos, pero reconoce que si esto corresponde o no a la realidad depende de los detalles de la teoría de la gravedad cuántica, que no está completa. El supuesto (2) parece poco razonable. Si la teoría actual de los agujeros negros es correcta, los agujeros negros pueden tener una densidad enorme, si no infinita, pero poseen una masa limitada. Por ejemplo, un agujero negro podría estar formado por el colapso gravitacional de una estrella con una masa tres veces superior a la de nuestro sol. Se estima que la masa de la materia luminosa y de la hipotética masa oscura del universo es aproximadamente la de diez mil millones de millones de soles. Incluso sin tener en cuenta la energía necesaria para impulsar la expansión del nuevo universo, suponer que una masa de, por ejemplo, cinco soles, colapsa en un agujero negro y explota hacia el otro lado como una masa de diez mil millones de millones de soles, parece ilógico. Probablemente, Smolin, al igual que Guth y otros teóricos,[14] está siguiendo las ideas de Tolman, pero se muestra menos ambicioso y crea un nuevo universo a partir de cinco masas solares en vez dehacerlo a partir de la nada. En el supuesto (4), Smolin admite que si los parámetros del primer universo fueran aleatorios es «más probable» (abrumadoramente probable, creo que sería más adecuado) que en cuestión de microsegundos este primer universo se inflara hacia el vacío o colapsara. Es decir, que el proceso evolutivo no empezara nunca. Para evitar esto, Smolin asume que los parámetros del primer universo, y de los universos posteriores, están afinados con precisión para que los universos puedan experimentar al menos un rebote. Sin embargo, la única justificación que ofrece para sustentar este supuesto es que es necesario para que su especulación funcione. Y además, la especulación no explica cómo se originó este universo progenitor. Lo cual le impide reivindicar un poder explicativo superior al que pueda tener el modelo ortodoxo del Big Bang inflacionario. El supuesto (8) implica que la física que maximiza la producción de agujeros negros es la física que permite la evolución de la vida, pero Smolin no ofrece ninguna base que sustente este supuesto. Por lo que a su base empírica se refiere, esta especulación plantea la existencia de un número enorme de universos que o han desaparecido o, en el caso de existir todavía, nos resulta imposible comunicarnos con ellos. Smolin, de todos modos, sostiene que su conjetura es verificable argumentando que predice los parámetros de la ley de la física de las partículas elementales que se acercan a un valor que maximiza el número de agujeros negros de nuestro universo. Se trata de un argumento circular. La especulación no puede verificarse con ningún método o medio conocido y de ahí que sea más una conjetura filosófica que ciencia. La gravedad cuántica de bucles Igual que sucede con la conjetura de Smolin, la mayoría de las hipótesis alternativas al modelo del Big Bang gestiona el problema de la singularidad especulando que, si echáramos hacia atrás la expansión, los efectos cuánticos impedirían la formación de una singularidad en la que el tiempo empieza o se detiene. Intentan unificar la teoría cuántica y la teoría de la relatividad y proponen un universo que colapsa al otro lado del Big Bang al cual está conectado nuestro universo a través de un túnel cuántico. De ser así, echarían por tierra la reivindicación principal del modelo del Big Bang, a saber, que el espacio y el tiempo surgieron en el Big Bang a partir de la nada. Un problema importante, que tanto Smolin como otros cosmólogos reconocen, es que todavía no disponemos de una teoría adecuada de la gravedad cuántica. Gravedad cuántica: la esperada teoría de la gravedad cuántica que permitiría que la energía gravitatoria se unificara con otras formas de energía en único marco teórico cuántico. Teoría cuántica: la teoría de que la energía es emitida y absorbida por la materia en cantidades minúsculas y discretas, cada una de las cuales se conoce como un cuanto que está relacionado con la frecuencia de radiación de la energía y, por consiguiente, posee propiedades tanto de las partículas como de las ondas. Dio lugar a la mecánica cuántica. El término se utiliza ahora en general para hacer referencia a todos los desarrollos teóricos subsecuentes. Abhay Ashtekar, sin embargo, declara con osadía que él y sus colegas del Penn State Institute of Gravitational Physics and Geometry han sido los primeros en ofrecer una descripción matemática robusta que establece sistemáticamente la existencia de un universo colapsado previo y deduce propiedades de geometría espacio-tiempo en dicho universo. Ashtekar y su equipo utilizan un enfoque denominado gravedad cuántica de bucles en el afirman demostrar que en vez del clásico Big Bang, lo que se produce es un rebote cuántico, al otro lado del cual hay un universo clásico como el nuestro. Ashtekar reconoce una limitación en su modelo, a saber, los supuestos de que el universo es homogéneo e isotrópico. «Es una aproximación que se hace en cosmología, aunque sabemos que el universo no es exactamente así. Así que la pregunta es cómo conseguir que el modelo sea cada vez más realista. Y eso es precisamente en lo que estamos trabajando».[15] El jurado está evaluando el modelo matemático, pero aun en el caso de que el veredicto emitido fuera «queda demostrado», la ciencia exigiría evidencias físicas que sustentaran cualquier prueba matemática, y nadie ha sugerido todavía cómo dichas evidencias podrían obtenerse. La cosmología de estado cuasi-estacionario En 1993, Fred Hoyle, Geoffrey Burbridge y Jayant Narlikar modificaron la teoría del estado estacionario a partir de las observaciones y presentaron lo que denominaron cosmología de estado cuasi-estacionario (CECE o QSSC, del inglés «Quasi-Steady State Cosmology»), que defiende que en el plazo de mil miles de millones de años el universo se expande hasta alcanzar un estado estacionario, pero que lo hace en ciclos de cincuenta miles de millones de años de expansión y contracción en los que la contracción nunca llega a cero, es decir, a una singularidad. Este equipo de astrónomos y astrofísicos postula que el responsable tanto de la creación contínua de materia como de la expansión del universo es un campo universal de creación, al que denominan campo C. El campo C tiene energía negativa y crea materia en forma de partículas de Planck, la partícula elemental con el máximo de masa posible: con una masa superior a esta, una partícula elemental quedaría superada por su propia fuerza gravitacional y colapsaría en un agujero negro.[16] El campo C solo tiene la fuerza necesaria para crear partículas de Planck cuando se encuentra cerca de unos objetos muy masivos, compactos y densos, que el equipo denomina agujeros casi negros (ACN o NBH, del inglés «near black holes»), que se encuentran en el centro de las galaxias. Se forman cuando la fuerza creciente del campo C impide que un objeto celeste en contracción alcance un radio de 2GM/c2, después de lo cual se convertiría en un agujero negro. Lo que hace entonces el objeto en contracción es ralentizarse hasta detenerse y empezar a rebotar contra el radio del agujero casi negro. Aquí, la fuerza del campo C es lo bastante potente como para crear partículas de Planck, de aproximadamente un centenar de milésimas de gramo, en un mini-bang no singular o evento de creación de materia (ECM o MCE, del inglés «matter creation event»). Dichas partículas se desintegran luego en muchas partículas más pequeñas, incluyendo entre ellas bariones (como protones y neutrones) y leptones (como electrones y neutrinos), con la producción de radiación, para formar la materia a partir de la cual evolucionan las galaxias. El campo C cobra fuerza cuando crea materia, incrementando tanto la producción de materia como de radiación. Sin embargo, la energía negativa del campo C actúa como fuerza repulsiva que expulsa del agujero casi negro la materia y la radiación recién creadas, por lo que podría considerarse como un «agujero blanco». En el modelo de la cosmología de estado cuasi-estacionario, la constante cosmológica es negativa, mientras que en el modelo ortodoxo es positiva. Por lo tanto, la materia y la radiación que se crean están sujetas a las dos fuerzas de atracción de la gravedad y de la constante cosmológica y a la fuerza repulsiva del campo de creación. La que domina de entrada es esta última, y la materia y la radiación se ven expulsadas del agujero casi negro a altísima velocidad, lo que provoca la expansión del universo. pi)¡um 5,2- Crrorifin de maten* en un afujeni mí nc^m (ACN) dnrnk la Jwrza envíente ¿r¡ amtpo C impide que un objeto crie/fe en arntiwwH afra/mr un radio de 2( ^.VíZr, después de lo nuil te aumwtina en un agujero negro Cuando la materia se expande la densidad disminuye y, con ella, la fuerza del campo C, hasta el punto que ya no puede seguir creando partículas de Planck. Las fuerzas de atracción de la gravedad y de la constante cosmológica pasan a ser dominantes y hacen queel universo se contraiga. Y cuando se contracta hasta alcanzar una densidad lo bastante elevada, el campo C adquiere la fuerza suficiente como para crear nueva materia y se inicia el siguiente ciclo.[17] Cuando la base teórica de todo esto se vió cuestionada, Hoyle destacó con ironía en una reunión de la Royal Astronomical Society que tuvo lugar en Londres en diciembre de 1994, que las ecuaciones relevantes de la cosmología de estado cuasi-estacionario son las mismas que las ecuaciones de la inflación correspondientes si se sustituye la letra griega «O» por la letra «C». Los defensores de la cosmología de estado cuasi-estacionario defienden que solo exige un supuesto, el campo C, y que el resto se obtiene a partir de la observación y queda explicado por la física normal, a diferencia del modelo ortodoxo, que tiene que recurrir a ideas como la de una era de gravedad cuántica, un campo de inflación, teorías de gran unificación, materia oscura desconocida y energía oscura desconocida para mantener la idea del Big Bang y la consistencia con las observaciones. Además, mientras que el Big Bang se produce una única vez y no puede ser observado, los eventos de creación de materia se producen constantemente y pueden ser observados en los chorros de plasma de las fuentes de radio y en explosiones de energía en forma de radio, rayos infrarrojos, visibles, ultravioleta y gamma de las zonas cercanas al centro de las galaxias. (La cosmología ortodoxa interpreta estas observaciones como emisiones de cuásares en las que la materia es absorbida por un agujero negro que se encuentra en el centro de galaxias muy remotas y, por lo tanto, muy jóvenes, véase página 146). Sus defensores defienden además que la cosmología de estado cuasi-estacionario ofrece una explicación mejor que la del modelo ortodoxo para otras observaciones. Por ejemplo, los cosmólogos ortodoxos aceptan la teoría de la nucleosíntesis estelar avanzada por Hoyle y sus colegas para explicar cómo todos los elementos, además del litio, se originan a partir de estrellas, pero afirman que solo el modelo ortodoxo demuestra que la cantidad observada de helio se corresponde con la generada a partir de la bola de fuego del Big Bang. Burbidge y Hoyle contraatacaron diciendo que es ilógico pensar que el helio pueda crearse mediante un método distinto: todos los elementos se originan a partir de estrellas, y la cantidad de helio observada en la actualidad incluye el helio producido en la escala de tiempo del universo de la cosmología de estado cuasi-estacionario, mucho más extensa que los 13,7 miles de millones de años defendidos (entonces) por la cosmología ortodoxa. Por otro lado, los cálculos muestran que la termalización de la energía irradiada por la producción estelar de helio genera casi exactamente la temperatura de 2.73 K del espectro de cuerpo negro del fondo cósmico de microondas (FCM) observada en la actualidad.[18] La termalización se consigue mediante la absorción de esta energía irradiada y la emisión de longitudes de onda milimétricas que producen las partículas de hierro en forma de aguja del medio intergaláctico. Estas agujas son resultado de explosiones de supernovas que expulsan átomos vaporizados de hierro que se enfrían y se condensan en forma de agujas minúsculas, no de bolas, tal y como se ha demostrado experimentalmente; este polvo de agujas es un absorbente y un emisor efectivo de radiación con longitudes de onda milimétricas. La evidencia de este polvo de agujas la proporciona la radiación del púlsar del Cangrejo, que muestra un vacío en su espectro en longitudes de onda milimétricas; la cosmología de estado cuasi-estacionario lo achaca a la absorción del polvo de agujas de hierro producido por la supernova del Cangrejo que dio como resultado el púlsar del Cangrejo. Un vacío similar aparece en el espectro de emisión del centro de nuestra galaxia, donde la actividad supernova se supone intensa. La cosmología de estado cuasi-estacionario explica que las heterogeneidades del fondo cósmico de microondas reflejan las heterogeneidades de la distribución del cúmulo galáctico en la fase de contracción mínima del ciclo anterior. Mientras que la cosmología ortodoxa tiene que invocar un cambio arbitrario en su constante cosmológica positiva para explicar el desplazamiento al rojo de las supernovas Tipo 1a, en la cosmología de estado cuasi-estacionario la constante cosmológica negativa se mantiene constante; estas supernovas aparecen más débiles de lo esperado porque su luz queda parcialmente absorbida por el polvo de agujas de hierro. Narlikar y Burbridge defienden que la observación astronómica acabará demostrando qué modelo refleja la realidad. La cosmología de estado cuasi-estacionario predice objetos muy débiles con desplazamiento al azul, que son fuentes de luz en el ciclo previo, cuando el universo era más grande que ahora; el modelo ortodoxo no los predice. La cosmología de estado cuasi-estacionario predice además la existencia de galaxias muy jóvenes formadas a partir de materia expulsada por el campo C en el transcurso de eventos de creación de materia relativamente recientes, mientras que el modelo del Big Bang defiende que las galaxias muy jóvenes tienen que ser muy remotas porque se formaron en la primera época del universo. Narlikar y Burbridge defienden que las observaciones astronómicas apoyan la predicción de la cosmología de estado cuasi-estacionario. Esto, sin embargo, depende de la interpretación de los desplazamientos al rojo.[19] La cosmología de estado cuasi-estacionario predice asimismo la existencia de estrellas muy antiguas formadas en el ciclo anterior. Por ejemplo, una estrella de la mitad de la masa solar formada entre cuarenta y cincuenta miles de millones de años debería ser ahora una gigante roja. En consecuencia, si se detectaran gigantes rojas con poca masa, quedaría confirmada la cosmología de estado cuasi-estacionario. El modelo ortodoxo, por otro lado, afirma que no puede existir materia anterior al Big Bang que se produjo hace 13,8 miles de millones de años. Narlikar y Burbridge lamentan que los defensores de la cosmología de estado cuasi-estacionario no disponen del tiempo que les gustaría para poder trabajar con telescopios, tipo el telescopio Hubble, y poder de este modo probar sus afirmaciones; los astrónomos ortodoxos defensores del Big Bang monopolizan los instrumentos, lo cual no es compatible con una investigación científica de carácter abierto. Los defensores del modelo ortodoxo de la cosmología rechazan la cosmología de estado cuasi-estacionario. Ned Wright, profesor de Astronomia de UCLA y científico de los proyectos COBE y WMAP, argumenta que el modelo de la cosmología de estado cuasi-estacionario es incompatible con los datos observados, y muy en particular con los cálculos relacionados con fuentes de radiación intensas, y sostiene que la afirmación de que el modelo coincide con los datos del fondo cósmico de microondas es falsa. Además, asevera que el artículo escrito en 2002 en el que se afirmaba que el modelo de la cosmología de estado cuasi-estacionario explica mejor los datos de las supernovas Tipo 1a, requiere que el universo tenga una opacidad óptica elevada, mientras que otro artículo del mismo año que defendía la conformidad del modelo con la anisotropía del fondo cósmico de microondas requiere una opacidad baja. «Estos artículos fueron publicados en distintas revistas y se refieren mutuamente como ejemplos de cálculos correctos del modelo de la cosmología de estado cuasi-estacionario, cuando en realidad se contradicen. Se supone que es un intento deliberado de engañar al lector informal».[20] La incorporación innecesaria de un ataque por un supuesto engaño por parte de Narlikar y Burbridge es un triste reflejo de la actitud que a menudo exhiben los creyentes en modelos cosmológicos distintos. Sin duda alguna, este tipo de reivindicaciones y reconvenciones seguirá existiendo mientrasexistan creyentes. Pero esta en concreto no durará mucho tiempo. Fred Hoyle falleció en 2001 y Geoffrey Burbridge en 2010, y Halton Arp nació en 1927 y Jayant Narlikar en 1938. Las generaciones de cosmólogos más jóvenes se han criado con las creencias ortodoxas y, para la inmensa mayoría, la investigación de vías alternativas ha dejado de ser una opción para hacer carrera académica en el mundo de la cosmología. La cosmología del plasma Eric Lerner, físico del plasma, publicó en 1991 un libro titulado The Big Bang Never Happened, en el que recopilaba evidencias obtenidas a partir de la observación que contradicen el modelo ortodoxo de la cosmología. Sostiene que ese modelo es un mito renovado de un universo creado a partir de la nada que viola una de las leyes de la física más comprobadas, el principio de conservación de la energía. Y que además, con el fin de reconciliar el modelo matemático con la observación, exige la presencia de tres importantes conjeturas —un campo de inflación, materia oscura y energía oscura— que carecen de base empírica. Basándose en el trabajo de Hannes Alfven, físico del plasma y laureado con un premio Nobel, Lerner propone una cosmología que, según él, representa observaciones astronómicas realizadas a partir de la física del plasma y la gravedad, ambas empíricamente demostradas. Asume para el universo, igual que los defensores del modelo ortodoxo, una geometría euclidiana, o plana, que ya conocemos (véase figura 3.2), pero propone que no tiene ni principio ni fin y que tampoco se expande. Según Lerner, dentro de este universo sin expansión, la teoría de la filamentación del plasma predice la creación de estrellas de masa intermedia durante la formación de galaxias así como la observada abundancia de los elementos ligeros. Las estructuras a gran escala —como las galaxias, los cúmulos y los supercúmulos—, se forman a partir de vórtices de filamentos comprimidos magnéticamente y ya que la conjetura propone que el universo no tuvo un principio, el tiempo que necesitan las estructuras a gran escala observadas para evolucionar a partir del desordenado plasma inicial, no tiene límite. La radiación emitida por las primeras generaciones de estrellas proporciona la energía necesaria para la aparición de eventos de creación de materia. La densa maraña de filamentos de plasma comprimidos magnéticamente que impregna el medio intergaláctico termaliza s isotropiza esta energía. Lo cual cuadra adecuadamente con el espectro del fondo cósmico de microondas y predice la absorción observada de ondas de radio. Además, el ajuste con la anisotropía del fondo cósmico de microondas, que contradice la cosmología ortodoxa, queda explicado porque la densidad de los filamentos absorbentes es superior localmente a lo largo del eje del supercúmulo local e inferior en los ángulos rectos con respecto a este eje.[21] Sospecho que muchos cosmólogos ortodoxos califican a Lerner de científico poco serio porque no es un académico. Es presidente de Lawrenceville Plasma Physics Inc. (compañía dedicada a la investigación de la energía de fusión), miembro del Institute of Electrical and Electronic Engineers, de la American Physical Society y de la American Astronomical Society, y ha publicado más de seiscientos artículos. Las evidencias que cita incluyen muchos artículos de astrónomos del ámbito académico y en 2014 publicó un artículo en coautoría con dos de estos astrónomos donde se compara el tamaño y la luminosidad de alrededor de un millar de galaxias cercanas y extremadamente remotas.[22] Afirma que los resultados contradicen la luminosidad de superficie predicha por un universo en expansión y que son consistentes con un universo que no se expande. Lo que podría denominarse modelo de universo estático evolutivo de la cosmología de plasma propone un universo eterno y, a diferencia de la cosmología de estado cuasi-estacionario, no requiere la creación de materia a partir de la nada. Explica la evolución observada del universo como una interacción de fuerzas físicas conocidas: electromagnetismo, gravedad y reacciones nucleares dentro de las estrellas y en rayos cósmicos. Sin embargo, en su desarrollo hasta el momento, no explica qué fue lo que provocó la existencia del plasma desordenado inicial de este universo eterno y qué fue lo que provocó la existencia de estas fuerzas físicas conocidas y las llevó a interactuar para que produjeran estados de materia más ordenados y complejos. La quintaesencia Paul Steinhardt, profesor Albert Einstein de Ciencias de la Universidad de Princeton, es otro cosmólogo dispuesto a pensar más allá de las cuatro paredes de la ortodoxia. En vez de utilizar, para un periodo de tiempo increíblemente breve, una constante arbitraria, Lambda, con un valor muy distinto del que descartó Einstein o el que introdujeron los inflacionistas, Steinhardt propuso que la energía oscura supuestamente responsable del aparente aumento en el ritmo de expansión del universo es en realidad un nuevo componente del universo. Puesto que los cosmólogos ya habían considerado previamente que la evolución del universo estaba determinado por cuatro componentes —bariones,[23] leptones,[24] fotones[25] y materia oscura[26]—, Steinhardt decidió ponerle el nombre de quintaesencia a este quinto elemento, rememorando la quinta esencia superior en la que creían los antiguos griegos y que consideraban el elemento del que estaba constituida la esfera celestial, a diferencia de los cuatro elementos básicos: tierra, aire, fuego y agua. Su principal diferencia con respecto a Lambda es que, mientras que la constante cosmológica tiene el mismo valor en todo el espacio y es inerte, la densidad de la quintaesencia disminuye lentamente con el tiempo y su distribución en el espacio no es uniforme. Los cosmólogos ortodoxos criticaron la quintaesencia destacando que las observaciones obtenidas hasta la fecha no mostraban evidencias de variaciones temporales o espaciales en la energía oscura. Lo cual descarta algunos modelos de quintaesencia pero, según Steinhardt, sigue dando cabida a un amplio abanico de posibilidades.[27] Sería más elegante un nuevo modelo que eliminara un Lambda arbitrario con un valor cincuenta veces inferior a la Lambda arbitraria del modelo inflacionario. Sin embargo, igual que sucede con el modelo ortodoxo, los modelos de quintaesencia no consiguen explicar de dónde proviene esta energía oscura variable. Posteriormente, Steinhardt y otros desarrollaron un modelo alternativo del universo que dice proporcionar esta explicación. Lo examino a continuación. El universo ecpirótico cíclico[28] Esta alternativa al modelo cosmológico ortodoxo se basa en la teoría M, la última versión de la teoría de cuerdas, que afirma que todo en el universo se reduce a cuerdas de energía infinitamente pequeñas. Las distintas masas y propiedades, tanto de las partículas elementales —electrones, neutrinos, quarks, etc. — como de las partículas de fuerza asociadas a las cuatro fuerzas de la naturaleza —las fuerzas fuertes y débiles, el electromagnetismo y la gravedad—, son simplemente un reflejo de las distintas formas de vibración de estas minúsculas cuerdas unidimensionales. La teoría M permite que las cuerdas se expandan, y una cuerda expandida se conoce como una brana (una abreviatura de membrana); estas branas pueden tener 0, 1, 2, 3 o cualquier cantidad de dimensiones. Con la energía suficiente, una brana puede alcanzar un tamaño enorme y ser incluso tan grande como nuestro universo. En 1999, Steinhardt y Neil Turok, entonces profesor de Física matemática en la Universidad de Cambridge, asistieron en esa universidad a una conferencia de cosmología en la que Burt Ovrut, teórico de cuerdas de la Universidad de Pensilvania, sugirió que nuestro universo consiste en tres grandes dimensiones espaciales observables (altura, anchura y longitud) en una brana, y seis dimensiones espaciales adicionales compactadas, demasiado pequeñaspara ser observadas, más una décima dimensión espacial —una línea finita— que separa esta brana de la brana de otro universo, que tiene también tres dimensiones espaciales grandes y seis dimensiones compactadas minúsculas. Como que ese otro universo ocupa dimensiones distintas, queda oculto a nuestra percepción. Lo cual planteó la pregunta de cómo podrían interactuar dos universos de este estilo. Steinhardt y Turok llegaron a la conclusión de que si esa décima dimensión espacial que separa los dos universos se contrajera hasta cero, la interacción liberaría una cantidad de energía enorme, como la que se liberó en el Big Bang; además, creyeron que un escenario de universos en colisión podría responder algunos de los problemas del modelo del Big Bang inflacionario de la cosmología ortodoxa. Los tres científicos, más Justin Khoury, uno de los estudiantes graduados de Steinhardt, desarrollaron entonces el modelo del universo ecpirótico, llamado así por la palabra griega que significa «salido del fuego» y que describe una antigua cosmología estoica en la que el universo experimenta un ciclo eterno de ardiente nacimiento, enfriamiento y renacimiento. Este modelo ecpirótico encontró también problemas y Steinhardt y Turok lo desarrollaron para producir una versión cíclica que tiene el ambicioso objetivo de explicar «toda la historia del universo, pasada y futura, bajo un punto de vista eficiente y unificado».[29] Lo basaron en tres ideas: a. El Big Bang no es d lineco dd l¡ampo sino una llr■an^it■iiót a partir de una fase anterior de evolución. b. La evolución del universo es cíclica. c. Los hechos clave que eonfornaron la ert¡rJCiilra dd umvcrso se produíeron durante una fase de contracción lenta de la décima dimensión antes del Big Bang y no durante un periodo increíblemente breve de expansión inflacionaria después del Big Bang. La construcción de su modelo matemático se basó en tres supuestos. Los dos primeros son los siguientes: 1. La leoriíi M es vállda. En palr¡cillalr las parttc^as observabbes de itllcst^o universo —protones, electrones, etc. — están en nuestra brana: cualquier partícula que se encuentre en la brana del otro universo puede interactuar gravitacionalmente con partículas de nuestra brana, pero no electromagnéticamente ni de ninguna otra manera. 2. Las dos birania se artaen i^llrtilall^cene mediante una fucer/a siimiair a la de un muelle que es muy débil cuando las dos branas están a una distancia de miles de unidades de longitud de Planck (que sigue siendo una distancia increíblemente pequeña), como sucede en la actual fase de evolución del universo, pero cuya fuerza aumenta a medida que las branas se acercan. La figura 5.3 ilustra el ciclo. «Usted está aquí» indica la fase actual del ciclo (la brana de la derecha es una representación bidimensional de las tres dimensiones observables de nuestro universo). La energía oscura dinámica (la quintaesencia) incrementa el ritmo de expansión del universo de tal modo que, en el transcurso del próximo millón de millones de años, toda la materia y la radiación se diluirán exponencialmente hasta que la densidad de la materia sea inferior a un único electrón por mil millones de millones cúbicos de años luz de espacio: en efecto, cada brana es un vacío casi perfecto y casi perfectamente plano. En este punto, la fuerza de atracción entre branas toma el relevo. Al atraer las dos branas, su fuerza aumenta y detiene la expansión acelerada de las branas. No existe contracción de las tres dimensiones grandes de las branas, sino solo de la décima dimensión adicional (una línea) que se sitúa entre ellas. A pesar de que cada brana es un vacío casi perfecto, cada una de ellas posee una energía de vacío enorme. A medida que se aproximan, los efectos cuánticos hacen que estas branas planas se ondulen antes de establecer contacto y se separen con una liberación explosiva de energía que sería el Big Bang; las dos branas rebotan y alcanzan la separación máxima casi de inmediato. Puesto que el contacto se produce primero entre los picos ondulados, la explosión de energía no es exactamente homogénea: los puntos calientes corresponden a los picos ondulados y los puntos fríos a las depresiones. Cuando la bola de fuego de energía de cada brana se expande y se enfría, la materia se condensa fuera de los puntos calientes y evoluciona en cúmulos galácticos, mientras que los puntos fríos forman los vacíos intermedios. Las branas se expanden a un ritmo decreciente, como en el modelo del Big Bang, hasta que su densidad de energía queda lo suficientemente diluida para que domine la densidad de energía potencial entre branas. Esta densidad actúa como una fuente de energía oscura que acelera la expansión de las branas, con lo que se vuelve al inicio y el ciclo continúa. Pero a diferencia de lo que sucedía con los ciclos de Tolman, aquí no se produce reciclaje de materia y la entropía no aumenta en cada ciclo; los ciclos ecpiróticos de millones de millones de años se repiten eternamente. Para que el modelo funcione se necesita un tercer supuesto. 3. Las branas sobreviven a la collsión. Esta collsión es una sinngilaridad en el sentido de que se produce la desaparición momentánea de una dimensión, pero las demás dimensiones existen antes, durante y después de la colisión. Steinhardt y Turok afirman que su modelo matemático posee todas las ventajas del modelo ortodoxo del Big Bang inflacionario en cuanto a que predice la producción de elementos en la proporción conocida hoy en día, un universo observable que es casi homogéneo pero con heterogeneidades suficientes como para que se formen cúmulos de galaxias mediante la atracción gravitacional de materia y las ondas observadas en un fondo cósmico de microondas isotrópico. Defienden que presenta la ventaja adicional de la parsimonia: requiere modificaciones mínimas del modelo básico del Big Bang para ser consistente con la observación. Las ondas de la materia y la energía de la radiación no surgen de un añadido inflacionario, lo que invocaría una constante cosmológica arbitraria, sino que están ya impresas en la liberación de energía del Big Bang que produce la ondulación de la brana cuando las dos branas-universo vacías y frías se aproximan entre sí antes de establecer contacto. La energía oscura no es la reaparición inexplicable de la constante cosmológica con un valor considerablemente inferior; sino que, como quintaesencia dinámicamente evolucionada, juega un papel fundamental s lo largo de cada ciclo. El problema de la singularidad no existe porque ni la densidad ni la temperatura llegan al infinito durante la transición desde la colisión de las branas hasta el Big Bang. Más aún, el modelo responde a la pregunta de cómo se iniciaron el tiempo y el espacio en el Big Bang. No se iniciaron. Desde la perspectiva de nuestro espacio de tres dimensiones y una sola dimensión temporal, «parecen» haberse iniciado pero, en el megaverso de diez dimensiones espaciales en el que está incrustado nuestro universo observable tridimensional, el espacio es infinito y el tiempo es continúo: los ciclos se prolongan eternamente. La respuesta a esta hipótesis que tantos problemas resuelve, aparentemente, resulta reveladora, sobre todo teniendo en cuenta que Steinhardt había desarrollado en un principio un modelo inflacionario.[30] En el transcurso de una conferencia, Andrei Linde, fundador de una de las conjeturas inflacionarias que el modelo ecpirótico desafía, dibujó la caricatura de uno de los gráficos en forma de U utilizados por Turok y cortó por la mitad la U. En la conferencia de la USA’s National Academic of Sciences de 2006, Alan Gurth, otro fundador de la conjetura de la inflación, respondió a la presentación de Turok mostrando una transparencia con un mono.[31] Respuestas de este estilo no cumplen con lo que sería un debate razonable. Para defender que el modelo del universo ecpirótico cíclico es fallido, otros teóricos afirmanque el tercer supuesto no es válido: argumentan que cuando las branas entran en contacto, la dimensión extra que separa las dos branas pasa de ser infinitamente pequeña a cero, se produce, pues, una singularidad y las leyes de la física se desmoronan, como sucede en el modelo básico del Big Bang. Steinhardt reconviene diciendo que, debido s las condiciones especiales que se obtienen cuando las dos branas colisionan, no se produce ninguna singularidad, mientras que otros teóricos especulan que las branas rebotan y se distancian antes de la colisión, evitando con ello una singularidad.[32] Actualmente es imposible establecer —matemáticamente o a cualquier otro nivel— quién lleva la razón, del mismo modo que actualmente es imposible establecer si en el modelo básico del Big Bang existe o no una singularidad. Si el modelo del universo ecpirótico cíclico pretende satisfacer su ambicioso objetivo de explicar la historia del universo, tanto pasada como futura, con un enfoque eficiente y unificado, deberá responder s cinco preguntas. En primer lugar, ¿se conserva la energía? La materia y la energía de radiación producidas por la colisión de las dos branas —una de las cuales crea el universo que vemos ahora— no se transforman en nada. Al final del ciclo, permanecen en su brana, aunque estresadas hasta tal nivel de dilución que sus componentes quedan más allá de sus horizontes de contacto. En el ciclo siguiente, la colisión de branas produce una nueva masa-energía que es exponencialmente mayor s la producida en el ciclo anterior. Según Steinhardt y Turok, esto no viola el Principio de conservación de la energía. Igual que en las otras conjeturas en competencia —a excepción de la cosmología del plasma—, el modelo del universo ecpirótico cíclico afirma funcionar con gravedad: la energía necesaria para producir continuamente nueva materia y nueva energía de radiación, además de la energía cinética positiva necesaria para expandir esta materia casi infinitamente densa contra la atracción gravitatoria de sus componentes, proviene del campo de energía gravitatoria negativa que aumenta con cada ciclo. Ya he cuestionado la validez de este argumento al hablar sobre la energía neta cero del universo en el capítulo 4.[33] Depende del supuesto de que el cosmos se creó s partir de la nada; asume además que la gravedad es una fuente de energía infinita. En segundo lugar, ¿describe el modelo de universo ecpirótico cíclico un universo eterno? Parece que sí, teniendo en cuenta que realiza dos supuestos adicionales: 4. Las tres dimensiones espaciales que observamos pueden expandirse, detenerse y expandirse más en el ciclo siguiente, sin límite alguno de distancia; y 5. el número de ciclos es ilimitado. Las ecuaciones permiten estos supuestos. Pero hacerlo significa extrapolar teoría física basada en la evidencia no solo más allá de lo que es verificable, sino también hasta el infinito; sacan el modelo del ámbito de la ciencia para convertirlo en una conjetura filosófica. Además, los supuestos cuarto y quinto plantean la pregunta de qué sucede si hacemos retroceder los ciclos hasta el punto en que se inició la expansión. En 2004, Steinhardt y Turok sugirieron que «la historia más probable es que los ciclos estuvieran precedidos por un inicio singular»,[34] aunque posteriormente Steinhardt dijo que eliminaría las palabras «más probable» porque los argumentos que había utilizado eran débiles. La respuesta s la pregunta sobre si el modelo es realmente eterno permanece abierta.[35] Pero no puede ser eterno si el universo aumenta de tamaño en cada ciclo porque si retrocedemos en el tiempo, llegaríamos al punto en que la expansión sería infinitamente pequeña, lo que daría lugar a una singularidad inicial. Si hubo un inicio singular, Steinhardt y Turok consideran un efecto denominado «túnel a partir de nada», una forma de crear cuánticamente espacio, tiempo, materia y energía, todo en uno.[36] Pero esto dependería de la existencia previa de un campo cuántico, lo cual no es «nada». La tercera pregunta es: ¿cuál es la naturaleza de la fuerza que se produce entre las branas, que sería similar a la que ejercería un muelle, y que actúa en esa hipotética décima dimensión, y cómo podría verificarse su existencia? No tenemos información al respecto. El cuarto conjunto de preguntas sería: ¿por qué dos branas-universo distintas tendrían que estar tan cerca la una de la otra y, además, colocadas en paralelo? Se trata de un supuesto matemáticamente exigido para que se cumpla la teoría M, donde la décima dimensión espacial es una línea que une dos branas cuya existencia es necesaria para que existan partículas con distintas propiedades de espín. En efecto, las dos branas-universo comparten esta décima dimensión. Lo que implica que el universo va necesariamente por parejas. ¿Pero por qué tendría que ser así, excepto para que la teoría M sea consistente con la evidencia de que existen partículas con distintas propiedades de espín? En principio, la longitud de esta línea de la décima dimensión no tiene límite; en la práctica, no puede tener más de un milímetro pues, de lo contrario, la teoría M produce efectos gravitatorios inconsistentes con lo que observamos. Witten y Horava sugirieron que, para que la teoría M sea consistente con la observación, la dimensión adicional tendría que ser de unas diez mil unidades de Planck (10-28 centímetros), y esta es la longitud que Steinhardt y Turok adoptaron como hipótesis de trabajo. Y mantienen que las dos branas-universo son paralelas porque curvarlas exigiría mucha energía y el ciclo repetitivo es lo que las mantiene alineadas así.[37] De ahí que la respuesta a este cuarto conjunto de preguntas dependa de la quinta pregunta: ¿es válida esa teoría M en la que se basa todo? Consideraré esto de aquí a dos secciones. Steinhardt y Turok han dicho posteriormente que su modelo no se sustenta sobre la teoría M. El modelo funciona cuando eliminamos las seis dimensiones espaciales, demasiado pequeñas para ser observadas, y sustituimos la décima dimensión espacial (la distancia entre las branas en la teoría M) por un campo escalar que desempeña el mismo papel. El resultado es un modelo matemático que no es precisamente más exótico que los modelos de la inflacion.[38] Y tampoco es empíricamente más verificable que muchos modelos inflacionarios basados en un campo escalar igualmente arbitrario. El paisaje de posibilidades de la teoría de cuerdas A partir de la teoría de cuerdas surge otra conjetura. Leonard Susskind afirma que no hay razón para limitar la vibración de las cuerdas de energía fundamental para que produzcan solo aquellas partículas y fuerzas que nosotros observamos. En una miríada de universos distintos, las cuerdas vibran de formas distintas para producir una miríada de partículas y fuerzas distintas y, en consecuencia, una miríada de leyes físicas distintas y constantes cosmológicas distintas, etc. Susskind lo denomina el «paisaje de posibilidades» de la teoría de cuerdas.[39][40] Esto respondería al problema de afinación de los parámetros cosmológicos: ¿por qué nuestro universo emergió tal y como es cuando podría haber sido de otra manera? El paisaje de posibilidades de la teoría de cuerdas significa que nuestro universo no tiene nada de especial. Es simplemente un universo donde las cuerdas vibran de tal manera que generan las leyes de la física y las partículas que observamos; en una miríada de universos más, son distintas. Problemas de la teoría de cuerdas Una teoría que unifica partículas y fuerzas elementales, incluida la gravedad, y la teoría cuántica y la de la relatividad es el santo grial de la física. La teoría de cuerdas, que afirma hacer eso sustituyendo las sesenta y una partículas «elementales» del Modelo Estándar de la Física de Partículas por una cuerda de energía, e incorporando la gravedad, ha atraído a las mentes más brillantes de la física teórica, y no solo por su innegableatractivo conceptual sino también por su elegancia matemática. Era aparentemente el presagio de una nueva era en la física (una conferencia sobre teoría de cuerdas que se celebró en Harvard llevaba el nombre de Seminario de física postmoderna) y sus defensores están tan convencidos de que es cierta, que los hay que incluso han dejado de lado la norma de la verificación experimental u observacional para buscar solo la demostración matemática. Pero esto plantea una pregunta con la que ya nos hemos tropezado antes: ¿constituyen realmente una teoría científica esos diversos modelos matemáticos (modelos que pueden emplear de inmediato menos o más dimensiones que las tres dimensiones espaciales y la única dimensión temporal que percibimos)? Según muchos y respetados teóricos (incluyendo entre ellos al Premio Nobel Sheldon Glashow, al cosmólogo matemático Sir Roger Penrose y al físico teórico y antiguo teórico de cuerdas Lee Smolin), la respuesta es no. Las bases sobre las que se sustenta este punto de vista son las siguientes: Teoría inadecuada Las versiones iniciales de la teoría de cuerdas requerían veinticinco dimensiones de espacio, una partícula que viajara s mayor velocidad que la luz y partículas que nunca podían quedar en reposo.[41] Estas diferencias con el mundo que observamos serían, s todas luces, un problema relevante para la teoría. En vista del escepticismo despertado entre los teóricos físicos, los pioneros desarrollaron la teoría de cuerdas durante la década de los 70 y hasta 1984, momento en el cual John Schwarz y Michael Green convencieron a Ed Whiten, un destacado físico matemático, de que una teoría de cuerdas que utilizara nueve dimensiones espaciales más la supersimetría —de ahí la «supercuerda»— era una buena candidata para una teoría unificada del todo. De pronto, la teoría de las supercuerdas se convirtió en el último grito de la física teórica. Surgieron entonces cinco teorías de cuerdas matemáticamente consistentes, cada una de las cuales postulaba la existencia de diez dimensiones: una de tiempo, las tres dimensiones espaciales que observamos, y seis dimensiones espaciales adicionales que son demasiado pequeñas como para poder ser observadas. Pero algunas simetrías implicaban que las teorías de cuerdas no podían explicar la existencia de partículas materia, como electrones y neutrinos, con propiedades de espín a izquierda o s derecha (lo que se conoce como quiralidad), tal y como exige la teoría cuántica. Además, la existencia de cinco teorías distintas indicaba algún error. De modo que la teoría de cuerdas acabó pasando de moda. Witten «solucionó» este segundo problema en 1995, cuando propuso que las cinco teorías podían unirse en una teoría M que incorporaba al modelo una onceava dimensión. Esto permite que las cuerdas se expandan en una brana, que puede tener todas las dimensiones que se deseen.[42] No existe ninguna condición de simetría, lo que permite que en una brana exista un universo con partículas con propiedades de espín a izquierda y derecha. La teoría de cuerdas volvió a ponerse de moda. Sin embargo, ni Witten ni nadie ha formulado todavía una teoría M más elaborada. Tal y como Joan Magueijo, por aquel entonces profesor en el Imperial College de Londres, expresó con su típica brusquedad, «la gente de la teoría M lo afirma [que todas esas teorías de cuerdas y membranas se han unificado en un único invento, la teoría M] con tal fervor religioso, que a menudo se pasa por alto que la teoría M no existe. No es más que una expresión utilizada para referirse a una teoría hipotética que en realidad nadie sabe cómo presentar».[43] Incluso David Gross, Premio Nobel, destacado teórico de cuerdas y antiguo mentor de Witten, reconoce que «estamos todavía muy lejos de entender qué es realmente la teoría de cuerdas».[44] La teoría afrontó un tercer problema importante en 1998, cuando muchos cosmólogos, en su interpretación de la oscuridad de las supernovas Tipo 1a con gran desplazamiento al rojo, llegaron a la conclusión de que el universo inició una expansión acelerada después de unos diez mil millones de años, y que esto exigía incorporar una constante cosmológica positiva al modelo matemático ortodoxo.[45] Las teorías de las supercuerdas revisadas no solo no habían predicho esto, sino que una de sus escasas conclusiones había sido que la constante cosmológica solo podía ser igual a cero o negativa. Witten reconoció en 2001: «No conozco ninguna manera clara de llegar al espacio de De Sitter [un universo con una constante cosmológica positiva] a partir de una teoría de cuerdas o una teoría M».[46] Un grupo de teóricos de Stanford «solucionó» este tercer problema a principios de 2003 cuando presentaron otra versión en la que, entre otras cosas, envolvían teóricamente con antibranas las seis dimensiones no observables y elegían valores de parámetros que producían una constante cosmológica positiva. Sin embargo, tanto el resultado de este como de otros trabajos implica la existencia de 10.500, o una infinidad, de teorías de cuerdas. Susskind reconoció que «Podríamos decir que la esperanza de que surja una solución matemáticamente única [a partir de este paisaje de teorías de cuerdas] es un acto de fe similar al del DI [Diseño Inteligente]».[47] Lo cual sitúa la teoría M, subyacente en el modelo, en el ámbito de la fe, no en el de la ciencia. Y por lo que a la teoría de las supercuerdas se refiere, si existen infinitas versiones no hay entonces ninguna que pueda falsarse, lo que la llevaría a no superar el test de Popper, sobre lo que constituye una hipótesis científica. En 2003, Dan Frieda, teórico de cuerdas desde 1985, llegó a la conclusión de que «la teoría de cuerdas, tal y como se presenta en la actualidad, es incapaz de ofrecer explicaciones precisas a los conocimientos que tenemos del mundo real y es incapaz de realizar predicciones precisas. La fiabilidad de la teoría de cuerdas no puede evaluarse, y mucho menos establecerse. La teoría de cuerdas, tal y como está actualmente, no posee credibilidad para ser candidata a teoría fisica».[48] Según Smolin, «la búsqueda por parte de la teoría de cuerdas de una teoría de la naturaleza única y unificada ha llevado a conjeturar un número infinito de teorías, ninguna de las cuales puede exponerse con detalle. Y si son consistentes, conducen a un número infinito de universos posibles. Además de esto, todas las versiones que podemos estudiar con cierto nivel de detalle discrepan de la observación. [...] Los que creen en estas conjeturas se hallan en un universo intelectual muy distinto al de aquellos que insisten en creer solo lo que las evidencias sustentan».[49] Estos universos distintos están separados por algo más que una diferencia de puntos de vista con respecto a la necesidad de base empírica. Según Smolin y Peter Woit,[50] el dominio de los teóricos de cuerdas en los comités estado que deciden los nombramientos y las becas académicas en los Estados Unidos en el campo de la física teórica dificulta que enfoques alternativos obtengan subvenciones. Dibujan la imagen de un culto que lleva a cabo prácticas dudosas para acallar las opiniones discordantes de otros físicos. La amargura de las disputas entre los teóricos de cuerdas y sus críticos queda ejemplificada con la denigración que supuso la crítica que el profesor adjunto de Harvard, Lubos Motl, realizó en Amazon.com del libro que Smolin publicó en 2006, Las dudas de la física en el siglo xxi: ¿es la teoría de cuerdas un callejón sin salida?.[51] Woit contratacó el comentario con otra crítica, alegando que la crítica de Motl era deshonesta y acusando a Motl de haber ofrecido veinte dólares a todo aquel que publicara un comentario de su propio libro con la máxima puntuación. Transcurrida una semana, Amazon eliminó ambas críticas. Falta de base empírica Una teoría en la que llevan trabajando los mejores cerebros del campo de la física desde hace más de treinta años deberíahaber conseguido una base empírica importante. Sin embargo, una cuerda es cien mil millones de millones de millones más pequeña que los protones del núcleo de un átomo. Dicho de otro modo, si escaláramos un átomo al tamaño del sistema solar, una cuerda tendría el tamaño de una casa. Lo cual significa que no existe por el momento forma alguna de poder detectar cuerdas. De todas maneras, defensores de la teoría de cuerdas, como Brian Green, creen —el verbo «creer» se utiliza más de lo que cabría esperar en las publicaciones científicas y en las entrevistas a científicos especialistas— que las predicciones de la teoría son validables. Uno de los requisitos de las teorías de las supercuerdas es la supersimetría, que afirma que para cada partícula subatómica que conocemos, como podría ser un electrón o un protón, existe una pareja mucho más potente denominada «super compañera». Pero la supersimetría no depende de la teoría de cuerdas —hay otras hipótesis, como la extensión supersimétrica mínima del Modelo Estándar y la gravedad cuántica de bucles que la exigen o son compatibles con ella[52]— y, en consecuencia, no es una predicción única cuya confirmación validaría la teoría de cuerdas. Además, nadie ha detectado nunca una súper compañera. A pesar de que hay investigadores que albergan esperanzas, parece poco probable que ni siquiera el renovado Gran Colisionador de Hadrones, que en 2015 inició operaciones de energía mucho más potentes, pueda conseguirlo. La predicción fundamental de la teoría de las supercuerdas por lo que respecta al origen de nuestro universo es que existen otras dimensiones con las que no podemos comunicarnos. Greene cree que es una predicción demostrable, incluso validable, utilizando otra predicción de las teorías de las supercuerdas, esta vez sobre los gravitones, hipotéticas partículas desprovistas de masa que transmitirían la fuerza de gravedad. Las teorías de las supercuerdas defienden que si en nuestro universo la gravedad es tan débil en comparación con las demás fuerzas de la naturaleza, es porque las cuerdas de las que consisten los gravitones son bucles cerrados que no están confinados a la brana en la que existe nuestro universo de tres dimensiones espaciales observables: un gravitón puede moverse hacia otras dimensiones. Por lo tanto, si un detector de partículas observara la desaparición repentina de un gravitón, habría una base experimental suficiente para sustentar la predicción de la teoría de cuerdas sobre la existencia de dimensiones adicionales. Sin embargo, nadie ha detectado todavía un gravitón, y mucho menos un gravitón que desaparezca de forma repentina. Amazon.com De ahí que debamos llegar a la conclusión de que no existe forma predecible de verificar las afirmaciones de los teóricos de las supercuerdas y de que su principal reivindicación es, a todas luces, no comprobable. A pesar de que la idea de que toda la energía y la materia consisten en cuerdas de energía me resulta intuitivamente más atractiva que la de sesenta y una partículas fundamentales, en este momento no es más que una idea que ha cosechado diversas expresiones matemáticas. A partir de aquí utilizaré la expresión conjetura de cuerdas o «teoría» de cuerdas para dejar claro que esta idea no satisface el criterio principal de una teoría científica, tal y como hoy en día la entendemos. El universo y sus definiciones Como hemos visto, la palabra «universo» se aplica hoy en día a cosas muy distintas. Para evitar malentendidos, definiré el concepto tanto de este término como de términos relacionados. Universo: toda la materia y energía que existe en la única dimensión de tiempo y las tres dimensiones de espacio que perciben nuestros sentidos. Universo observable: la parte del universo que contiene materia capaz de ser detectada mediante la observación astronómica. Según la cosmología ortodoxa actual, queda circunscrito por la velocidad de la luz y por el tiempo, puesto que la materia y la radiación se escindieron unos 380.000 años después de que el universo empezara a existir a partir del Big Bang. Megaverso: un hipotético universo con más dimensiones en el que estaría incrustado nuestro universo de tres dimensiones espaciales. Algunas especulaciones defienden que el cosmos comprende muchos megaversos. Cosmos: todo lo que existe, incluyendo varias dimensiones hipotéticas adicionales a las tres dimensiones de espacio y una de tiempo que percibimos, así como otros universos con los que no tenemos contacto físico y de los que no podemos obtener información observable o experimental. Multiverso: un cosmos hipotético que contiene nuestro universo más múltiples, e incluso infinitos, universos con los que no tenemos contacto físico y de los que no podemos obtener información observable o experimental. Se han propuesto distintos tipos de multiverso, cada uno con distintas propiedades. Conclusiones Ninguna modificación del modelo del Big Bang inflacionario ni ninguna otra conjetura proporcionan hoy en día una explicación científica satisfactoria, excepto matemática, al origen de la materia de la que estamos formados ni a por qué el universo adoptó la forma, y no otra, que permitió la evolución del ser humano. Tiene que haber una explicación —y es posible que alguna de estas conjeturas acabe proporcionándola—, pero la cosmología actual tiene problemas para superar los test que diferencian la ciencia de la creencia con carácter especulativo. Consideraré este tema en el siguiente capítulo. [1] Hawking (1988), pp. 132-141. [2] Véase página 85. [3] Penrose (2004), pp. 769 772. [4] Linde (2001). [5] Véase página 113. [ó^tado en Science & Technology News, 1 de mayo de2004, p. 3. [7] Guth (1997), pp. 250 252. [8] Linde (2001). [9] Borde, Arvind y Alexander Vilenkin, «Eternal Inflation and the Initial Singulsrity», PhysicalReview Letters 72: 21, 1994, pp. 3305 3308. [10] Magueijo (2003). [11] Bsrrow, John D., «Einstein and the Universe», Conferencia ofrecida en Gresham College, Londres, 18 de octubre de 2005. [12] El efecto acumulativo de pequeños cambios genéticos que se producen en generaciones sucesivas de los miembros de una especie que conduce al dominio de aquellos miembros cuyas mutaciones los hacen más adaptados para competir y sobrevivir; las mutaciones acaban produciendo una nueva especie cuyos miembros no se reproducen con los de la especie original. [13] Smolin (1998), pp. 112-132. [14] Véase página 95 para el argumento de Guth sobre la energía neta cero del universo. [15] Ashtekar, Abhsy, et al., «Quantum Nature of the Big Bang: An Analytical and Numerical Investigation», Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology), 73: 12, 2006, 124038. [16] Véase Masa de Planck en el glosario para una explicación más completa. [17] Narlikar y Burbidge (2008), capítulo 15. [18] Véase página 75. [19] Véase página 146. [20] Ned Wright, tutorial sobre Cosmología, 2004, http://www.astro.ucla.edu/~wright/stdystat.htm . [21] Lerner (1992), actualizado en http://www.bigbangneverhappened.org/index.htm . [22] Sccrps, Riccsrdo, et al., «UV Surface Brightness of Galaxies from the Local Universe to Z ~ 5», International Journal of Modern Physics, D 23: 6, 2014,1450058. [23] Partículas subatómicas pesadas, como los protones y los neutrones. [24] Partículas elementales ligeras o prácticamente carentes de masa que no interactúan a través de la fuerza nuclear fuerte, como los electrones. [25] Cuantos de energía electromagnética carentes de masa. [26] La forma o formas desconocidas de materia no radiante invocadas para que la teoría sea consistente con la observación. [27] Steinhardt, comunicación personal, 24 de junio de 2007. [28] Steinhardt lo denomina universo cíclico, pero yo utilizo el término universo ecpirótico cíclico para diferenciarlo de otros modelos cíclicos, como el universo oscilante cíclico de Tolman y los ciclos de la cosmología de estado cuasi-estacionario. [29] Steinhardt, Paul J. y NeilTurok, «The Cyclic Model Simplified», Departamento de Física, Princeton University, 2004. http://www.phy.princeton.edu/~steinh/dm2004.pdf . Consultado el 11 de marzo de 2007. [30] Véase página 68. [31] Leake, Jonathan, «Exploding the Big Bang», The Sunday Times, Londres, 20 de Agosto de 2006, p. 14. [32] Steinhardt, comunicación personal, 9 de marzo de 2007. [33] Véase página 95. http://www.astro.ucla.edu/%257Ewright/stdystat.htm http://www.bigbangneverhappened.org/index.htm http://www.phy.princeton.edu/%257Esteinh/dm2004.pdf 134|Stainliarclt y Turok (2004), (2007). 13e|n^tainlimlt. comunicación personal, 12 de marzo de 2007. [36] Ibid. [37] S^íaii^:t^^it, comunicación personal, 30 de abril y 7 de mayo de 2007. [38] S^íaii^:t^^it, comunicación personal, 20 de agosto de 2014. 139 ] Sunski lid (2005). [40] Susskind 1 uddunminn «megaverso», perocomoheutilizzddestetérminnpara describir el universo de diez dimensiones espaciales de la teoría de las súper-cuerdas, etiquetaré la versión de Susskind como una especulación sobre el cosmos, pues invoca una miríada de megaversos. [41] Smolin (2007), p. 105. [42] Undpertícotapautosoco»didnraundb3avddnccrad1megdio»dr, undcosran como una brana de una dimensión, una membrana es una brana bidimensional, y así sucesivamente. MSJMagoeijo (2003), p. 239. [44] Gross, David «Viewpoints on String Theory», WGBH, 2003, http:/.7www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-gross.html. Consultado el 15 de Agosto de 2006. [45] Véase página 90. [46] C^^io en Smolin (2007), p. 154. [47] C^^io en ibíd., p. 197. |48|nviedan. D., «A Tentative Theory of Large Distance Physics», Journal of High Energy Physics, 2003, 10, pp- 1-98. [49] Smolin (2007), p. 198. [50] Woit (2006) [51] Zas dudas de la física en el siglo xxi: ¿es la teoría de cuerdas un callejón sin salida?, Críticd, Barcelona, 2007. [52] Smolin (2007), p. 176. http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-gross.html CAPÍTULO 6. LOS PROBLEMAS DE LA COSMOLOGÍA COMO MEDIO EXPLICATIVO Cuando los científicos generamos ideas teóricas deberíamos ser temerariamente radicales, pero a la hora de interpretar las evidencias, todos deberíamos ser tremendamente conservadores. Peter Coles, 2007 La fe en la teoría suele triunfar sobre las evidencias. George Ellis, 2005 Para que una explicación sea científica, debe ser verificable. Y de un modo más concreto, los criterios científicos generalmente aceptados decretan que la validez de la explicación de una cosa depende de nuestra capacidad de detectar y compilar, y s ser posible medir, datos al respecto de dicha cosa, interpretar correctamente esos datos y extraer una conclusión provisional, o hipótesis, a partir de los datos a modo de base a partir de la cual realizar predicciones o retrodicciones que puedan ser verificadas mediante observación o experimentación y que verificadores independientes puedan confirmar o rechazar. La cosmología es distinta de otras ramas de la ciencia, como la química o la biología, en tres aspectos: solo tenemos un universo; formamos parte de él; y es incomparablemente grande. No podemos experimentar con él cambiando su temperatura, su presión o sus condiciones iniciales, por ejemplo, ni tampoco podemos compararlo con otros universos porque, por definición, el universo es todo lo que nuestros sentidos pueden percibir; no podemos observarlo desde el exterior; y su tamaño presenta retos colosales. Estos factores juegan un papel muy importante en cuatro problemas interrelacionados a los que se enfrenta la cosmología en su intento de explicar el origen y la evolución de la materia: dificultades prácticas, interpretación de los datos, teoría inadecuada y limitaciones intrínsecas. Dificultades prácticas Las dificultades prácticas se dividen en dos categorías: límites de detección y problemas de medición. Límites de detección Si la teoría de la relatividad es válida, no existe nada capaz de viajar más rápido que la velocidad de la luz. Y esto crea el horizonte de partículas. Horizonte de partículas: es imposible estar causalmente influidos, obtener información e interactuar con toda partícula, independientemente de que tenga masa positiva o masa cero, que esté más alejada de nosotros que la distancia que pueda recorrerse a la velocidad de la luz desde que empezó el tiempo. Si el relato de la cosmología ortodoxa actual es válido, nos enfrentamos a un segundo límite de detección. Horizonte visual: según el modelo del Big Bang, solo podemos retroceder hasta el momento de la escisión entre materia y radiación electromagnética (estimado actualmente 380.000 años después del Big Bang) porque antes de eso los fotones estaban dispersos por la interacción continua del plasma inicial, lo que hacía que el universo fuera opaco. Lo que significa que no podemos detectar radiación electromagnética de épocas anteriores. Problemas de medición El desarrollo de la tecnología desde los años 60 del siglo pasado ha permitido la aparición de un amplio abanico de medios y métodos más precisos para la detección de los fenómenos cósmicos. En la actualidad, no solo podemos realizar observaciones visuales, sino que además podemos detectar emisiones en todo el espectro electromagnético de ondas de radio, microondas, luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Inventos como los dispositivos de carga acoplada y la fibra óptica, junto con la capacidad de situar detectores en el espacio por encima de la atmósfera terrestre, hacen que las mediciones sean mucho más precisas. Todo esto ha generado una gran riqueza de datos en los últimos cincuenta años. Pero, según el cosmólogo George Ellis, «el problema subyacente de la astronomía es determinar la distancia a la que se encuentran los objetos observados».^] Muchos parámetros cosmológicos fundamentales, como la edad de los objetos celestes y la edad y el ritmo de expansión del universo, dependen de la determinación de las distancias. Pero los astrónomos no pueden realizar mediciones directas de esas distancias tal y como lo hacemos con los objetos en la Tierra, del mismo modo que tampoco pueden utilizar el brillo como medida de distancia porque, a pesar de que el brillo de las estrellas y las galaxias es más débil cuanto más alejadas de nosotros están, estos objetos estelares tiene distintos brillos intrínsecos, lo que técnicamente se conoce como luminosidades. En consecuencia, los astrónomos calculan la distancia a la que se encuentran las estrellas cercanas mediante paralaje, trigonometría local con la que calculan los ángulos delimitados por una estrella desde distintas posiciones de la Tierra a medida que esta traza su órbita alrededor del sol. Calculan la distancia de objetos más remotos a partir de una serie de indicadores de distancia, lo que se conoce comúnmente como «candelas estándar», que son objetos cuya luminosidad consideran conocer con precisión los astrónomos. Comparan la luminosidad observada de una candela estándar con su luminosidad conocida para así calcular la distancia que la separa de nosotros y, posteriormente, la distancia de un objeto más grande (una galaxia, por ejemplo) de la que forma parte. Las candelas estándar más utilizadas son las variables cefeidas, estrellas amarillas gigantes que se iluminan y se oscurecen de manera muy regular y cuyo periodo de variación depende de su luminosidad intrínseca. Para los objetos más remotos, los cosmólogos ortodoxos utilizan el desplazamiento al rojo del objeto, el desplazamiento en la longitud de onda de su radiación hacia el extremo rojo del espectro. Las candelas estándar, sin embargo, son menos estándar de lo que algunos anuncios de distancias podrían llevar a pensar. Por ejemplo, en 1956, un grupo de astrónomos descubrió que las variables cefeidas eran de dos tipos y que, además, eran más variables de lo que se suponía. No sería muy científico asumir que, a medida que los métodos de observación mejoren y el volumen de datos aumente, no habrá más supuestos o interpretacionesque acaben resultando falsos. Además, la luminosidad observada de una candela estándar lejana podría quedar oscurecida por el gas y el polvo interestelar, o escondida por el brillo de estrellas o galaxias que se interpongan en el campo visual. Ajustar estos factores es complicado y exige supuestos que, en el mejor de los casos, sean menos que indiscutibles. Los astrónomos han descubierto también que la Tierra no solo orbita alrededor del sol s 30 kilómetros por segundo mientras el sol traza su órbita al centro de la Vía Láctea a 220 kilómetros por segundo, sino que además nuestra galaxia viaja a 200 kilómetros por segundo hacia el centro de un cúmulo local de galaxias, que a su vez se cree que se mueve más o menos la misma velocidad, pero en distinta dirección, hacia el centro del supercúmulo local.[2] Cada uno de estos descubrimientos ha exigido realizar ajustes s la supuesta velocidad de un cuerpo celestial alejado de la tierra calculada a partir de su desplazamiento al rojo. Los cosmólogos ortodoxos utilizan el desplazamiento al rojo para calcular no solo la distancia de objetos cósmicos muy remotos —y, por lo tanto, muy jóvenes—, sino también el ritmo de expansión del universo y, en consecuencia, la edad del universo. Estimaciones de la edad del universo Una de las consecuencias de estos problemas de medición ha sido la variabilidad de las estimaciones de la edad del universo. La primera estimación de Hubble fue de menos de quinientos millones de años.[3] Incluso en un momento tan tardío como los años 50 del siglo pasado, los astrónomos calculaban que la edad del universo era de dos mil millones de años, mientras que la datación de las rocas mediante radiactividad ha demostrado que la edad de la Tierra era como mínimo de tres mil millones de años. Allan Sandage, el sucesor de Hubble en Mount Wilson, estimó una edad de veinte mil millones de años, mientras que Gérard de Vaucouleurs, de la Universidad de Texas, defendió diez mil millones de años. En 1994, un equipo internacional de astrónomos utilizó el telescopio espacial Hubble para realizar la medición de distancia más precisa hasta aquella fecha de la galaxia M100 y llegó a la conclusión de que el universo tenía entre ocho y diez mil millones de años de antigüedad.[4] En 2003, después de la observación de toda la orbe celeste mediante el satélite espacial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), el investigador jefe de la operación, Charles L. Bennett, declaró que la edad del universo era de 13,7 miles de millones de años, con un margen de error del uno por ciento.[5] Esta datación fue revisada en 2013, con los datos aportados por el telescopio Planck, y se estableció en 13,82 miles de millones de años.[6] Viendo las dificultades prácticas que conlleva la detección y medición de los datos que sustentan estas estimaciones, cualquier científico caería en un error si no anticipara que futuros descubrimientos acabarán alterando las estimaciones actuales. Sobre todo teniendo además en cuenta que los datos están siempre sujetos s interpretaciones distintas. La interpretación de los datos Antes de que, en 1610, Galileo utilizara un telescopio para estudiar los planetas, las observaciones podían interpretarse como que los planetas, incluyendo la Tierra, giraban alrededor del sol o que el sol y los planetas giraban alrededor de la Tierra; ambas teorías eran consistentes con los datos disponibles. Prácticamente todos los observadores adoptaron la segunda interpretación. Se equivocaban, claro está, pero sus creencias religiosas determinaban su interpretación. Gran parte de la literatura cosmológica evoca interpretaciones guiadas por las creencias. Los defensores de las distintas hipótesis cosmológicas suelen aprovechar o interpretar las evidencias para que respalden sus creencias. Y esto aplica tanto a quienes sostienen interpretaciones ortodoxas como a aquellos que las desafían. Por otro lado, tendemos a prestar más atención a las conclusiones extraídas de la observación que a los supuestos —normalmente no explícitos— que sustentan dichas conclusiones. En el caso de la cosmología, estos supuestos son con frecuencia cuestionables. Edad del universo La conclusión aceptada en 2003 por Bennett y el equipo de la NASA de que los datos del WMAP mostraban que la edad del universo es de 13,7 miles de millones de años ± 1 por ciento depende de diversos supuestos. Uno de ellos es el valor de la constante de Hubble. Según Rowan-Robinson, las estimaciones de esta constante han «seguido siendo un tema de intensa controversia durante los últimos treinta años».[7] Tres años después del anuncio de Bennett, un equipo de investigación liderado por Alceste Bonanos, de la Carnagie Institution de Washington, utilizó lo que afirma que es un sistema de medición más preciso de la distancia hasta la galaxia M33 para proponer una reducción de un 15 por ciento en la constante de Hubble, lo que situaría la edad del universo en 15,8 miles de millones de años,[8] confirmando la conclusión de Rowan-Robinson de que todavía necesitamos una estimación más precisa de la edad del universo.[9] Y mientras que, por un lado, los cosmólogos ortodoxos cuestionan la edad generalmente aceptada del universo, la interpretación ortodoxa de los datos y los supuestos que sustentan las estimaciones de la edad del universo también se ve desafiada. Por ejemplo, el físico del plasma Eric Lerner afirma que las estructuras que vemos en el universo —como los súpercúmulos de galaxias como la Gran Muralla y los enormes vacíos que hay entre ellos— deben de haber necesitado más de cien mil millones de años para formarse.[10] Su interpretación de los datos se ha visto desafiada a su vez por el firme defensor de la ortodoxia actual de la cosmología, Ned Wright.11 Desplazamiento al rojo de las supernovas Tipo 1a Como vimos en el capítulo 4, el descubrimiento de que las supernovas Tipo 1a con gran desplazamiento al rojo —objetos muy brillantes pero de vida corta que se considera que son el resultado de la explosión de estrellas enanas blancas— eran más oscuras de lo esperado, fue interpretado por los cosmólogos ortodoxos como que el ritmo decreciente de expansión del universo después del Big Bang había cambiado para volverse creciente. Mientras que otros estudios afirman apoyar esta interpretación, dependen de interpretar todos los desplazamientos al rojo como método de medición de la distancia (véase abajo). Además, el brillo de las supernovas Tipo 1a puede verse oscurecido por el polvo interestelar, como defiende la cosmología del estado cuasi-estacionario,[11] o, como sucede con las variables cefeidas, su luminosidad podría no ser tan estándar como los astrónomos suponen actualmente. Aceleración aparente del ritmo de expansión del universo En el capítulo 4 vimos también que los cosmólogos ortodoxos atribuían su interpretación de esta oscuridad a una aceleración del ritmo de expansión del universo provocada por una misteriosa energía oscura. Lo representaban matemáticamente reintroduciendo la constante cosmológica arbitraria Lambda con un valor muy distinto del que Einstein había descartado o del que los inflacionistas habían utilizado; lo interpretaban como el punto cero del campo cuántico de energía del universo, s pesar de que su valor calculado es un gigantesco 10120 veces mayor que el que sería consistente con su interpretación del ritmo de expansión del universo. Kunz y sus colegas, Rasanen y Lieu, ofrecieron distintas interpretaciones s los datos que dejan de lado la energía oscura, mientras que Ellis ofreció otras interpretaciones, añadiendo que «La cosmología ortodoxa actual considera estas propuestas poco atractivas, lo cual no demuestra que sean incorrectas».[12] Como se comentó en el capítulo 5, Steinhardt y Turok defienden que la energía oscura no es una constante arbitraria sino un ingrediente básico del universo que cambia de forma dinámica, la quintaesencia mientras que los defensoresde la cosmología de estado cuasi-estacionario defienden que esta cosmología explica igualmente los datos de las supernovas sin necesidad de recurrir s ninguna energía oscura misteriosa.[13] Desplazamiento al rojo Una de las interpretaciones más críticas de los datos es la que argumenta que el desplazamiento al rojo siempre es una medida de la distancia y, combinada con la constante de Hubble, es también una medida de la velocidad de recesión y, por lo tanto, de la edad de los objetos celestes. En el capítulo 3 se expuso que Halton Arp. Geoffrey Burbidge y otros desafiaban esta interpretación.[14] La clave de este conflicto de interpretación es la naturaleza de los cuásares, conocidos también como objetos cuasi-estelares. Estas potentes fuentes de emisiones variables de ondas de radio fueron detectadas en 1961 e identificadas al principio con minúsculos objetos visibles que se creía que eran estrellas de nuestra galaxia. Sin embargo, cuando se analizó el espectro de su luz, se vio que eran desplazamientos al rojo muy elevados. Se detectaron entonces otros objetos diminutos también con un elevado desplazamiento al rojo; pero estos objetos no emitían ondas de radio sino luz visible, principalmente azul, que variaba en periodos de días, y muchos de ellos emitían además potentes rayos X que variaban en periodos de horas en comparación con los años o meses de los que emitían ondas de radio. Los cosmólogos ortodoxos interpretaron los elevadísimos desplazamientos al rojo como que estos cuásares eran extremadamente remotos y se alejaban de nosotros a velocidades de hasta el 95 por ciento la velocidad de la luz. Argumentaban que debido al tiempo que tardaba su luz en llegar hasta nosotros, lo que veíamos ahora eran esos cuásares cuando tanto ellos como el universo eran muy jóvenes. El problema estaba en explicar por qué esas distancias tan enormes daban a entender que sus emisiones electromagnéticas eran el equivalente a las de mil galaxias combinadas, mientras que su pequeño periodo de variación en emisión daba s entender que esas fuentes eran muy pequeñas; además, solo una veinteava parte de ellos emitía ondas de radio, mientras que la mayoría emitía luz visible y rayos X, y algunos también rayos gamma. En los años 80, los cosmólogos ortodoxos llegaron s una interpretación consensuada razonable. La causa de esas emisiones ópticas y de rayos X tan enormes era un disco de gas y polvo muy caliente que giraba y había sido absorbido por un gigantesco agujero negro situado en el centro de una galaxia muy joven, mientras que las emisiones de radio eran debidas a chorros expulsados s lo largo del eje de rotación, igual que se había observado en la formación de estrellas. Era simplemente nuestro ángulo de visión lo que diferenciaba las potentes fuentes de radio de las potentes fuentes ópticas y de rayos X.[15] Arp, Burgidge y otros reivindicaron, sin embargo, que sus estudios de cuásares con desplazamiento al rojo elevado muestran a muchos de estos cuásares alineados a lado y lado de galaxias cercanas activas y, en algunos casos, con un vínculo físico con esas galaxias; además, los análisis muestran un incremento de brillo y una disminución del desplazamiento al rojo a medida que aumenta la distancia con respecto a la galaxia madre. Interpretaron que estos datos sugieren que estos cuásares son pequeñas protogalaxias expulsadas a una velocidad próxima a la de la luz desde agujeros negros situados en el núcleo de galaxias activas, y que de ahí evolucionaron a galaxias, volviéndose así más brillantes a medida que aumentaron su distancia de la galaxia madre a la vez que desaceleraban. En 2007, Michael Rowan-Robinson, presidente de la Royal Astronomical Society, descartó la idea: «La historia de la anomalía del desplazamiento al rojo terminó hace treinta años. Algunas de estas asociaciones son casuales, otras debidas a la lente gravitacional».[16] Pero Burbridge mantuvo que lo que refuerza su interpretación es la acumulación de datos en el transcurso de los últimos treinta años. A menos que esto pueda explicarse argumentando que la materia oscura próxima a las galaxias brillantes origina, a través de la lente gravitacional, el brillo de los cuásares débiles que están lejanos —y no existe ningún modelo gravitacional de este estilo que resulte satisfactorio—, la mayoría de los cuásares no están muy lejanos. La única salida que le queda a la gente convencional es llegar a la conclusión de que todas las configuraciones son accidentales y/o que las estadísticas son grródgds [...]. Los datos siguen acumulándose. En 2005, Margaret Burbridge y sus colegas mostraron un cuásar que emite rayos X y con un desplazamiento al rojo de 2,1 a solo 8 segundos de arco de la galaxia activa NGC 7619. La probabilidad de que esto sea casual es de una entre diez mil. Y hay muchos, muchísimos más casos similares en la literatura.[17] Pero, según Arp, no hay tantos como debería haber. Asegura que le cuesta mucho conseguir publicar sus trabajos en revistas científicas. En 1998, reprodujo algunos de los intercambios que ha mantenido con árbitros anónimos, a quienes calificó de «manipuladores, taimados, insultantes, arrogantes y, sobre todo, rabiosos».[18] Este punto de vista fue corroborado por Burbridge, que declaró que los que dominan la cosmología no son científicos observacionales, sino teóricos matemáticos que solo prestan una atención secundaria a los datos. «Ignoran por completo nuestros puntos de vista sobre la cosmología y en el transcurso de los últimos veinte años, ha habido muchos intentos exitosos enfocados a dejar de darnos invitaciones y hacer otras cosas para impedirnos intervenir en conferencias cosmológicas. Seguramente lo hacen porque cuando tenemos una plataforma para poder explicarnos resultamos bastante convincentes».[19] Se trata de científicos respetables. Arp es tal vez el astrónomo especializado en observación extragaláctica más experimentado que existe. Trabajó durante veintinueve años en el observatorio Palomar y luego se incorporó al prestigioso Max Planck Institute, en Alemania; entre sus galardones destaca el Helen B. Wamer Prize de la American Astronomical Society. Burbridge fue profesora de astrofísica de la Universidad de California, San Diego y en 2005 recibió la medalla de oro de la Royal Astronomical Society. Sus quejas por la represión a las alternativas al punto de vista ortodoxo fueron replicadas por Richard Lieu.[20] Esta interpretación alternativa de algunos desplazamientos al rojo tiene algo que me sorprende: si las protogalaxias se expulsan a una velocidad próxima a la de la luz desde el núcleo de galaxias existentes y activas, ¿por qué no se expulsan aleatoriamente, de modo que haya la misma cantidad aproximada de protogalaxias expulsadas hacia nosotros que expulsadas lejos de nosotros, lo que produciría, en consecuencia, tanto desplazamientos al azul elevados como desplazamientos al rojo elevados? Arp hizo hincapié en este asunto en el análisis que realizó en 2008 —como parte del en el Two-degree-Field (2dF) Galaxy Redshift Survey— de un cúmulo integrado por catorce cuásares con desplazamiento al rojo elevado situado alrededor de la galaxia AM 2330-284.[21] Afirma que sus desplazamientos al rojo se sitúan en un estrecho rango mayor e inferior que la velocidad de recesión cósmica de la galaxia; esto sería consistente con que fueran expulsados aleatoriamente de la galaxia madre a velocidades de más y menos 1.800 kilómetros por segundo. Esto es mucho menos que la velocidad de la luz, puesto que la masa de los objetos expulsados aumenta con el tiempo y, para conservar la inercia, tienen que reducir la velocidad.[22] Arp basa esta interpretación en la hipótesis de la masa variable de Hoyle Narlikar, que forma parte de su teoría de la gravitación que defiende que la materia de nueva creación empieza con masa cero y va aumentando con el tiempo a través de la interacción con el resto de materia del universo.[23]Arp tal vez esté equivocado, igual que podrían estar equivocados Burbridge y todos los que han desafiado la interpretación ortodoxa del desplazamiento al rojo. Sin embargo, hasta que los cosmólogos ortodoxos no entablen un debate razonado con Arp y otros científicos reconocidos que plantean interpretaciones distintas de los datos y dejen de ignorarlos o denigrarlos, seguirá colgando un interrogante sobre la interpretación ortodoxa de todos los desplazamientos al rojo y, por ende, sobre el modelo del Big Bang. Ondulaciones en el fondo cósmico de microondas La actitud de creer, en vez de razonar, queda reflejada en el lenguaje que se utiliza a menudo para anunciar resultados. Por ejemplo, cuando el director de investigación, George Smoot, anunció en 1992 que el satélite Cosmic Background Explorer (COBE) había descubierto extensas ondulaciones con densidad del 0,001 por ciento en el fondo cósmico de microondas (FCM), afirmó que aquello era como «ver la cara de Dios». Stephen Hawking dijo que el COBE había hecho «el descubrimiento del siglo, sino de todos los tiempos».[24] «Han encontrado el Santo Grial de la cosmología», declaró el astrónomo de Chicago, Michael Turner, cuando se realizó el anuncio en la American Physical Society, Washintgon.[25] La razón para tanta euforia fue que la mayoría de cosmólogos interpretaron los datos del COBE como la prueba del modelo ortodoxo del Big Bang inflacionario, basándose en que las ondulaciones eran un reflejo de las heterogeneidades del plasma en el momento en que los fotones se escindían del plasma. Supusieron que estas heterogeneidades eran consecuencia de la expansión inflacionaria de fluctuaciones cuánticas que tuvieron lugar en el Big Bang y que eran las semillas de la estructura de las galaxias, los cúmulos de galaxias y los supercúmulos separados entre sí por inmensos vacíos. Sommot y su colega, John Mather, del Goddard Flight Center, compartieron el Premio Nobel de Física en 2006 por su trabajo en la detección de las ondulaciones. Un editorial publicado en la revista Nature a la semana siguiente de la euforia adoptó una postura más sobria: La sencilla conclusión, que los datos autentificados hasta el momento son consistentes con la doctrina del Big Bang, se ha amplificado en los periódicos y en los informativos hasta transformarla en la prueba de que «sabemos cómo» empezó el universo. Lo cual no deja de ser motivo de alarma. El artículo continuaba mencionando los problemas que planteaba que esas ondulaciones pudieran ser responsables tanto de las estructuras que vemos hoy en día en el universo como de las explicaciones de la cosmología ortodoxa, y comentaba que «no existe una base verdaderamente independiente ni para la materia oscura ni para la inflación».[26] La literatura cosmológica, además, rara vez menciona que estas ondulaciones en el fondo cósmico de microondas son también consistente con otros modelos. Ellis sostiene que los modelos del universo heterogéneos y esféricamente simétricos podrían producir probablemente ondulaciones similares. La cosmología del estado cuasi-estacionario afirma que la radiación de fondo cósmico de microondas tiene su origen en la termalización de la energía generada por la producción de helio de las estrellas e interpreta las ondulaciones como efectos localizados.[27] El modelo de universo eterno de la cosmología del plasma ofrece una explicación similar de la energía de la radiación de fondo e interpreta las ondulaciones como consecuencia de la conversión isotrópica imperfecta de esta energía debido a la densa maraña de filamentos de plasma confinados magnéticamente que impregna el medio intergaláctico.[28] El modelo del universo ecpirótico cíclico las interpreta como impresas en una liberación de energía Big Bang debido a la ondulación previa que se produce cuando dos branas-universo casi vacías se acercan entre sí.[29] Un profesor de cosmología me aseguró que las ondulaciones del FCM hacen que sea «casi seguro» que el actual modelo ortodoxo desde el segundo uno después del Big Bang Caliente es el correcto. Viendo que descartaba las demás interpretaciones de las ondulaciones del FCM, le pregunté sus motivos. Reconoció que no había leído ninguno de los documentos más relevantes al respecto; argumentó que no tenía tiempo para leer todo lo que se publicaba y que ese era también el caso de la mayoría de los cosmólogos. De ser así, le dije, ¿cómo era posible que descartaran interpretaciones alternativas si ni siquiera las habían leído? Me explicó que hay poco más de media docena de cosmólogos que son los que marcan la agenda y establecen la interpretación de los datos más adecuada. Se trata de un hombre sincero y honesto al que simplemente no se le ha ocurrido preguntarse si esta media docena de cosmólogos tienen depositado algún interés particular —consciente o inconscientemente— en que la interpretación de los datos cuadre únicamente con el modelo en el que han trabajado durante casi toda su vida y en el que creen profundamente. Me quedé con la impresión de que existe un obispo de la ortodoxia que gobierna felizmente su colegio de cardenales de la cosmología. Declaraciones exageradas Sustituir la fe por la razón da como resultado declaraciones exageradas. «El satélite de la NASA observa la primera billonésima de segundo del universo», fue el titular de una nota de prensa publicada por la NASA el 16 de marzo de 2006 para informar sobre los descubrimientos realizados a lo largo de tres años por el satélite espacial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), lanzado una década después del COBE y equipado con instrumentos mucho más sensibles. Citaba en la nota las siguientes declaraciones del director de la investigación, Charles Bennett: «Ahora podemos distinguir entre distintas versiones de lo que sucedió durante la primera billonésima de segundo del universo».[30] Por desgracia, no son solo los políticos los que trabajan con la propaganda. Bennett es un cosmólogo ortodoxo y presumiblemente cree que no podemos mirar más atrás en el tiempo de lo que nos permite el horizonte visual, cuando la radiación se escindió de la materia unos 380.000 años después del Big Bang.[31] Un examen más detallado de los datos muestra que los instrumentos del WMAP registraron variaciones de temperatura y polarización de la radiación del fondo cósmico de microondas, lo que los investigadores asumen que se originó 380.000 años después del Big Bang. Basándose en un montón de supuestos más, los científicos del proyecto WMAP deducen que esta polarización fue causada por sucesos que se supone que se produjeron durante la primera billonésima parte de un segundo. Realizar afirmaciones gratuitas no tiene mucho que ver con las mejores prácticas científicas. Los datos del WMAP Los científicos del proyecto WMAP interpretaron sus datos como una validación más del modelo ortodoxo del Big Bang inflacionario, diciendo que el patrón de puntos calientes y fríos era consistente con las predicciones más simples de la conjetura de la inflación. En 2005, sin embargo, los análisis de los datos del WMAP realizados por otros cosmólogos empezaron s sembrar dudas importantes. Richard Lieu y Jonathan Mittaz, de la Universidad de Alabama, Huntsville, descubrieron que los datos del WMAP indican un universo ligeramente «súper crítico» en el que hay más materia —y, en consecuencia, un campo gravitatorio más potente— de lo que interpretan los científicos del proyecto WMAP, lo cual presentaría graves problemas para la conjetura inflacionaria.[32] Descubrieron asimismo una carencia de lo que se conoce como efectos de lente gravitacional en el fondo cósmico de microondas que el modelo estándar del Big Bang predice. Según ellos, los puntos fríos del fondo de microondas poseen un tamaño demasiado uniforme para haber viajado durante casi catorce miles de millones de años luz desde los confines del universo hasta la Tierra. Las consecuencias sugieren diversas explicaciones alternativas.La más conservadora es que los parámetros cosmológicos del modelo ortodoxo, incluyendo la constante de Hubble, son erróneos. La posibilidad más contenciosa es que la radiación de fondo cósmico de microondas no sea un remanente del Big Bang sino que esté creada por un proceso distinto, un proceso local tan próximo a la Tierra que la radiación no se acercaría a ninguna lente gravitacional antes de alcanzar nuestros telescopios. David Larson y Benjamin Wandelt, de la Universidad de Illinois, descubrieron una desviación estadísticamente significativa de la distribución gaussiana de puntos calientes y fríos predicha por la inflacion.[33] Kate Land y Joao Magueijo, del Imperial College de Londres, analizaron la radiación de fondo cósmico de microondas a través de sus tres componentes y descubrieron que dos de ellos —el cuadropolo y el octopolo— presentaban una orientación de puntos calientes y fríos que estaba alineada a lo largo de lo que Magueijo apodó como «el eje del mal», lo que contradeciría la predicción de orientación aleatoria que defiende la inflación. Magueijo sugiere que podría deberse a que el universo tuviera forma de losa, o de rosquilla, o s que el universo estuviera rotando, todo lo cual entraría en conflicto con los supuestos de isotropía y omnicentrismo en que se basa el modelo ortodoxo.[34] La mayoría de cosmólogos, sin embargo, interpreta estas orientaciones no aleatorias como desviaciones estadísticas con respecto s la media de más de cien medidas.[35] Independientemente de que estos y otros científicos que han encontrado problemas con los datos del WMAP tengan o no razón —y los últimos datos de Planck sugieren con fuerza que la tienen (véase sección siguiente)—, su voluntad de examinar los datos con una mentalidad abierta y plantearse interpretaciones alternativas contrasta con los científicos del proyecto que parecen extraer únicamente aquellas conclusiones que apoyan la hipótesis que están investigando. La confirmación de evidencias contradictorias del telescopio Planck Cuando en marzo de 2013 se anunciaron los datos de los quince primeros meses del telescopio Planck, de la Agencia Espacial Europea, el científico líder del proyecto, siguiendo el ejemplo de su colega del WMAP, dijo «observamos un encaje casi perfecto con el modelo estándar de la cosmología», aunque se contradijo a continuación al añadir «pero con características intrigantes que nos obligan a replantearnos algunos de nuestros supuestos básicos».[36] El telescopio Planck observó el fondo cósmico de microondas (FCM) con más resolución y sensibilidad que nunca. Reveló muchas características que desafiaban el modelo ortodoxo del Big Bang inflacionario. Entre ellas destacan no solo revisiones de la edad del universo y de las conjeturas sobre las proporciones de la materia oscura y la energía oscura, sino también un punto frío que se extiende sobre un espacio de cielo más grande de lo esperado y fluctuaciones en la temperatura del FCM que no cuadran con las predichas. Los datos confirmaron que la orientación de los puntos fríos y calientes no podía descartarse como una desviación estadística, sino que, efectivamente, estaban alineados a lo largo de un eje, lo que rebatiría la predicción del modelo ortodoxo de que tendrían que ser isotrópicos, es decir, similares en cualquier dirección que mirásemos. Selectividad de datos La selectividad, no solo de la interpretación sino también de los datos, se produce cuando los científicos intentan justificar una hipótesis en vez de examinar las evidencias con objetividad. Ya he mencionado la idea del paisaje de posibilidades, defendida por el teórico de cuerdas Leonard Susskind, que da lugar a un multiverso.[37] En su revisión del libro de Susskind, El paisaje cósmico: teoría de cuerdas y el mito del diseño inteligente, Ellis señala que, hipotéticamente, este multiverso se habría originado a partir de un túnel cuántico, dando como resultado un universo espacialmente homogéneo e isotrópico con curvatura espacial negativa y, por lo tanto, con un valor Cs Omega (Q) inferior a 1.[38] El mejor valor determinado por observación ss Q = 1,02 ± 0,02. Dadas las incertidumbres estadísticas, este resultado no entra en absoluto en conflicto con la conjetura de Susskind, aunque no la respalda. Pero Susskind ni siquiera discute estos datos no favorables. Ellis llega a la conclusión de que esto es «un síntoma de parte de la cosmología actual, donde la fe en la teoría tiende a falsear las geiCgdcids».[39] Ley de interpretación de datos He concedido un espacio a las interpretaciones alternativas de los datos astronómicos que han llevado a cabo científicos respetables porque son explicaciones que rara vez se escuchan fuera de la comunidad cosmológica y, en muchos casos, ni siquiera dentro de sIIv. Esta comunidad es una institución humana en la que aprenden los nuevos cosmólogos y donde los defensores de la actual ortodoxia deciden la publicación Cs artículos, la concesión de becas y el futuro de las carreras profesionales. En cualquier institución humana, las presiones para adecuarse a ella son considerables. Además de todo esto, la cosmología exige una inversión de tiempo durante los muchos años que pueden transcurrir entre que se propone una investigación, se presenta la solicitud de subvención, se convence a los organismos de que apoyen la propuesta y, por ejemplo, se consigue que la NASA lance un satélite al espacio y se analicen s interpreten los datos (18 años en el caso del satélite COBE). De un modo similar, los físicos de partículas pueden invertir décadas de su carrera en llevar a cabo una investigación que exija la cooperación de varios gobiernos para subvencionar un acelerador de partículas. Los científicos son humanos y, naturalmente, quieren ver que una inversión personal de tal calibre valga la pena. La comparación de los resultados anunciados con los puntos de vista equilibrados de cosmólogos como Ellis y Rowan-Robinon sugiere que tiene que haber algún tipo de ley de por medio. La ley de interpretación de los datos. El grado en el cual un científico se distancia de una interpretación objetiva de los datos de su investigación es función de cuatro factores: su determinación por validar una hipótesis o confirmar una teoría; el tiempo que la investigación ha ocupado en su vida; su grado de inversión emocional en el proyecto; y su necesidad profesional de publicar un documento importante o salvaguardar su reputación. Teoría inadecuada En los capítulos 3 y 4 hemos hablado sobre los graves problemas del modelo del Big Bang Inflacionario, mientras que en el capítulo 5 hemos llegado a la conclusión de que las conjeturas que compiten contra el modelo ortodoxo, modificándolo o sustituyéndolo, no proporcionan hasta el momento un relato científico sobre el origen del universo: sus principales reivindicaciones siguen sin ser verificables y, en su mayoría, no son verificables. Consideraré s continuación los profundos problemas teóricos que subyacen en el modelo cosmológico ortodoxo y en sus alternativas. La inconclusión de la teoría de la relatividad y de la teoría cuántica La teoría cuántica y la teoría de la relatividad forman la base tanto del modelo del Big Bang como de las ideas que compiten con él. Ambas han alcanzado un éxito tremendo en cuanto s realizar predicciones que han sido verificadas mediante observación y experimentación dentro de su propio ámbito: las masas estelares extremadamente pequeñas —subatómicas— para la teoría cuántica y las masas estelares extremadamente grandes y con velocidades próximas s la de la luz para la de la relatividad. Pero ambas son necesariamente incompletas porque son incapaces de explicar fenómenos que suceden fuera de su propio ámbito.[40] Lo que sugiere que ambas son un caso limitador de una teoría más completa y profunda. Se han llevado a cabo numerosos intentos de unificar la teoría cuántica y la teoría de la relatividad —la «teoría» de cuerdas yla gravedad cuántica de bucles, por ejemplo— pero, como hemos visto, no están todavía probadas científicamente. Además, también ellas presentan sus propios problemas: la idoneidad de la relatividad general para predecir o incluso describir el universo como un todo, y la naturaleza de la realidad en la teoría cuántica. La idoneidad de la relatividad general Los astrónomos y los físicos adoptaron la teoría general de la relatividad de Einstein porque incorporaba la gravedad s la teoría especial de la relatividad, describiendo de este modo todas las fuerzas conocidas, y porque explicaba la precesión anómala del acercamiento máximo del planeta Mercurio al sol, que la mecánica newtoniana no había logrado explicar. ¿Pero es la teoría idónea para el objetivo de predecir, o incluso describir, el universo como un todo? La teoría general no es una ecuación que predice un resultado único para condiciones iniciales específicas; sino que integra un conjunto de diez ecuaciones de campo en las que pueden insertarse de manera arbitraria campos escalares, parámetros y valores para estos parámetros. Esto permitió a Einstein elegir un parámetro, y un valor para sss parámetro, que produjera un universo estático; a varios cosmólogos elegir un campo escalar conceptual con diversos valores para producir diversos universos inflacionarios; a Hoyle y a sus colegas elegir un campo escalar idéntico pero con distintos parámetros y valores para producir un universo de estado cuasi-estacionario; y a Steinhardt y Turok elegir un campo escalar, unos parámetros y unos valores distintos para producir un universo cíclico en sl que la energía oscura no es una constante, sino que evoluciona dinámicamente. Todos declaran que su versión del universo es consistente con los datos observados, aunque no hay evidencia de la existencia de un campo escalar inflacionario o de energía oscura, a diferencia, por ejemplo, de las evidencias que sustentan un potencial campo eléctrico escalar. De hecho, tal y como señala Ellis,[41] es perfectamente posible realizar el proceso matemático hacia atrás para elegir de este modo los parámetros que produzcan sl resultado deseado. Parafraseando a Humpty Dumpty en Alicia a través del espejo, de Lewis Carroll, cuando elijo campos escalares, parámetros y sus valores, las ecuaciones de la relatividad general significan justo lo que quiero que signifiquen, ni más ni menos. (Carroll, por supuesto, era matemático.) El conjunto de ecuaciones permite también a los defensores de la inflación, el universo cíclico, el estado cuasi-estacionario y otros modelos, ofrecer sus versiones del universo con una fuente de energía ilimitada para crear materia y potenciar su expansión contra la inmensa atracción gravitacional de la materia súper densa creada.[42] Mientras que en el mundo conceptual, del que las matemáticas forman parte, pueden existir fuentes ilimitadas de energía —y también unicornios y dioses—, hay bastantes dudas por lo que respecta a si los unicornios, los dioses y las fuentes ilimitadas de energía existen en el mundo físico. La realidad del mundo cuántico La cuestión de hasta qué punto las fórmulas matemáticas lógicamente consistentes representan el mundo real reaparece cuando consideramos la teoría cuántica, uno de los conceptos más complicados y técnicos de la ciencia. Las ecuaciones y los principios que forman la teoría cuántica han demostrado un éxito excepcional en cuanto a realizar predicciones que se han verificado experimentalmente, la más importante de ellas la del número y la estructura atómica de los elementos, y el modo en que sus átomos se unen para formar moléculas, lo que ha proporcionado la base teórica de la química. Pero, con todo y con eso, la teoría cuántica incomodó a aquellos de sus fundadores —como Einstein, Erwin Schrodinger y Louis de Broglie— que abogaban por el punto de vista filosófico de realismo, según el cual la ciencia explica la realidad tal y como ésta es en nuestra ausencia. La razón es que el mundo que la teoría cuántica describe es paradójico, intrínsecamente incierto, dependiente de la medición y no determinista, es decir, que permite efectos sin causa. La teoría ha generado muchas interpretaciones de lo que sus ecuaciones significan realmente. Por ejemplo, la teoría cuántica afirma que un electrón se comporta tanto como una partícula como como una onda o una ola. Lo mismo sucede con la luz. La onda no ss una onda de materia física, como podría ser una ola del mar, sino una onda de información. Una analogía podría ser la de una ola de crímenes, que nos informa de dónde hay mayor probabilidad de que se cometa un crimen. Una onda cuántica nos informa de la probabilidad de dónde podemos esperar que esté una partícula y de la probabilidad de que esta posea propiedades como la rotación o la energía. Es no-localizada: es infinita y contiene todos los estados posibles de existencia de esa entidad cuántica. En consecuencia, un electrón puede estar potencialmente en cualquier parte. Según la interpretación estándar (conocida también como de Bohr o de Copenhague), todo aquello que no puede ser sometido a un proceso de medición carece de existencia física. Solo cuando puede ser medida, la onda colapsa en la probabilidad de una partícula física que tiene una posición, una inercia y una energía concretas. Sin embargo, no podemos medir al mismo tiempo la posición exacta de una partícula, su inercia exacta o su energía exacta. La interpretación estándar defiende que no existe realidad independiente, en el sentido físico ordinario, capaz de adscribirse al fenómeno cuántico o a la acción de su medición. Muchos de los defensores de la interpretación estándar, como el Premio Nobel Eugene Wigner, adoptan la postura de que la medición exige la presencia de un observador consciente. Lo cual no presenta un problema fundamental a la hora de medir el patrón de dispersión de un rayo de luz cuando impacta contra una placa con doble rendija, por ejemplo. Pero sí presenta problemas cuando se considera la realidad del universo o de los electrones, fotones y bariones que se materializaron a partir de un Big Bang. El distinguido físico teórico John Wheeler, colaborador de Einstein en sus últimos años, llevó el punto de vista de la realidad física dependiente de la conciencia s su conclusión lógica. Defendió que la existencia del universo depende de observadores conscientes que lo hacen real, no solo hoy sino también retrospectivamente, hasta llegar al Big Bang. El universo existía en una especie de estado fantasma indeterminado y probabilístico hasta que seres conscientes lo observaron, colapsando entonces la función de onda del universo y otorgándole de este modo existencia física. Otras interpretaciones, como la del multiverso cuántico de Everett (que comentaré en el próximo capítulo), pretendían evitar este tipo de problema, pero han generado otros. Infinidades en un cosmos físico La teoría cuántica presenta también problemas con las infinidades. Según la mecánica cuántica, un campo, como por ejemplo un campo electromagnético, tiene valores en todos los puntos del espacio. Lo que produce un número infinito de variables, incluso en un volumen finito; cada una de estas variables tiene un valor que, según la teoría cuántica, puede fluctuar de un modo incontrolable. Según Smolin, esto conduce a la predicción de números infinitos para la probabilidad de que un suceso se produzca o para la potencia que puede alcanzar de cualquier fuerza. Además de permitir una fuente ilimitada de energía, la teoría general de la relatividad presenta otros problemas con las infinidades. Como vimos en el capítulo 4,[43] en el interior de un agujero negro, la densidad de la materia y la fuerza del campo gravitatorio son infinitos, y se cree que esto sucede también cuando se retrocede en la expansión del universo hasta llegar al Big Bang. Pero cuando la densidad se vuelve infinita, las ecuaciones de la relatividad generalse desmoronan. Como consecuencia de los supuestos simplificadores realizados para solucionar las ecuaciones de la relatividad general, tanto el modelo de universo plano (el modelo ortodoxo) como el de universo hiperbólico, son necesariamente infinitos en cuanto a su extensión: si cualquiera de los dos llegara a un límite, contradeciría el supuesto de que el universo es igual desde cualquier punto desde el que se observe.^] La mayoría de cosmólogos no lo considera un problema. Tal y como lo expresa Max Tegmark: «¿Cómo es posible que el espacio no sea infinito?».[45] Algunas propuestas afirman que, en un multiverso que incluya todos los universos posibles, se entiende que necesariamente hay un número infinito de universos. La infinitud, sin embargo, no es lo mismo que un número muy grande. David Hilbert, que sentó gran parte de las bases de las matemáticas del siglo xx, declara: Nuestro principal resultado es que el infinito no existe en la realidad. Tampoco existe en la naturaleza ni ofrece una base legítima para el pensamiento racional.[46] Si Hilbert tuviera razón, las hipótesis que utilizan infinidades para describir el mundo físico quedarían invalidadas. Si Hilbert se equivocara hasta el punto de que el concepto matemático de la infinidad tuviera una correspondencia en el mundo físico y que, como seres finitos que somos, no alcanzáramos a percibirla, nunca podríamos validar o desaprobar dicha hipótesis mediante un método científico. Si Hilbert estuviera totalmente equivocado, y lo único que nos limitara fuese nuestra incapacidad de concebir test empíricos para aplicar a hipótesis con infinidades, dichas hipótesis seguirían siendo problemáticas. Por ejemplo, varias de las conjeturas cosmológicas alternativas consideradas en el capítulo 5 declaran que el universo es eterno. En este caso, Ellis señala que si se produjera un suceso en cualquier momento del tiempo, cualquiera de esas conjeturas debería explicar por qué no ocurrió antes de ese momento, puesto que previamente había tiempo infinito para que sucediese.[47] Consideraré el Principio de entropía creciente cuando examine la evolución de la materia. Por el momento basta con decir aquí que esta ley física sostiene que, durante cualquier proceso que se produzca en un sistema aislado, el desorden aumenta hasta que ss alcanza un estado de equilibrio. Por definición, el universo es el sistema aislado definitivo, pues o contiene toda la materia y energía que existe o está desconectado de otros universos en un hipotético multiverso. Por lo tanto, si este principio físico es válido en el universo, y si el universo tiene una existencia infinita, habría alcanzado su estado de equilibrio hace un tiempo infinito y nosotros no estaríamos vivos para reflexionar sobre esta cuestión.[48] La falta de idoneidad de las matemáticas Newton desarrolló una nueva forma de matemáticas —el cálculo— que jugó un papel esencial cuando desarrolló sus leyes físicas. A partir de Einstein, los físicos teóricos y los cosmólogos han tomado prestadas o han adaptado las matemáticas existentes —la geometría diferencial del espacio de cuatro dimensiones, las teorías de campos de gauge, los campos escalares, etc.— para expresar y cuantificar sus ideas sobre el origen y la evolución del universo. Como hemos visto, la matemática de algunas de estas ideas se desmorona cuando retrocedemos hasta el origen del universo o no se corresponden con la realidad tal y como la percibimos. Para expresar y cuantificar una teoría completa del origen y la evolución del universo tal vez sería necesario desarrollar unas nuevas matemáticas. Dicha teoría explicaría todo lo que la teoría de la relatividad explica a gran escala y todo lo que la teoría cuántica explica a escala subatómica. Limitaciones intrínsecas de la ciencia Como hemos visto, muchas de las conjeturas que se han planteado para explicar el origen del universo no solo no están verificadas, sino que además es imposible verificarlas: si no podemos detectar un fenómeno, o su supuesto efecto sobre algo que podemos detectar, entonces no podemos verificarlo. Cualquier conjetura no verificable queda necesariamente fuera del ámbito de una disciplina empírica como la ciencia. Conclusiones A pesar de los anuncios optimistas, y a veces triunfalistas, que suelen realizar los científicos responsables de los proyectos después de analizar los datos obtenidos a partir de observaciones caras y prolongadas, la cosmología se enfrenta a muchas dificultades prácticas. Se enfrenta también s problemas de interpretación de los datos obtenidos, lo que incluye la puesta en duda de supuestos subyacentes a menudo sobreentendidos. Por lo tanto, es imposible conocer con seguridad el valor de muchos parámetros clave —como la constante de Hubble y la densidad del universo— y, en consecuencia, la edad del universo y su ritmo de expansión. Ni el modelo ortodoxo del Big Bang ni las conjeturas que compiten con él, ofrecen teorías científicamente robustas que expliquen el origen y la forma del universo. Además, las dos teorías que sustentan todos los modelos cosmológicos —la teoría de la relatividad y la teoría cuántica— son incompletas y presentan sus propios problemas. A medida que mejoren las técnicas de detección, y se desarrollen interpretaciones y teorías como respuesta a nuevos datos y nuevos puntos de vista, las limitaciones prácticas, de interpretación y de teoría quedarán relegadas y la cosmología nos ofrecerá una mejor comprensión del origen del universo y, en consecuencia, del origen de la materia de la que estamos compuestos. Sin embargo, hasta que los cosmólogos presenten una nueva definición del concepto de ciencia y un método científico que resulte aceptable tanto para la comunidad científica como para la comunidad intelectual, muchas «teorías» cosmológicas deben quedar clasificadas como conjeturas no verificables y, por lo tanto, quedar fuera del ámbito de la ciencia. Puede argumentarse, claro está, que la cosmología es distinta de las demás ramas de la ciencia en los tres sentidos que enumeré al principio del capítulo y que, en consecuencia, si la cosmología está limitada por la metodología científica convencional, siempre tendrá escaso poder explicativo. Este argumento puede utilizarse para justificar que los cosmólogos vayan más allá de los convencionalismos de la ciencia para explicar el universo. De ahí que en el siguiente capítulo plantee si las conjeturas de la cosmología producen razonamientos convincentes aun sin superar los test más estrictos de la ciencia. [1] Ellis (2007), S.2.3.2. [2] Madxox (1998), p. 36. ^Ibíd, p. 27. [4] http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1994/49/texV, 26 de octubre de 1994. [5] http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2003/0206mapresults.html# bctop, 11 de febrero de 2003. [6] http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_reveals_an_alm ost_perfect_Universe, 21 de marzo de 2013. [7] Rcwan-Rnbmson (2004), p. 163. [8] Bonanos, Alceste, et al., «The First Direct Distance Determination to a Detached http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1994/49/text/ http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2003/0206mapresults.html%252523 http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_reveals_an_alm Eclipsing Binary in M33», Ths Astrophysical Journal, 652, 2006, pp. 313 322. [9] Rowan-Robinson (2004), p. 164. [10] Lerner (1992), con datos más completos, actualizado sn http://www.bigbangneverhappened.org/, consultado sl 16 de febrero de 2014. [11] Ned Wright, Tutorial de Cosmología, UCLA, 2003, http://www.astro.ucla.edu/~wright/lerner_errors.html#SCI [12] Ellis (2007), S.4.2.2 y ^2.3.5. [13] Véase página 115. [14] Véase página 75. 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[34] LanC, Kate y Joao Magusijo, «Examination of Evidence for a Preferred Axis in the Cosmic Radiation Anisotropy», PhysicalReview Letters, 95, 2005, 071301. [35] Paul UteinedrCt, comunicación personal, 20 Cs marzo Cs 2007. http://www.bigbangneverhappened.org/ http://www.astro.ucla.edu/%257Ewright/lerner_errors.html%252523SC http://arxiv.org/pdf/0802.1587v1 http://www.nasa.gov/home/hqnews/2006/mar/HQ_06097_first_trillionth_WM http://arxiv.org/abs/astro-ph/0505046 [36] http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_reveals_an_al most_perfect_Universe, 21 de marzo de 2013. [37] Véase página 130. [38] Véase página 63 para una explicación de Omega y su relación con la geometría del universo. [39] Ellis, George, «Physics Ain’t What It Used to Be», Nature, 438: 7069, 2005, pp. 739-740. [40] Por ejemplo, Wolfgang Tittel y sus colegas informaron de que dos fotones entrelazados cuánticamente con más de diez kilómetros de distancia entre sí se comportaban al instante de la misma manera si se enfrentaban a dos caminos alternativos e igualmente posibles, violando claramente la Teoría especial de la relatividad de Einstein, que prohíbe que la informacion viaje a velocidad más rápida que la de la luz. (Tittel, W. et al., «Violation of Bell Inequalities by Photons More Than 10km Apart», Physical Review Letters, 81, 17, 1998, pp. 3563-3566). Pero no es solo en el ámbito subatómico que la teoría de la relatividad deja de aplicar. Rainer Blatt y sus colegas (Riebe, M. et al., «Deterministic Quantum Teleportation with Atoms», Nature, 429: 6993, 2004, pp. 734-737) y D. J. Wineland y sus colegas («Deterministic Quantum Teleportation of Atomic Qubits», Nature, 429: 6993, 2004, pp. 737-739), informaron de la transmisión cuasi instantánea de iones de calcio e iones de berilio, respectivamente, en estado cuántico. [41] Véase página 83. [42] La ecuación gravitacional de Newton también permite esto siempre y cuando la separación entre masas puntuales sea ilimitada. [43] Véase página 85. [44] Esto no aplicaría para el universo esférico: una esfera perfecta es igual desde todos los puntos de su superficie. [45] Tegmark, Max, «Parallel Universes», Scientific American. 1 de mayo de 2003. http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000F1EDD-B48A-1E90-8EA5809EC588000 0. Consultado el 8 de agosto de 2006. [46] Citado en Ellis (2007), S.9.3.2. [47] Íbid, S.9.3.2. [48] Davies (1990), p. 10. http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_reveals_an_al http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000F1EDD-B48A-1E90-8EA5809EC588000 CAPÍTULO 7. LA RACIONALIDAD DE LAS CONJETURAS COSMOLÓGICAS El universo me captura a través del espacio y me engulle como una mota de polvo; yo lo capturo a través del pensamiento. Blaise Pascal, 1670 La razón es una revelación natural. John Locke, 1690 Hay dos preguntas que deberíamos formularnos para evaluar la racionalidad de las explicaciones cosmológicas que quedan fuera del ámbito de la ciencia. La primera es: ¿cuál tendría que ser el alcance de estas conjeturas? Y la segunda: ¿cómo someter a prueba su racionalidad? Según las respuestas s estas preguntas, examinaré conjeturas cosmológicas en dos aspectos: el origen del universo y la forma del universo, puesto que ambos son básicos para comprender la emergencia de la materia de la que estamos hechos. El alcance de las conjeturas cosmológicas[1] ¿Tendrían que limitarse las conjeturas cosmológicas solo al elemento material del cosmos? Muchos científicos son materialistas, y para ellos se trata de una pregunta trivial porque creen que el cosmos material es todo lo que existe y que, con el tiempo, la ciencia acabará explicando en términos de materia y de sus interacciones cosas como la conciencia y la mente. Pero según el criterio de Popper, este punto de vista no es científico porque nunca podrá falsarse. Creo que es razonable extender el alcance examinando cosas no materiales que tienen una relación directa con el origen y la evolución del universo material. Lo cual suscita una serie de preguntas metafísicas interrelacionadas que tal vez podrían considerarse como aspectos distintos de la misma pregunta, pero que resulta útil separarlas en tres categorías, independientemente de que esta división sea arbitraria y permeable. La causa de las leyes de la física La mayoría de explicaciones cosmológicas defienden o asumen que la materia se comporta y evoluciona según las leyes de la física. De ahí que la pregunta fundamental sea qué provocó la existencia de estas leyes. Como veremos en el capítulo 28, cuando examine la evolución del pensamiento filosófico, no existe una respuesta clara. Incluso Aristóteles, el arquetipo del racionalista, llegó a la conclusión, siguiendo la cadena de causalidad, de que la primera causa tiene que causarse a sí misma, ser eterna, inalterable, sin atributos físicos, es decir, divina. La naturaleza de las leyes de la física Y un nivel más allá de esta pregunta fundamental, está comprender cuál es la naturaleza de las leyes de la física, un asunto que podríamos dividir en tres sub-preguntas: 1. ¿Son descriptivas o prescriptivas? Si simplemente describen cómo son las cosas, ¿por qué, entonces, toda la materia y las interacciones (fuerzas) que se producen entre ellas poseen las mismas propiedades en cualquier lugar del universo observable? ¿Por qué son idénticos todos los electrones? ¿Por qué la fuerza electromagnética se calcula del mismo modo en todas partes? Si, por otro lado, las leyes físicas determinan la forma de ser de las cosas, y se asume que dichas leyes son invariables, la materia será necesariamente la misma en todas partes. En cuyo caso, ¿cómo pueden las leyes teóricas imponerse sobre la materia del universo? 2. ¿Existían las leyes físócas artes de la existímela deS universo y contla»ll^on su origen, empezaron a existir con el universo, o coexisten con un universo eterno? Si el Big Bang es el comienzo de todo, ¿cómo es posible que estas leyes se crearan en un suceso de creación carente de leyes? Si no lo es, ¿cómo es posible que existieran antes que el universo? Si el universo es eterno, ¿son inalterables las leyes físicas y eternamente coexistentes con el universo, o cambian enel transcurso del tiempo infinito? 3. ¿Poo qué se expresan mediande reSaciones novematicils que, en la mayoría de los casos, son muy sencillas? Con destacadas excepciones, como la de la relatividad general, la mayoría de leyes físicas se expresan mediante ecuaciones muy sencillas, como la ley de la inversa del cuadrado de la fuerza electromagnética. ¿Por qué tendría que ser así? Las matemáticas, ¿describen o determinan las leyes físicas? ¿Cuál es la naturaleza de las matemáticas? La naturaleza de las matemáticas El cosmólogo Max Tegmark, del Massachusetts Institute of Technology, propone que una estructura matemática es «una entidad abstracta s inmutable que existe fuera Csl espacio y el tiempo».[2] (Esta conjetura niega implícitamente el materialismo.) Roger Penrose sigue a Platón y argumenta que existen «evidencias poderosas (aunque incompletas)» de que las fórmulas matemáticas tienen una realidad objetiva fuera del mundo físico. Además, mientras que solo una pequeña parte de este mundo matemático tiene relevancia para el mundo físico del que formamos parte, todo el mundo físico está gobernado según leyes matemáticas. De ser así, «incluso nuestros actos físicos estarían completamente sujetos a este control matemático, un “control” que permitiría algún tipo de comportamiento aleatorio gobernado por principios probabilísticos estrictos».[3] La conjetura de que las fórmulas matemáticas existen como una realidad trascendente fuera del universo físico y de que causan y/o gobiernan el universo, debería explicar cómo una fórmula matemática puede generar y/o controlar un universo material. La iglesia cristiana asimiló este concepto platónico hace ya tiempo y le dio una explicación muy sencilla: la realidad trascendente es Dios. En consecuencia, la inmensa mayoría de científicos occidentales, desde la primera revolución científica de mediados del siglo xvi hasta principios del siglo xx —desde Copérnico, Kepler, Newton, Descartes hasta Einstein—, trataron de descubrir las leyes matemáticas que gobiernan nuestro universo como una forma de descubrir, en palabras de Stephen Hawking, la mente de Dios. Keith Ward, pastor anglicano y profesor Regius de teología de la Universidad de Oxford, intenta ofrecer una explicación racional a todo esto diciendo que las necesidades matemáticas solo existen cuando están concebidas por alguna conciencia. Para una teoría matemática de todas las cosas, esa conciencia tiene necesariamente los atributos de Dios, la mente omnipresente suprema. [4] Duane Elgin, místico y ecologista, ha llevado a una conclusión lógica el concepto no religioso de que el universo físico está gobernado por fórmulas matemáticas trascendentes. Propone una «evolución dimensional» en la que el universo es un sistema vivo que se mantiene unido mediante la influencia cohesiva de una «geometría sagrada de exquisita sutileza, diseño profundo y objetivo elegante». Esto impregna el cosmos y proporciona el marco de trabajo organizativo tanto para la manifestación ordenada de nuestro universo material, como para el contexto organizativo s través del cual evoluciona la vida. Esta geometría sagrada es la creación del «meta-universo», que es «una fuerza vital inimaginablemente inmensa, increíblemente inteligente e infinitamente creativa que elige dar existencia manifiesta a nuestro cosmos».[5] Si este meta-universo no es similar al Dios personalmente intervencionista de las creencias judeo-cristiana-islámicas, sí guarda un notable parecido con los antiguas creencias de los brahmanes y los taoístas.[6] Lee Smolin, por otro lado, cree que la segunda revolución científica está liberando a la ciencia de esta visión del mundo esencialmente espiritual. «Lo que une la teoría general de la relatividad, la teoría cuántica, la selección natural y las nuevas ciencias de sistemas complejos y auto-organizados es que describen, de distintas maneras, un mundo que es completo en sí mismo, sin necesidad de que una inteligencia externa haga las veces de inventor, organizador u observador externo».6 Aquí, los nuevos ingredientes son la selección natural, la complejidad y las teorías de sistemas capaces de organizarse s sí mismos. Como que son conceptos que suelen utilizarse para explicar la aparición de la vida, postergo su explicación hasta la Segunda Parte. Las conjeturas cosmológicas sometidas a test Si no existe una forma predecible, ni siquiera posible, de someter las conjeturas cosmológicas a test, bien sea experimental bien sea observacional, ¿qué test deberíamos utilizar para evaluarlas y determinar su racionalidad en comparación, por ejemplo, con el mito de que el cosmos salió de un huevo? Solemos utilizar los test siguientes: Belleza Los físicos teóricos suelen buscar la estética en sus teorías y ecuaciones. Según lo expresa el teórico cuántico, Paul Dirac, «Es más importante tener belleza en las ecuaciones que conseguir que cuadren con la experimentación». Steven Weinberg, físico teórico de partículas galardonado con el Premio Nobel, observa que «Una y otra vez, los físicos se han guiado por su sentido de la belleza no solo para desarrollar nuevas teorías, sino incluso para juzgar la validez de teorías físicas una vez están desarrolladas».[7] Pero la belleza es subjetiva. ¿Es bello el número b, que aparece como constante en muchas ecuaciones y equivale a 3,141592653... (es imposible calcular su valor exacto)? ¿Es mi hipótesis o ecuación más bella que la tuya? ¿Es bello el relato de la creación que ofrece el Génesis y que se mencionaba en el capítulo 1? Sería muy distinto si los teóricos que dicen esto se refieren a que tienen un punto de vista que explica bellamente un conjunto de fenómenos; por lo demás, examinaré formas de saberlos distintas al racionamiento. Pero no creo que la belleza sea un test adecuado para evaluar la racionalidad de una conjetura. Parsimonia Es lo que conocemos como economía, o navaja de Ockham o simplicidad. Esencialmente significa que la explicación de los datos que resulte menos compleja será siempre la preferible. Lo considero útil como regla general, pero debe utilizarse con prudencia y solo junto otros test, puesto que siempre cabe la posibilidad de que otras explicaciones superen mejor la prueba. Por ejemplo, podría argumentarse que la explicación más sencilla para las leyes de la física es que Dios o un dios las concibió de esta manera. Consistencia interna La conjetura debería ser coherente, es decir, debería tener una consistencia lógica interna para que sus distintas partes encajen y formen un todo armonioso. Si sufre contradicciones internas, la conjetura será irracional, lo que lo convierte en un test esencial. Consistencia externa con las evidencias Una conjetura debe demostrar que es consistente con las evidencias que se conocen, aunque no pueda realizar predicciones o retrodicciones susceptibles a ser verificadas independientemente. Se trata de un test útil, aunque no alcanza el nivel de una validación científica. Consistencia externa con otros dogmas científicos Es lo que Edward O. Wilson, inspirándose en el filósofo del siglo xix, William Wheewell, denomina consiliencia: la conjetura se amolda a los conocimientos sólidamente verificados de otras disciplinas científicas para formar una base común para su explicación. Cuando no es posible mostrar consistencia con las evidencias del campo de estudio de la conjetura, la consistencia con los principales dogmas de la ciencia contemporánea resulta un test muy útil. Origen del universo Las principales conjeturas cosmológicas sobre el origen del universo se dividen entre las que postulan un inicio del universo y las que sostienen que el universo es eterno. Modelo ortodoxo: el Big Bang El principal ejemplo dentro de la primera categoría es el actual modelo ortodoxo, pero como ya vimos en el capítulo 4, el modelo no explica cómo se creó la materia a partir de la nada. Los intentos de explicación han dado como resultado la conjetura dela energía neta cero del universo, en la que la energía gravitatoria negativa cancela la energía positiva representada por el resto de masa y la energía cinética de la materia más la radiación.[8] Es lo que llevó a Guth a calificar el universo de «comida gratis». Pero si el Big Bang es el comienzo de todo, incluyendo el espacio y el tiempo, no existe un universo con energía neta cero capaz de proporcionar la energía para todo lo que sigue y no existe un vacío preexistente que obedezca las leyes de la teoría cuántica. Esta conjetura no alcanza a superar el test esencial de la consistencia interna. Si, tal y como defienden ahora los teóricos inflacionarios, el Big Bang se produjo al final de un periodo de inflación, no se trataría de un añadido al modelo básico sino de una contradicción de su principio fundamental. Ni siquiera los cosmólogos pueden disfrutar de una comida gratis: o el Big Bang fue el inicio de todo, o no lo fue. A pesar de que los cosmólogos conocen el actual modelo ortodoxo como el Modelo cosmológico estándar o el Modelo de concordancia, tal vez sería más preciso describirlo como «Modelo de fluctuación cuántica que agrupa conjeturas inflacionarias de antes o después del Big Bang caliente con un 27 por ciento de materia oscura desconocida y un 68 por ciento de energía oscura desconocida». Las versiones con inflación previa a un Big Bang presentan más consistencia interna que aquellas en las que el Big Bang es el inicio de todo o que los mitos internamente inconsistentes de la creación divina que defienden las creencias judeo-cristianas e islámicas.[9] Sin embargo, al no ofrecer un relato convincente sobre lo qué son la materia y la energía oscuras, no pueden reivindicar parsimonia ni siquiera un gran poder explicativo, puesto que dejan sin explicar el 95 por ciento de la supuesta parte observable del universo. Además, como que estas versiones no explican de dónde provienen el vacío cuántico, las leyes de la mecánica cuántica y el campo de inflación, es difícil defender que sean más razonables que la visión de brahmanes o taoístas, que defienden que todo emana y todo consiste en una realidad definitiva que existe más allá del espacio y del tiempo. Conjeturas multiverso Motivadas básicamente por la insatisfacción con la explicación del origen del universo que ofrece la cosmología ortodoxa, surgieron otras ideas —como el modelo de la inflación caótica de Linde, la selección natural de universos agujeros negros de Smolin y la conjetura del paisaje de posibilidades de la teoría de cuerdas— que sugieren que nuestro universo no es más que uno de muchos universos, o de infinitos universos, que existen dentro de un multiverso. Por mucho que estas sugerencias pudieran explicar de dónde y cómo surgió nuestro universo, siguen posponiendo la cuestión del origen: no logran explicar de dónde, cómo y por qué inició su existencia el multiverso, o el universo progenitor de Smolin. Si el multiverso fuera eterno, tampoco se explicaría cómo o por qué nuestro universo inició su existencia en un momento particular del tiempo y no en otro momento entre las infinitas posibilidades que tendría la eternidad. Consideraré la racionalidad de otras reivindicaciones del multiverso en la siguiente sección: «Forma del universo». Modelos «eternos» En el capítulo 5 se examinaron varios modelos que se autoproclaman como «eternos», como la inflación caótica eterna, el universo oscilante cíclico y el universo ecpirótico cíclico. Vimos que, pese a que las matemáticas les permiten continuar indefinidamente en el futuro, todos tienen necesariamente un principio. No puede existir un universo «semi-eterno» que tenga un principio pero no tenga fin, razón por la cual estos modelos no superan el test de consistencia interna. En el capítulo 5 se habló también de que Hoyle y sus colegas modificaron el modelo original de estado estacionario para producir la cosmología de estado cuasi-estacionario. Su idea básica es que el universo es eterno y sigue expandiéndose indefinidamente: tanto el tiempo como el espacio son infinitos. Que el espacio infinito siga expandiéndose no presenta ninguna contradicción lógica y, por lo tanto, la conjetura es internamente consistente. Pero la cosmología de estado cuasi-estacionario busca la consistencia externa con los datos obtenidos mediante observación defendiendo que continuamente se producen mini-bangs no singulares que crean regiones de nueva materia en ciclos que producen una expansión del universo de estado estacionario a largo plazo. La creación a partir de la nada mediante una serie interminable de mini-bangs no es más razonable que la creación de la nada a partir de un único Big Bang. Además. Mientras que la cosmología de estado cuasi-estacionario evita el problema de la singularidad en cada ciclo, extrapolarlo hacia atrás hasta la expansión general del universo conduce a un universo infinitamente pequeño que apenas se distingue de una singularidad. Podría decirse que esto constituiría un inicio del universo, que por lo tanto no sería eterno. Forma del universo ¿Cómo es que el universo inició su existencia con una forma determinada y no otra, siendo todas las formas lógicamente posibles? Entre todas esas formas hay universos con distintas constantes físicas, con distintas leyes físicas, con distinto número de dimensiones, etc. Esta pregunta forma parte esencial de una pregunta antrópica más amplia: ¿por qué nuestro universo está ajustado para permitir la evolución del ser humano? Ajuste de los parámetros cosmológicos En el capítulo 4 vimos que Martin Rees sostenía que si uno de entre seis parámetros cosmológicos se diferenciaba de su valor medido por una cantidad minúscula, el universo no habría evolucionado para permitir la emergencia de seres humanos pensantes con base de carbono como nosotros. Las leyes de la física no predicen los valores de estos parámetros y el actual modelo ortodoxo de la cosmología no logra explicar cómo o por qué estos parámetros están tan ajustados. Estos seis parámetros son: 1. Omega (Q): una medida de la atracción gravitatoria de la materia en el universo en comparación con su energía de expansión. Si ss produjo un Big Bang, sl valor de Omega cuando sl universo tenía un segundo de antigüedad debió de situarse sntrs 0,99999999999999999 y 1,00000000000000001; Cs lo contrario, sl universo habría colapsado rápidamente sn un Big Crunch o se habría expandido rápidamente hacia sl vacío.[10] 2. Lambda (A): la constante cosmológica. Como vimos en sl capítulo 4, esta hipotética constante que representa una snsrgíd oscura desconocida anti-gravedad ss cuestionable, igual que gran parte de los supuestos sn los que se basa su estimación. Pero, de todos modos, forma parte importante de la cosmología ortodoxa actual y sl valor que le han estimado los astrónomos ss increíblemente pequeño, unos 10-29 gramos por centímetro cubico. Si no fuera tan pequeña, argumenta Rees, su efecto había impedido la formación de galaxias y estrellas y la evolución cósmica ss habría detenido antes incluso de empezar. 3. Nu (N): la razón sntrs la potencia de la fuerza electromagnética y la potencia Cs la fuerza grdeitdt»rid. Tiene un valor aproximado de 1036 (1.000.000.000.000.000. 000.000.000.000.000.000.000). La fuerza electromagnética proporciona estabilidad a los átomos y las moléculas al equilibrar las fuerzas atractivas y repulsivas de núcleos y electrones con cargas opussIvs. A ssIv escala, la relativamente minúscula fuerza gravitatoria ss insignificante. Pero con sl tamaño de planetas casi neutros eléctricamente y más grandes, la fuerza gravitatoria pasa a ser dominante. Si Nu tuviese unos cuantos ceros menos, esta fuerza gravitatoria relativamente potente produciría un universo en miniatura de vida corta, no se formarían estructuras complejas y no habría tiempo para la evolución biológica. 4. Q: una medida que la fuerza que mantiene cohessonadas 1^1^101^^ como estrellas, galaxias,cúmulos de galaxias y súper-cúmulos. Es el cociente entre dos energías: la energía necesaria para romper y dispersar estas estructuras cósmicas en relación con la energía de la masa en reposo calculada mediante E = mc2. Se estima que su valor aproximado es 10-5, o 0,00001. Si Q fuese aún más pequeña, el universo sería inerte y desestructurado. Si Q fuese mucho mayor, no sobreviran ni las estrellas ni los sistemas solares: el universo estaría dominado por agujeros negros. 5. Épsilon (e): una medida de la cohesión de tos núdeos de helto. La reacción nuclear en cadena esencial para crear todos los elementos y proporcionar energía a las estrellas es la fusión de dos protones (núcleos de hidrógeno) y dos neutrones para crear el núcleo de helio.[11] La masa de un núcleo de helio es un 0,7 por ciento inferior que la masa de las partes que lo integran. Esta conversión en energía —principalmente calorífica— del 0,007 de su masa, según la ecuación E = mc2, mide la fuerza que cohesiona las partes integrantes del núcleo de helio, superando la fuerza mutuamente repulsiva de los dos protones con carga positiva. Si este factor de conversión fuera inferior (0,006, por ejemplo), no se produciría la primera fase de la reacción en cadena, la unión de un protón con un neutrón, y, en consecuencia, no habría producción de helio y el universo estaría hecho solo de hidrógeno. Si fuese mayor (0,008, por ejemplo), los dos protones se unirían directamente para crear helio y no quedaría hidrógeno para proporcionar el combustible necesario a las estrellas o para permitir la posible producción de las moléculas esenciales para la vida humana, como el agua. 6. D: el número de dimensiones espaciales del universo. En el universo este número es tres (más una dimensión de tiempo). Una consecuencia de ello, según Rees, es que fuerzas como la gravedad y la electricidad obedecen una ley cuadrática inversa: si duplicáramos la distancia entre masas o partículas cargadas, la fuerza entre ellas sería cuatro veces más débil; si triplicáramos la distancia, la fuerza sería nueve veces más débil; y así sucesivamente. Esto permite una relación equilibrada entre, por ejemplo, el movimiento centrífugo de un planeta y la fuerza centrípeta de la gravedad de su sol, lo que permite una órbita estable. Si hubiera cuatro dimensiones espaciales, las fuerzas seguirían una ley cúbica inversa y las estructuras serían inestables: si un planeta en órbita ralentizara su movimiento, aunque fuera solo mínimamente, se precipitaría contra su sol; si aumentara la velocidad, empezaría a girar en espiral hacia la oscuridad. Si hubiera menos de tres dimensiones espaciales no podrían existir estructuras complejas.8 John Barrow y Frank Tipler afirman que existen parámetros adicionales a los seis propuestos por Rees que son necesarios para la evolución humana. Examinaré la cuestión del «universo antrópico» cuando salga a relucir s lo largo de este viaje. Pero, por el momento, estoy examinando solo la racionalidad de las conjeturas cosmológicas para responder a la pregunta concreta de cómo y por qué el universo adoptó la forma que adoptó en contraste con las creencias de que Dios, o un dios, lo diseñaron de esta manera. La explicación multiverso La conjetura preferida por Rees y muchos cosmólogos es la explicación multiverso. A primera vista parece eminentemente razonable. Un hipotético multiverso niega la unicidad del universo en el que vivimos porque aplica la probabilidad al cosmos. Su reivindicación básica es que todo es posible y por lo tanto, en un cosmos integrado por un número inimaginablemente grande de universos, o incluso por una infinidad de universos, cada uno de ellos con propiedades distintas, es tremendamente probable que exista un universo con las mismas propiedades que el nuestro. Y solo es casualidad que nosotros existamos en el universo que existimos. Pero si examinamos el asunto con más detalle empiezan a surgir preguntas. La primera de ellas es cuál es la naturaleza del multiverso. Existen prácticamente tantos tipos distintos de hipotéticos multiversos como universos hipotéticos hay en cualquier multiverso. Podemos agruparlos en cuatro categorías principales: 1. Multiverso cuántico. Esta interpretación de la teoría cuántica, que entra en conflicto con la interpretación estándar o de Copenhagen,[12] fue propuesta en 1957 por Hugh Everett. Aquí, todos los resultados posibles de todos y cada uno de los sucesos que se producen a nivel cuántico dan lugar a universos alternativos que existen en paralelo como versiones alternativas desconectadas de la realidad en otra rama cuántica de un espacio con infinitas dimensiones. La versión inicial de esta conjetura propone que estos universos existen con el mismo número de dimensiones de espacio y tiempo que el nuestro y están descritos mediante las mismas leyes de la física y las mismas constantes; lo que los diferencia son los resultados de cada suceso. Por ejemplo, una serie de resultados de sucesos a nivel subatómico cuántico de una mujer produce resultados distintos a nivel macro a la pregunta formulada por un hombre: «¿quieres casarte conmigo?». Esto produce, entre otros, un universo en el que ella se casa con él y otro en el que no lo hace. Versiones posteriores sugieren que en estas ramas cuánticas alternativas de la realidad las leyes de la física serían distintas. Que la hipótesis del multiverso cuántico sea consistente internamente es más que cuestionable. Lógicamente, produce un universo en el que Everett cree en la conjetura y otro universo en el que no. Por otro lado, recurrir a un número inimaginablemente grande de universos para explicar el universo que nosotros percibimos se aleja mucho de la parsimonia;[13] y esto aplica a todas las conjeturas del multiverso. Defender una consistencia externa aludiendo al excepcional éxito empírico que ha cosechado la teoría cuántica para explicar las bases subatómicas de la química resulta seductor, pero lo que en realidad significan las ecuaciones y los principios de la teoría cuántica, y si es posible extrapolarlos del ámbito subatómico a la enorme escala del universo, son preguntas que las mejores mentes de la física y de la filosofía no han conseguido todavía responder. 2. Multiverso cosmológico débil. Estos multiversos fueron introducidos por los cosmólogos ortodoxos para el ajuste de los parámetros físicos clave necesarios para la creación del entorno fisicoquímico donde la vida humana pueda evolucionar, el llamado «universo antrópico». La mayoría de estas conjeturas proponen que los demás universos tienen una vida corta o existen en el mismo espacio tridimensional que el nuestro pero a una distancia remota, mucho más allá de nuestro horizonte de contacto. (Un multiverso cuántico, por otro lado, no presenta una distancia física que separe universos existentes en ramas cuánticas paralelas.) Los he etiquetado como «débiles» porque solo asumen que varían los valores de las constantes o parámetros físicos, como la carga de un electrón o el valor de la constante gravitatoria. Sus defensores no ofrecen buenos motivos para explicar por qué, en un multiverso donde cualquier cosa es posible, solo varían las constantes físicas mientras que las leyes de la física permanecen iguales. Suponer que las leyes de la física observadas en una parte minúscula de un universo son las mismas que las de los demás universos que desconocemos es irracional. A diferencia de otras versiones, la conjetura del multiverso de Smolin, que evoluciona mediante la selección natural cosmológica de universos con agujeros negros, proclama su consistencia externa con otros dogmas científicos porque el mecanismo de la selección natural funciona en la biología. En la Segunda Parte examinaré si la selección natural en la evolución biológica está demostrada en términos científicos, pero parece que sí. Sin embargo, esta conjetura depende también de una serie de supuestos cuestionables, tres de loscuales son a todas luces irracionales, como se comentó en el capítulo 5.[14] 3. Multiverso cosmológico moderado. Estas ideas permiten la variación de factores distintos a las constantes físicas. Un ejemplo sería un universo con dimensiones distintas. Las conjeturas de cuerdas especulan que el universo de tres dimensiones espaciales que percibimos forma parte de un megaverso de once dimensiones (este número ha variado en el pasado y podría cambiar en el futuro).[15] Otro ejemplo surge s partir de las conjeturas de paisaje de posibilidades de la teoría de cuerdas, en las que todos los posibles megaversos tienen constantes y leyes de física distintas, además de dimensiones distintas.[16] A pesar de que permiten más variaciones que la version debil, estas conjeturas no permiten universos que no estén gobernados por la «teoría» de cuerdas y no explican por qué debería ser así. Además, como vimos en la sección titulada «Problemas de la teoría de cuerdas»[17], por mucho que cada teoría de cuerdas sea internamente consistente, Smolin presenta un caso potente contra la consistencia externa con las evidencias y llega a la conclusión de que «todas las versiones que podemos estudiar en detalle no están conformes con la observación».9 Sostiene además que es externamente inconsistente con los principios científicos de la teoría de la relatividad: «El descubrimiento de Einstein de que la geometría del espacio y el tiempo es dinámica no se ha incorporado a la teoría de cuerdas».[18] Sin más resultados positivos de los test de racionalidad para las conjeturas científicas (que no es lo mismo que las matemáticas), resulta complicado ver cómo la hipotética existencia de otras dimensiones es más sostenible que la creencia de muchas escuelas budistas de que existen treinta y un ámbitos de existencia distintos.[19] Además, la hasta ahora no verificable idea de que la materia del universo no se reduce a partículas fundamentales sino a cuerdas de energía no parece ni más ni menos razonable que la visión de las Upanishad de que el prana (la energía vital) es el sustrato esencial de todas las formas de energía y, en muchas interpretaciones, de toda la materia.[20] 4. Multiverso cosmológico fuerte. Esto lleva la conjetura s su conclusión lógica: universos en los que todo es posible. Tegmark propone con entusiasmo este punto de vista, etiquetándolo como un universo de Nivel IV, lo que «elimina la necesidad de especificar nada».[21] Adopta una postura platónica y asegura que una estructura matemática satisface un criterio básico de existencia objetiva porque es siempre igual, sea quien sea quien la estudie: «un teorema es cierto independientemente de si lo pone a prueba un ser humano, un ordenador o un delfín inteligente». Propone asimismo que «todas las estructuras matemáticas existen también físicamente. Toda estructura matemática se corresponde con un universo paralelo. Los elementos de este multiverso no residen en el mismo espacio sino que existen fuera del espacio y el tiempo». Sin embargo, no consigue explicar ni sugerir cómo se originaron estas estructuras matemáticas. Reconoce que no existe ninguna estructura matemática conocida que encaje exactamente con nuestro universo y llega a la conclusión de que o encontramos una o «chocaremos contra el límite de la efectividad irracional de las matemáticas» y tendremos que abandonar este nivel. Afirma que el concepto de multiverso supera el test de la parsimonia. Defiende que es posible dar la vuelta al argumento de que la naturaleza no es tan despilfarradora como para permitirse una infinidad de mundos distintos que nunca podremos observar y defender un multiverso, porque el conjunto completo siempre suele ser más sencillo que uno solo de sus integrantes. Por ejemplo, el conjunto de soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein es más sencillo que una solución concreta. «En este sentido, los multiversos del nivel más superior son los más sencillos». Puesto que «el multiverso de Nivel IV elimina la necesidad Cs especificar cualquier cosa [...] sl multiverso no podría ssr más ssdcill»». Creo que podría discutirse que si no se especifica nada en absoluto, el multiverso no tiene ningún sentido. De un modo similar, esa misma falta de especificidad significa que es imposible demostrar cualquier consistencia externa, bien con las evidencias, bien con otros dogmas científicos. Además, Tegmark no ofrece razones para detenerse en las estructuras matemáticas. Si todo es posible, la consecuencia es que uno de los universos posibles posee propiedades que están determinadas, no por una estructura matemática sino por Dios y de tal manera, además, que la evolución de seres humanos como nosotros es un resultado inapelable. Y este es precisamente el universo antrópico por diseño divino que el multiverso pretende contratacar. Conclusiones Ni la ciencia ni la razón ofrecen una explicación convincente sobre el origen y la forma del universo y, en consecuencia, tampoco la ofrecen sobre el origen de la materia y la energía de las que estamos hechos. Creo que probablemente es algo que queda lejos de su alcance. Según Ellis, la ciencia tiene una capacidad tremendamente limitada para dar respuesta a preguntas tan fundamentales como estas. Las evidencias obtenidas hasta el momento en nuestro periplo apoyan su «profunda conclusión de que obtener la certidumbre en el conocimiento de los fundamentos de todas las áreas de la vida, incluyendo tanto la física fundamental, como la cosmología, la filosofía s incluso, el bastión aparentemente inexpugnable de las matemáticas, es una cuestión inalcanzable».[22] No pretendo con esto que nos aboquemos a la desesperación y al pesimismo. Si aceptamos las limitaciones de la ciencia y el razonamiento, «podemos conseguir una comprensión satisfactoria, profunda incluso, del universo y de su funcionamiento, y, por mucho que debamos tener siempre presente que es provisional, podrá aportarnos una visión del mundo satisfactoria y una base de actuación». Por suerte, la ciencia aumentará su poder explicativo cuando pasemos del origen de la materia a su evolución. [1]Para estas divisiones he recurrido a Ellis (2007), S.9.3.3. |2|aOglrk^\. Max, «Parallel Universes» Scientific American, 1 de mayo de 2003, http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000F1EDD-B48A-1E90-8EA5809EC588000 0. Consultado el 8 de agosto de 2006. [3]Penrose (2004), pp. 17-19 y 1027-1029. http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000F1EDD-B48A-1E90-8EA5809EC588000 [4] Ward, Keith, «Cosmology and Creation», Gresham College lecture, Londres, 17 de noviembre de 2004. [5] Etgin (1993), capítulo 13. [6] Smnlin (1998), p. 242. [7] ̂ in^^nb^g (1994), p. 94. [8] Rees (2000). [9] Smnlin (1998), p. 198. [10] Véase página 68. [ 11]Véase capítulo 9 para una explicación más detallada. [12] Véase página 160. [13] YaqueelnBmTrddererultaCddalte^rBtivodderdOddi odsuccrodcuánticod desde el Big Bang es inimaginablemente grande, Paul Davies describió esta conjetura como «barata en supuestos pero cara en universos». [14] Véase página 108. [15] Véase página 121 y página 130. [16] Véase página 130. [17] Véase página 130. [18] foid, p. 184, [19] http://www.accesstoinsight.org/ptf7dhamma/sagga/loka.html. Consultado el 9 de junio de 2014. [20] Véase glosario para una interpretación completa. [21] Tag^^rk (2003). [22] e11ís (2002), S.6.6. http://www.accesstoinsight.org/ptf/dhamma/sagga/loka.html CAPÍTULO 8. LA EVOLUCIÓN DE LA MATERIA A GRAN ESCALA Tenemos que explicar por qué el universo es tan uniforme a grandes escalas y sugerir, además, el mecanismo que produce las galaxias. Andrei Linde, 2001 Por muy impresionante que sea una teoría cosmológica, tiene que cuadrar con lo que nosotros vemos en el cielo. Michael Rowan-Robinson, 1991 Como hemos visto, la ortodoxia cosmológica actual y las explicaciones sobre el origen del universo que compiten con ella son más conjeturas que teorías científicas respaldadas con evidencias.Examinaré a continuación la explicación que da la ciencia a cómo evolucionó la materia desde su estado primordial hasta formas más complejas, culminando con el ser humano. Evolución: proceso de cambio que afecta a alguna cosa, especialmente de un estado sencillo a otro más complejo. Utilizo este significado porque quiero dejar claro que la evolución no está limitada a la evolución biológica, sino que es un fenómeno que percibimos en todo el universo. Como que la evolución de la materia depende críticamente de cómo interactúan los distintos elementos de la materia, comentaré en primer lugar lo que conoce hoy en día la ciencia sobre las cuatro interacciones fundamentales a las que sabemos que se reducen las fuerzas naturales. A continuación resumiré el relato que la ortodoxia cosmológica actual hace de la evolución de la materia a gran escala, distinguiendo entre conjetura e hipótesis, por un lado, y teoría sustentadas por evidencias firmes, por el otro, y consideraré los desafíos razonables y las explicaciones científicas alternativas cuando sea necesario. En el capítulo siguiente examinaré la evolución de la materia a pequeña escala. Las fuerzas fundamentales de la naturaleza Subhash Kak, profesor Regents y director del departamento de Ciencias de la computación de la Oklahoma State University, afirma que en la India antigua ya se conocía la gravedad.[1] Muchos filósofos, desde Aristóteles en el siglo iv a. C., especularon sobre la fuerza que provoca el movimiento de los planetas y también sobre la fuerza que provoca la caída de los objetos hacia la Tierra. Pero es a Isaac Newton a quien se atribuye la formulación de una ley de la gravitación universal que aplica tanto a la fuerza que retiene a los objetos en la Tierra como a la fuerza que mantiene a la luna y los planetas en sus órbitas. La ley se publicó en 1687 como parte de la obra Principia Mathematica. La fuerza magnética se conoce al menos desde el siglo v a. C., la electricidad estática fue mencionada por Tales hacia 600 a. C., mientras que las corrientes eléctricas fueron descubiertas en 1747 por William Watson. El reconocimiento de que la fuerza eléctrica y la fuerza magnética eran lo mismo se inició en 1820, cuando Hans Orsted descubrió que las corrientes eléctricas producían campos magnéticos, mientras que Michael Faraday demostró en 1831 que un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. Entre 1856 y 1873, James Clerk Maxwell desarrolló la teoría del campo electromagnético dotándola de una base matemática, derivó de ella las leyes del electromagnetismo y descubrió el carácter electromagnético de la luz. Después del descubrimiento del neutrón en 1932, Hideki Yukawa propuso en 1935 la existencia de una fuerza entre nucleones[2] que adoptaba la forma de un intercambio de partículas masivas, a las que denominó bosones. La idea fue desarrollada a finales de los 70, cuando físicos de partículas llegaron a la conclusión de que los quarks, y no los nucleones, eran las partículas fundamentales y que su interacción —la fuerza fuerte— constituía una fuerza fundamental de la naturaleza, lo que relegó la fuerza nuclear a algo «residual» de la fuerza fuerte. Henri Becquerel descubrió los «rayos uránicos» en 1896, aunque eso fue décadas antes de que los científicos comprendieran los diversos procesos de desintegración radiactiva por las que un núcleo atómico inestable pierde energía emitiendo radiación en forma de partículas o de ondas electromagnéticas. La fuerza débil, responsable de un tipo de desintegración radiactiva, fue definida como tal en 1956 por Chen Ning y Tsung Dao Lee, cuando predijeron que la ley de conservación de paridad[3] —considerada hasta entonces universal— no se mantenía con interacciones débiles. Chien-Shiung Wu confirmó experimentalmente la hipótesis un año más tarde. Las cuatro fuerzas fundamentales que actúan entre las partículas elementales de las que se supone es que está compuesta toda la materia, se conocen hoy en día como las cuatro interacciones fundamentales. Los conocimientos que sobre ellas tiene la ciencia actual podrían resumirse como sigue. Interacción gravitatoria En la física newtoniana, la fuerza gravitatoria es una fuerza instantánea de interacción entre todas las partículas de masa. Es la única universal de las cuatro interacciones fundamentales. Su alcance es infinito, su efecto siempre es atractivo y se obtiene multiplicando las masas y dividiendo el producto obtenido por el cuadrado de la distancia entre los centros de masa de las partículas y multiplicando el resultado por la constante universal, G, lo que se conoce como la constante gravitatoria de Newton. Se expresa matemáticamente como sigue: C 'W/Hj Donde F es la fuerza gravitatoria, m1 y m2 son las masas, r es la distancia entre los centros de masa y la constante, G, es un número increíblemente pequeño: 6,67 x 10-11 metros3 (kg-seg2)-1. Físicos e ingenieros siguen utilizando hoy et día esta ecuación porque la mayoría de masas y velocidades que experimentamos coinciden a la perfección con los datos. Se utiliza, por ejemplo, para calcular las trayectorias de los vuelos espaciales. La teoría científica actual, sin embargo, la considera tan solo una buena aproximación. La teoría de la relatividad general de Einstein cambió el concepto de la gravedad: no es una fuerza de interacción entre masas sito una deformación del tejido espacio-tiempo provocada por la masa; no es instantánea[4]. Según la teoría del campo cuántico, el campo gravitatorio creado por una masa debería ser «cuantizable», es decir, su energía debería aparecer et cuantos discretos, lo que se conoce como gravitones, del mismo modo que la energía de la luz aparece en cuantos discretos llamados fotones; la teoría, sin embargo, se desmorona cuando se aplica a energías muy elevadas (y, en consecuencia, a longitudes de onda muy cortas). Las masas aceleradas deberían emitir ondas gravitacionales —que son campos gravitatorios en propagación—, del mismo modo que las cargas aceleradas emiten ondas electromagnéticas. En 2014, científicos de los observatorios gemelos Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) [Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser], localizados en Livingston (Louisiana) y Hanford (Washington), anunciaron la detección de ondas gravitacionales generadas durante la última fracción de segundo de la fusión de dos agujeros negros, para producir un único agujero negro más masivo en rotación. No existen actualmente evidencias que soporten la existencia de los gravitones. Interacción electromagnética La interacción electromagnética se asocia con los campos eléctricos y magnéticos, que son manifestaciones de un único campo electromagnético. Gobierna la interacción entre dos partículas cargadas eléctricamente, como un protón y un electrón, y es responsable de las interacciones químicas y de la propagación de la luz. Igual que sucede con la interacción gravitatoria, su alcance es infinito y su fuerza ss inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre partículas; pero a diferencia de la interacción gravitatoria, puede ser tanto atractiva, cuando las dos cargas son distintas (positiva y negativa) como repulsiva, cuando las dos cargas son iguales (ambas positivas o ambas negativas). La interacción electromagnética entre átomos es 1036 veces más fuerte que su interacción gravitatoria. Según el modelo estándar de la física de partículas, opera por el intercambio de un mensajero o partícula portadora, el fotón sin masa, entre partículas con carga. El fotón es un cuanto de energía electromagnética que posee propiedades tanto de partícula como de onda y tiene un tiempo de vida indeterminado. Su existencia queda demostrada por el efecto fotoeléctrico, por el cual los metales emiten los electrones cuando son irradiados por la luz, un fenómeno que la física clásica no alcanza a explicar pero que sí explica la teoría de los fotonesde Einstein. La interacción electromagnética domina a escala de átomos y moléculas: los átomos se mantienen unidos gracias a ella. Un átomo de hidrógeno consiste en un protón con carga positiva alrededor del cual, y gracias a la fuerza electromagnética de atracción, se mantiene en órbita un electrón con carga negativa. Cuando dos átomos de hidrógeno se unen en una molécula, la fuerza eléctrica repulsiva de los dos protones se equilibra mediante la fuerza de atracción de los dos electrones en órbita, haciendo que la molécula sea electrónicamente neutra y estable. Según la teoría cuántica, los electrones muestran cualidades tanto de partí culas como de ondas y por lo tanto, no orbitan alrededor del núcleo cargado positivamente en un plano, como orbitaria la Tierra alrededor del sol, sino que lo hacen en una órbita en forma de cubierta o capa. Esto significa que la carga negativa se extiende por el exterior del átomo o molécula. En consecuencia, cuando dos moléculas en movimiento chocan, la fuerza de repulsión entre las dos capas con carga negativa hace que las moléculas reboten. Y como que esta interacción electromagnética es 1036 veces más fuerte que la interacción gravitatoria entre las moléculas, la interacción gravitatoria puede ignorarse a nivel atómico y molecular. A modo de ilustración, si usted saltara desde lo más alto del Empire State Building, la interacción gravitacional entre usted y el centro de la Tierra le haría acelerar hacia el centro de la Tierra. Pero no conseguiría llegar allí porque la capa de electrones con carga negativa que rodea sus moléculas exteriores se vería repelida por la capa de electrones con carga negativa de las moléculas exteriores del pavimento: la colisión lo destrozaría. La gravedad, sin embargo, domina las masas grandes de tamaño planetario. Y es así porque la gravedad siempre es atractiva: si duplicamos la masa, duplicamos la fuerza gravitatoria que ejerce. Pero dos cargas solo pueden ejercer el doble de fuerza de una sola si ambas son positivas o ambas son negativas. Un cuerpo grande, como la Tierra, está integrado por prácticamente la misma cantidad de carga positiva que negativa. En consecuencia, la interacción atractiva y repulsiva entre las partículas a nivel individual queda cancelada y la interacción electromagnética neta es mínima. En la escala de un planeta pequeño o similares (incluyendo nuestra luna, que es excepcionalmente grande), la gravedad reemplaza el electromagnetismo y es la responsable de su forma esférica. Interacción fuerte Se cree que la interacción fuerte es la fuerza que mantiene unidos a los quarks para que forman protones, neutrones y otros hadrones, y que une a protones y neutrones para que formen el núcleo del átomo, superando con ello la repulsión eléctrica de los protones con carga positiva. Por lo tanto, es la responsable de la estabilidad de la materia. Su alcance es aproximadamente el de un núcleo atómico y a estas distancias su fuerza es unas cien veces superior a la de la interacción electromagnética. Si fuera más fuerte, sería difícil romper los núcleos, no habría reacciones nucleares en cadena en el interior de las estrellas y no podría producirse ningún elemento más allá del litio. Si fuera más débil, los núcleos atómicos que poseyeran más de un protón no serían estables y no habría elementos más allá del hidrógeno. Si actuara sobre los electrones, los empujaría hacia el núcleo y tanto las moléculas como las reacciones químicas serían imposibles. Si tuviera un alcance infinito, como la gravedad y el electromagnetismo, uniría a todos los protones y neutrones del universo en un único núcleo gigantesco. Según el modelo estándar de la física de partículas, opera por el intercambio de un gluon sin masa —una partí cula mensajera o intermediaria— entre quarks, de los que se supone que están compuestos protones y neutrones. No se han observado gluones libres, de los que se supone que existen ocho tipos. Su existencia fue deducida en 1979 a partir de colisiones entre electrones y positrones en el acelerador de partículas DESY de Hamburgo. Interacción débil La interacción débil es la fuerza fundamental entre partículas elementales de materia que juega un papel trascendental en la transformación de unas partículas en partículas distintas, a través, por ejemplo, de una desintegración radiactiva. Es la responsable de transformar un electrón y un protón en un neutrón y un neutrino, una fase fundamental de las reacciones nucleares que se producen en el interior de las estrellas. Es la interacción sdtrs partículas fundamentales Cs sspíd / como los dsutrid»s, pero no entre partículas Cs espín 0, 1 o 2, como los fotones. Es varios órdenes Cs magnitud más débil que la interacción electromagnética y mucho más débil que la interacción nuclear fusrts, mientras que su alcance ss Cs una milésima parte sl diámetro Csl núcleo atómico. Según sl modelo estándar Cs la física Cs partículas, opera por sl intercambio Cs partí culas mensajeras —las potentemente cargadas W+ y W— y los bosones Z neutros; estas partículas fueron CstsctdCds sn 1983 con sl acelerador Cs partículas CERN instalado en Ginebra. Puesto que dos de estas interacciones han sido descubiertas y confirmadas en los últimos ochenta años, sería poco inteligente asumir que en el futuro no se descubrirán otras fuerzas o interacciones de carácter distinto. De hecho, hay quien afirma haber identificado, a través de estudios de la conciencia humana, una o más fuerzas adicionales. Examinaré las propuestas más razonables cuando llegue su momento, pero por el momento adelantaré que no mantienen ningún tipo de relación aparente con el relato cosmológico de la evolución de la materia. La evolución de la materia según la cosmología ortodoxa actual Si agrupamos los resúmenes de las hipótesis y conjeturas discutidas en los anteriores capítulos y les incorporamos información obtenida a partir de otras fuentes obtenemos lo que podría definirse como un calendario de la evolución de la materia según la cosmología ortodoxa actual. El Big Bang caliente Tiempo: 0; Temperatura: ¿infinita?; Radio del universo: 0 El universo, incluyendo espacio, tiempo y una única fuerza de la naturaleza, cobra existencia a partir de la nada en forma de minúscula bola de fuego de radiación con el Big Bang caliente. Sin embargo, si utilizamos la teoría general de la relatividad para realizar una extrapolación hacia atrás del universo, se produce una singularidad, un punto de densidad infinita y temperatura infinita en el que la teoría de la relatividad se desmorona; el principio de incertidumbre de la teoría cuántica insinúa que nada tiene sentido antes de los 10-43 segundos después del principio del tiempo.[5] Esta extrapolación de la física conocida al tiempo, t = 0, no es fiable,[6] por lo que esta explicación del origen de la materia es una conjetura. Tiempo: 10-43 segundos; Temperatura: 1032 K; Radio del universo: 10-33 centímetros El radio del universo es la distancia más corta recorrida a la velocidad de la luz en la que es aplicable la teoría cuántica (longitud de Planck[7]). La fuerza gravitatoria se separa de la fuerza universal dejando una gran fuerza unificada. El universo se expande rápidamente, pero su ritmo de expansión está ralentizándose. A medida que se expande y se enfría, la radiación generada por el Big Bang produce partículas y antipartículas fundamentales que se aniquilan mutuamente y se convierten de nuevo en radiación. El universo en expansión es, pues, una sopa en ebullición de energía de radiación en forma de fotones, junto con una proporción mucho más pequeña de electrones, cuarks, gluones y otras partículas fundamentales, más sus correspondientes antipartículas, cuya existencia queda predicha por el modelo estándar de la física de partículas. Los quarks nunca se han detectado s nivel individual (ni tampoco los correspondientes gluones que hipotéticamente actúan como las partículas que transportanla fuerza fuerte). Su existencia fue deducida a finales de los años 60 a partir de los patrones de dispersión detectados en experimentos de disparo de electrones contra núcleos atómicos llevados s cabo en el Stanford Linear Accelerator Center. Para explicar por qué nunca se han detectado quarks a nivel individual, los físicos de partículas conjeturan que están confinados en el interior de bariones (tres quarks) y mesones (un quark y un antiquark); si la energía se destina a extraer un quark de un barión, se transforma en una pareja quark-antiquark.[8] La especulación de que la gravedad surge a partir de una única fuerza universal se basa en las conjeturas de una Teoría del Todo, que extrapola hacia atrás en el tiempo cien millones de veces a partir de las ideas de las teorías de gran unificación (TGU) de la física de partículas (véase abajo), que son problemáticas en sí mismas. No existen todavía evidencias que lo sustenten y, por lo tanto, sigue siendo una conjetura. Tiempo: 10-35 segundos; Temperatura: 1027 K; Radio del universo: 10-17 centímetros Según las teorías de gran unificación (TGU), cuando el universo en expansión se enfría por debajo de 1027 K (mil millones de millones de millones de grados), la radiación deja de producir las hipotéticas partículas portadoras o mensajeras que perciben tanto las fuerzas fuertes como las débiles. Estas partículas se desintegran y la fuerza fuerte —que mantiene los quarks unidos y, en consecuencia, los protones y los neutrones— y la fuerza electro-débil se separan de la gran fuerza unificada. Esta fase de transición separa relativamente las partículas fundamentales grandes (quarks con carga positiva y antiquarks con carga negativa) de los leptones relativamente pequeños (partículas que incluyen electrones con carga negativa y neutrinos neutros). La conjetura defiende que esta ruptura de la simetría explica la aparente ausencia de antimateria en el universo.[9] El modelo estándar de la física de partículas plantea la hipótesis de que a temperaturas superiores a 1015 K, todas estas partículas fundamentales de materia (quarks, leptones y sus correspondientes partículas de antimateria) carecen de masa. La TGU más simple y sencilla, propuesta por Howard Georgi y Sheldon Glashow en 1974 y conocida como SU(5), es matemáticamente elegante, lógica y ofrece una predicción precisa sobre la desintegración de los protones. Sin embargo, más de veinticinco años de experimentos no han conseguido detectar evidencias de desintegración de protones cuando, estadísticamente, tendría que haberse producido. La SU(5) quedó así desaprobada. Se desarrollaron otras TGU, incorporando más simetrías y más partículas y, por lo tanto, más constantes que ajustar, permitiendo que el ritmo de desintegración de los protones cambiara para que los teóricos pudieran, en palabras del físico teórico Lee Smolin, «conseguir fácilmente que la teoría quedara a salvo del fallo experimental». Estas TGU han «dejado de ser explicativas».[10] Son conjeturas. En varios modelos, la inflación empieza o termina en esta hipotética fase de transición hacia el universo. Las preferidas actualmente especulan con que la inflación empieza y luego termina en un Big Bang caliente antes de que el universo se enfríe a 1027 K, cuando las fuerzas fuertes y débiles se separan.[11] Seguimos estando en el terreno de la conjetura. Tiempo: algún momento entre 0 y 10-35 segundos; Temperatura: ?; Radio del universo: inflado hasta alguna cantidad situada entre 1010 y (1010)12 centímetros Dependiendo de cuál de entre el centenar aproximado de versiones de la conjetura de la inflación elijamos, en algún momento indeterminado del pasado, entre 0 y 10-11 segundos después del comienzo del espacio-tiempo, el universo sufre una inflación exponencial durante un periodo de tiempo indeterminado, aunque increíblemente breve, que aumenta el radio del universo hasta un tamaño situado entre 1010 y 101000000000000 centímetros.[12] (Se cree que el radio actual del universo observable es de 1028 centímetros.) Esta enorme discrepancia en el hipotético tamaño tiene su origen no solo en las diferencias del periodo de inflación asumido, sino también en las diferencias del radio inicial asumido, puesto que algunas versiones suponen que era considerablemente inferior a la longitud de Planck y que la inflación se inició en un momento considerablemente inferior al tiempo de Planck, 10-43 segundos después del comienzo de los tiempos. Estas versiones presentan problemas teóricos, puesto que la teoría cuántica se desmorona con un tiempo inferior a 10-43 segundos. En la actualidad, los cosmólogos tienden a apoyar versiones en las que la creación del universo va seguida por una inflación exponencial extremadamente rápida de un falso estado de vacío y termina con el recalentamiento de una burbuja vacía que produce un Big Bang caliente, a partir del cual se produce la lenta expansión del universo tal y como ha quedado expuesta previamente. Si todo esto parece confuso es porque la mayoría de cosmólogos presenta el modelo del Big Bang inflacionario como la única explicación de la evolución del universo, pero no se muestran de acuerdo en cuanto a cuándo y cómo empezó y terminó la inflación; hasta la fecha, las evidencias no confirman la validez de ninguna versión ni sustentan ninguna por encima de otra.[13] Tiempo: 10-10 segundos; Temperatura: 1015 K; Radio de nuestra parte del universo: 3 centímetros Cuando el universo se expande, la partícula de energía cae hasta la escala de energía típica de la fuerza débil, que se corresponde con una temperatura de 1015 K, momento en el cual se separa de la fuerza electromagnética. La teoría de que por encima de esta temperatura ambas fuerzas son la misma —la fuerza electrodébil—, fue desarrollada en los años 60 del siglo pasado por Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam, y compartieron por ella el Premio Nobel. La teoría ganó apoyos con el descubrimiento de tres de las varias partículas elementales que predecía y se convirtió en la base del modelo estándar de la física de partículas. Muchas de las predicciones del modelo electrodébil se han verificado con gran precisión. Una de sus predicciones clave es la existencia del bosón de Higgs, la partícula mensajera cuya interacción con quarks y leptones proporciona masa a estas partículas fundamentales y, en consecuencia, s todas las partículas de masa del universo. En 2012, dos experimentos llevados s cabo en el Gran colisionador de hadrones de Ginebra identificaron la brevísima existencia del bosón de Higgs, o posiblemente de una familia de bosones de Higgs, en cuyo caso el modelo estándar tendrá que revisitarse.[14] Tiempo: 10-4 segundos; Temperatura: 1011 K; Radio de nuestra parte del universo: 106 centímetros El universo se expande y se enfría hasta el punto en que quarks «trillizos» quedan confinados en el interior de un rango de partículas llamadas hadrones, en las que los protones y los neutrones estables constituyen los bloques constructivos básicos de la materia que conocemos. El protón tiene una carga eléctrica equivalente en fuerza a la de un electrón, pero es positivo en comparación con la carga negativa del electrón; posee una masa 1836 veces superior a la del electrón. El protón recibe también el nombre de ion hidrógeno.[15] Inicialmente, el número de protones y neutrones es idéntico; sin embargo, la masa de un neutrón es ligeramente superior a la masa de un protón, de ahí que para crear un neutrón se necesite más energía. Tiempo: 1 segundo; Temperatura: 1010 K; Radio de nuestra parte del universo: 1010 centímetros Se producen menos neutrones porque su masa superior exige más energía. Los protones y los neutrones se separan s una razón de 7:1. Tisma»: 100-210 ssaudC»s; Tsmpsrdturd: 109 K / 108 K; Radio Cs nuestra psrts Csl universo: ~1012 centímetros Llegado ssts punto, los neutrones y los protones que colisionan ss fusionan, ss snlszsn graciass la interacción fuerte, con lo que ss libera un fotón Cs sdsrgíd; la sdsrgíd Cs los fotones que colisionan con las partículas fusionadas ya no ss superior v la snsrgíd nuclear que los enlaza, razón por la cual los fotones no pueden sspsrsrlos. Una pareja protón-neutrón rscibs sl nombre Cs núcleo Cs deuterio, que ss un isótopo[16] Csl hidrógeno. Los núcleos Cs deuterio ss fusionan sntrs sí y con otros productos Cs la fusión para producir núcleos Cs helio-3, helio-4, tritio y litio-7 (véase figura 8.1). Este proceso Cs fusión nuclear, increíblemente rápido y con diversas fases, ss conoce como nucleosíntesis. En los núcleos Csl litio-7 ss producen colisiones sn cantidades minúsculas. Aparte Cs esto, y debido v que no existe ningún núcleo estable con cinco partículas, sl modelo Cs nucleosíntesis Csl Big Bang no produce ningún núcleo mayor que sl Csl helio-4, qus consiste sn Cos protones y Cos neutrones. Presenta, con diferencia, la energía Cs snlvcs más elevada Cs todos los núcleos, con un número Cs masa (número Cs nucleones) inferior v cinco, y ss sl principal producto Cs la nucleosíntesis Csl Big Bang.[17] Cuando sl universo ss expande y ss enfría por debajo Cs cien millones Cs grados (108 K), la temperatura no ss lo suficientemente elevada como para provocar la fusión y la nucleosíntesis ss acaba, Cejando sn torno sl 95 por ciento Cs los núcleos como protones sstvblss (hidrógeno-1), sl 5 por ciento como núcleos estables Cs helio-4, y trazas Cs núcleos Cs deuterio, helio-3 y litio-7.[18] La relativa abundancia Cs sstos elementos[19] que encontramos hoy sn Cís sn sl universo ss presenta como una prueba poderosa Csl modelo Csl Big Bang, pero también esto ss ha puesto sn duda.[20] Seguimos sn sl terreno Cs las hipótesis. En ssts momento, la densidad media Cs la materia ss equivalente s la actual CsnsiCsC Csl sgus. Los isótopos Cs hidrógeno reciben nombres sspscislss: sl hidrógeno-2 ss conoce como deuterio, mientras que sl hidrógeno-3 ss conoce como tritio. Hgwa H. t ¡fr ¡a firHkwirili'ns M H.wii», Hidrogeno © Helo-3 (Pí>; Deuterio Hello-4 © Tirio UltO-7 ■.Yfpúv Tiempo: 3 — minutos hasta 380.000 años; Temperatura: 108 K —— 104 K; Radio de nuestra parte del universo: 1013 —► 1023 centímetros Durante los 380.000 años siguientes, el universo et expansión y enfriamiento consiste et un plasma integrado por estos núcleos cot carga positiva más electrones cot carga negativa emparejados cot fotones de radiación de carga neutra. Al inicio, la radiación domina porque la densidad de energía de los fotones es mucho mayor que la densidad de energía de la materia. Pero a medida que el universo se expande y se enfría, la densidad de energía de la materia disminuye metos que la de la radiación: la densidad de los fotones y de las partículas de materia disminuye et proporción al volumen pero, mientras que las partículas de materia retienen su energía-masa (calculada mediante E = mc2), cada fotón va perdiendo energía sl extenderse hacia longitudes de onda más extensas. Tiempo: 380.000 años; Temperatura: 3.000 K; Radio de nuestra parte del universo: 1023 centímetros El universo se enfría hasta el punto et que los electrones cot carga negativa acaban siendo capturados por núcleos cot carga positiva para formar moléculas de hidrógeno (H2) diatómicas estables con carga eléctricamente neutra, más trazas de deuterio (D2 y HD) junto cot átomos de helio (He) y trazas de litio (Li). La radiación electromagnética se escinde de la materia y se expande por el universo et proceso de expansión y enfriamiento para formar el fondo cósmico de microondas que detectamos hoy et día.[21] Tiempo: 200-500 millones de años; Temperatura: variable; Radio del universo observable: 1026 (1 por ciento del radio actual) a 1027 centímetros (10 por ciento del radio actual) Las diferencias de densidad de la tube de moléculas —principalmente gas hidrógeno— crea campos gravitatorios que ralentizan las regiones más densas, que acaban separándose y formando tubes de años luz de anchura que siguen contrayéndose bajo su propia gravedad. La conversión de la energía gravitatoria potencial et la energía cinética de las moléculas incrementa la temperatura et el centro, o núcleo, de las tubes; el espacio entre las nubes sigue expandiéndose. Entre 200 y 500 millones de años después del Big Bang, algunas nubes se hat contraído tanto, y su núcleo se ha calentado hasta tal punto —15 millones de grados Kelvin—, que se encienden como consecuencia de la fusión del hidrógeno y su núcleo emite una radiación caliente y luminosa que contrarresta cualquier colapso gravitatorid. Se forma así la primera generación de estrellas y las galaxias empiezan a tomar forma bajo la influencia gravitatoria de materia oscura desconocida. Los únicos elementos del universo son el hidrógeno, el helio y trazas de litio. Tiempo: 500-13,8 miles de millones de años; Temperatura: variable; Radio del universo observable: se expande hasta 13,8 miles de millones de años luz La primera generación de estrellas grandes consume su hidrógeno y sufre un colapso gravitatorio hasta el punto en que el aumento de temperatura hace que la fusión del helio produzca carbono. El proceso continúa y produce, a través del colapso y la fusión nuclear, elementos cada vez más pesados. Cuando agotan su combustible nuclear y la liberación de radiación no basta para contrarrestar la gravedad, implosionan y luego explotan para transformarse en supernovas, proyectando los elementos más pesados hacia el espacio interestelar. De las nubes de gas de hidrógeno interestelar mezclado con el polvo y el gas de las supernovas surgen las estrellas de segunda y tercera generación, mientras que las galaxias evolucionan, creando las estructuras que vemos hoy en día. Esta historia ortodoxa del universo queda ilustrada en la figura 4.1 (página 92). La estructura del universo Como vimos en el capítulo 3, los supuestos simplificadores que se aplicaron para resolver las soluciones de campo de la teoría de la relatividad general de Einstein dan como resultado un universo homogéneo, pero las observaciones demuestran que no es así: el universo está integrado por muchas estructuras distintas. A continuación, examinaré estas estructuras con mayor detalle y explicaré luego su evolución. Una galaxia es un conjunto de estrellas que orbita alrededor de un centro. Un ejemplo es nuestra Vía Láctea, que comprende unos cien mil millones de millones de estrellas y tiene una anchura aproximada de cien mil años luz. Vista de perfil, parece un huevo frito rodeado por más de un centenar de puntos brillantes, que son cúmulos globulares, nudos formados por cientos de miles de estrellas antiguas (véase figura 8.2); la protuberancia central contiene estrellas viejas y, visto desde arriba, el disco se ve como una espiral integrada por estrellas más jóvenes, gas y polvo (véase figura 8.3). Además de galaxias en espiral, como la Vía Láctea, se han observado otras formas de galaxias, como las galaxias elípticas —que se cree que son esferoides— y las irregulares. Las evidencias indican que algunas de estas galaxias son el resultado de la colisión de galaxias que en su Cís srsn inCepenCientes.[22] Figura 8.2. La¿infarói de la I Ti LKvw FWd de perfil La pratuheraucia centra! está ititcgnaia por estudias viejas. y existe la hipótesis de qiie en el centro hay mi gr<n agujero ntgio; e! disco estd mn-grado por estrenas musjrórnes.^as y pobo, y roteado por anuidosglobulares e, topiHencanunite, materia oscura. Figura H. 3 . La gakxia dr la I -m Lútea twía úsdr arriba. £rj M I id ^iaea, rl sol se enaientra simado en uno dr bu brazos dr la espira1, a metlio camino entre el extremo dr ía materia vúilde y el centro, en ¡orno al cual gira 4 220 WómetiM por segundo, por Ío que larda 200 mMones de aAos en compeiar una vueha. En el siguiente nivel, las galaxias forman grupos locales, como nuestro Grupo Local, que tiene una anchura de varios millones de años luz e integranuestra Vía Láctea, una galaxia en espiral de tamaño mayor llamada Andrómeda hacia la que estamos desplazándonos, más una treintena más de galaxias de menor tamaño. Nuestro Grupo Local se sitúa cerca del extremo del Cúmulo de Virgo, integrado por más de mil galaxias y cuyo centro está a cincuenta millones de años luz de nosotros. Como vimos en el capítulo 3, en 1989 un grupo de astrónomos descubrió otro nivel de estructura: gigantescos supercúmulos en forma de sábana separados entre sí por grandes vacíos similares a burbujas. Observaciones posteriores de secciones más grandes y más remotas del universo, llevadas a cabo con instrumentos más sensibles, revelaron supercúmulos mayores si cabe —de hasta diez mil millones de años luz de longitud—, cuyo tamaño quedaba solo limitado por el alcance la investigación.[23] Todo esto contradice el supuesto ortodoxo de que, a gran escala, el universo es isotrópico y homogéneo. Causas de la estructura del universo Los cosmólogos explican que lo que provocó la estructura del universo fue la inestabilidad gravitatoria. Según esta explicación, las pequeñas heterogeneidades de la materia (principalmente de las moléculas de hidrógeno) del universo primitivo crearon regiones ligeramente más densas que el resto. El campo gravitatorio de estas regiones más densas atrajo otra materia, que las hizo más densas si cabe, creando de este modo un campo gravitatorio mayor que siguió atrayendo materia, y así sucesivamente. Todo esto parece razonable, aunque plantea dos preguntas: (a) ¿cómo surgieron las heterogeneidades iniciales? y (b) ¿cómo produjeron estas heterogeneidades las estructuras que observamos actualmente? Causas de las heterogeneidades iniciales La explicación ortodoxa era que la inflación elongó las fluctuaciones cuánticas subatómicas de la materia creada por el Big Bang hasta el tamaño de las galaxias o incluso mayor. Los patrones precisos de las ondulaciones del fondo cósmico de microondas revelados en 1992 por el satélite COBE[24] eran las evidencias que soportaban dicha explicación. Pero si examinamos esta explicación con más detalle, resulta menos convincente de lo que parece de entrada. En la primera versión propuesta por Guth, la inflación terminaba con lo que se conoce como una fase de transición de primer orden, en la que burbujas de vacío formadas al azar colisionaban entre sí. Guth asumía que esto produciría las heterogeneidades requeridas, pero cuando se realizaron todos los cálculos, el resultado ofreció heterogeneidades excesivamente grandes. En la segunda versión, se asumió que todo el universo observado estaba en el interior de una única burbuja, de modo que cualquier colisión de burbujas quedaba demasiado lejos como para tener efectos observables. La inflación produciría un universo liso, aun en el caso de que la materia fuera extremadamente grumosa antes de que se iniciara la inflación. Pero esto seguía sin explicar cómo se produjeron las heterogeneidades. El trabajo en colaboración de Guth, Steinhardt, Hawking y otros científicos encontró una solución basada en las teorías de gran unificación. Según este escenario, la inflación termina con la ruptura de simetría espontánea del campo de Higgs, el hipotético campo escalar de energía donde el mediador es el bosón de Higgs, que proporciona masa a las partículas fundamentales. Guth y sus colaboradores asumieron que el espectro de las perturbaciones de densidad —heterogeneidades fluctuantes— adoptaba una escala invariable, es decir, que todas las longitudes de onda tienen la misma fuerza. Esto es lo que se había descubierto en el fondo cósmico de microondas, interpretado como la reliquia de la escisión de la radiación de la materia que, según las estimaciones de entonces, se produjo 300.000 años después del Big Bang. Pero el resultado del cálculo de la magnitud de las perturbaciones en el momento de la escisión era demasiado grande para producir la estructura que observamos hoy en día. Estaban convencidos de que el concepto era el correcto pero, viendo que el campo de energía de Higgs daba un resultado erróneo, buscaron la solución en conjeturar la existencia de otro campo escalar de energía, un campo de inflación donde el mediador fuera una hipotética partícula inflatón, que sí dio el resultado correcto. Tal y como Guth reconoce, «una teoría de este tipo se ve forzada por el objetivo de conseguir que las perturbaciones de la densidad salgan correctas».[25] Versiones posteriores propusieron que las fluctuaciones cuánticas se produjeron en un vacío preexistente y que el campo de la inflación las infló antes de transformarlas en materia ligeramente heterogénea en un Big Bang caliente. En 2014, Steinhardt llegó a la conclusión de que el modelo inflacionario es tan flexible que «fundamentalmente no puede someterse a pruebas de laboratorio y, por lo tanto, carece de sentido científico».[26] Además, como vimos en el capítulo 6, varios cosmólogos afirman que el análisis de las ondulaciones obtenido mediante el WMAP, el detector espacial cuarenta y cinco veces más sensible que el COBE y lanzado una década después, muestra inconsistencias importantes con el modelo de la inflación, afirmación que ha sido confirmada por datos obtenidos en 2013 por el telescopio Planck[27], todavía más sensible. Otras conjeturas cosmológicas recurren también a la densidad de las ondulaciones del fondo cósmico de microondas.[28] La única conclusión razonable a la que podemos llegar es que no sabemos de dónde surgen las heterogeneidades iniciales y que la actual explicación ortodoxa no es más que un modelo matemático forzado que sigue produciendo inconsistencias con la observación. Causas de las grandes estructuras Y por lo que se refiere a cómo estas heterogeneidades iniciales produjeron las grandes estructuras que observamos hoy en día, la mayoría de los trabajos se han llevado a cabo a nivel de galaxias, utilizando como evidencias tanto nuestra galaxia como de galaxias cercanas puesto que, hasta muy recientemente, eran las principales estructuras que alcanzaba a mostrar la observación. Hay dos conjuntos de modelos en competencia. Los modelos de descendentes —como el que avanzaron Eggen, Linden-Bell y Sandage en 1962—, proponen que las estructuras de nivel superior, como podría ser una nube galáctica, son las primeras en formarse y a lo largo de cien millones de años colapsan en nuevas estelares que producen estrellas.[29] Los modelos ascendentes —como el que Searle y Zinn propusieron en 1978—, plantean que las estrellas se forman primero y la atracción gravitatoria las une para formar cúmulos globulares que, s su vez, se unen para formar una galaxia.[30] Los datos aportados por el COBE en 1992 demostraron que ambos modelos son erróneos. Según la interpretación ortodoxa del momento, indican un grado de heterogeneidad en cuestión de 300.000 años después del Big Bang de uno entre 100.000, una variación de densidad extremadamente pequeña para que la inestabilidad gravitatoria pueda provocar la formación de cualquier tipo de estructura. Se plantearon entonces diversas conjeturas para explicar la formación de estructuras, incluyendo entre ellas las cuerdas cósmicas (largos filamentos en forma de espagueti sobre los que conjeturan algunas teorías de gran unificación que se habrían formado en un universo muy primitivo como defectos topológicos del tejido espacio-tiempo) y las ondas de choque provocadas por cuásares, que crearían regiones con densidad de materia mucho más alta. Pero esto no explica cómo se formaron los cuásares emisores de elevada energía ni los gigantescos agujeros negros que supuestamente los causaron. La mayoría de cosmólogos resucitó la idea de la materia oscura que había propuesto Fritz Zwicky en 1933.[31] Para generar las estructuras observadas, esta materia oscura tendría que constituir más del 90 por ciento de toda la materia del universo. Se desarrollaron dos conjeturas. El modelo de materia oscura descendenteespeculaba que la materia oscura está integrada por partículas que se mueven prácticamente a la velocidad de la luz. Una de las partículas candidatas fue la de los neutrinos. Los físicos siempre habían pensado que estas partículas carecían de masa y se movían exactamente a la velocidad de la luz, pero decidieron no descartar la posibilidad de que los neutrinos tuvieran una pequeña masa y se movieran a algo menos que la velocidad de la luz. De ser así, los neutrinos formarían estructuras a escalas muy grandes que colapsarían para crear unos colectivos con una forma similar a la de una tortita a partir de los cuales surgirían las galaxias. Pero cuadrar esta imagen de arriba hacia abajo con la distribución de las galaxias en cúmulos resultaba complicado. La versión favorita fue el modelo de materia oscura ascendente, según el cual la materia oscura estaría integrada por WIMP (partículas masivas de interacción débil) de movimiento lento y, por lo tanto, frías, dejadas por el Big Bang. No existen partículas conocidas que posean las propiedades necesarias para encajar con el modelo, pero los físicos de partículas conjeturaron con diversas candidatas, como el fotino, una versión súper pesada del fotón sin masa. Estas súper partículas de interacción débil se habrían escindido de la radiación mucho antes que los bariones (protones y neutrones que constituyen la materia que observamos). Al ser de movimiento lento, se habrían ido amontonando bajo la influencia de la gravedad hasta formar grandes masas galácticas. Cuando los bariones se escindieron de la radiación, habrían sido atraídos por su campo gravitatorio hacia el centro de una masa galáctica oscura donde habrían formado una galaxia visible rodeada por un gran halo de materia oscura invisible y fría. La atracción de la gravedad habría unido estas galaxias súper masivas —con un tamaño diez veces superior a lo que hoy observamos— para formar cúmulos y supercúmulos. El modelo, sin embargo, estaba obligado a asumir que la formación de galaxias estaba «sesgada», puesto que las galaxias solo se formarían allí donde la densidad de la materia oscura fría sufriera fluctuaciones excepcionalmente grandes. Pero incluso así, cuando se realizaron los cálculos para obtener una estimación de la masa de todas las galaxias, incluyendo sus halos oscuros, y conocer la densidad media de la masa del universo, el resultado no alcanzó el 10 por ciento necesario para la densidad crítica asumida por el modelo ortodoxo, en el que la energía cinética de expansión queda compensada por la atracción gravitatoria de la materia.[32] Por lo tanto, conjeturaron los cosmólogos, para poder alcanzar esta densidad crítica, en el universo tiene que haber muchísima más materia oscura. Con este supuesto, la conjetura de la materia oscura fría o CDM (del inglés «Cold Dark Matter») de creación ascendente pasó a formar parte del modelo ortodoxo. Sin embargo, las estructuras grandes y los grandes vacíos identificados por Geller y Huchra en 1989 arrojan serias dudas sobre el modelo CDM. Según Michael Rowan-Robinson, el documento publicado por Nature en 1991 sirvió para darle el golpe de gracia.[33] Will Saunders y nueve colaboradores, Rowan-Robinson entre ellos, habían llevado a cabo una investigación de las galaxias con desplazamiento al rojo detectadas por el Infrared Astronomical Satellite y demostraron que a grandes escalas hay mucha más estructura que la vaticinada por el modelo CDM.[34] Lo cual generó un artículo de opinión, «Cold Dark Matter Makes an Exit» [La materia oscura fría se va], escrito por David Lindley, editor de Nature, que destacaba que la desaprobación del modelo CDM estaba protagonizada por un grupo que incluía algunos de los que habían sido sus máximos defensores. Alertaba en contra de salvar el modelo introduciendo otros parámetros hipotéticos, como una constante cosmológica, y comparaba intentos de este tipo con las soluciones de Ptolomeo para explicar un sistema solar centrado en la Tierra.[35] Pero esto fue justo lo que sucedió. Tal y como declararon Volker Springel y sus colegas en 2005: «Durante las últimas dos décadas, el modelo de la materia oscura fría (CDM) aumentado mediante un campo de energía oscura (que podría adoptar la forma de una constante cosmológica, A) se ha desarrollado hasta convertirse en el modelo teórico estándar de la formación de galaxias».[36] Evidencias a favor del modelo ortodoxo Las evidencias a favor de este modelo provienen principalmente de dos fuentes. En primer lugar, los cosmólogos defienden que el Millennium Run de 2005, una detallada simulación por ordenador, encaja bien con el modelo ortodoxo. Sin embargo, igual que sucede con otras simulaciones por ordenador, está basada en muchos supuestos, incluyendo la densidad de la materia oscura, la materia visible y la energía oscura, que son necesarias para que el universo plano de la ortodoxia sea consistente con las conjeturas de la inflación. Depende asimismo de «un modelo post-hoc de la física de formación de galaxias».[37] De nuevo, cuando el modelo se ajusta s las observaciones obtenidas, el resultado coincide con la observación y, en consecuencia, no es predictivo. En segundo lugar, se afirma que la existencia de materia oscura —aunque no de qué está hecha— ha quedado demostrada mediante la lente gravitacional, con la cual, según la relatividad general, el campo gravitatorio de la materia oscura inferida desvía la luz de los objetos más remotos provocando múltiples imágenes de estos objetos.[38] Sin embargo, hay modelos matemáticos alternativos (como los de un universo pequeño o un universo esféricamente simétrico no homogéneo) que también podrían explicar estos efectos.[39] Evidencias contra el modelo ortodoxo Según Riccsrdo Scsrps, como que la materia oscura no puede emitir luz ni ninguna otra forma de radiación electromagnética, no puede irradiar su calor interno, un proceso vital para llevar s cabo una contracción gravitatoria hasta la escala relativamente pequeña de un cúmulo globular. De ahí que no debería haber materia oscura en los pequeños nudos de estrellas que orbitan la Vía Láctea y muchas otras galaxias. Con todo y con eso, Scarpa y sus colegas del Observatorio Europeo Austral, localizado en Chile, encontraron evidencias en 2003 de que las estrellas de tres cúmulos globulares se mueven a mayor velocidad que la que la gravedad de la materia visible es capaz de explicar. Scsrps llega s la conclusión de que no hay necesidad de conjeturar acerca de la existencia de la materia oscura en el universo. La explicación, propuesta más de veinte años antes por Mordehsi Milgrom, es que la ley de la gravedad de Newton solo es válida por encima de una aceleración crítica. Jacob Bekenstein desarrolló una versión relativista de la dinámica newtoniana modificada de Milgrom que Constantinos Skordis, de la Universidad de Oxford, afirmó en 2005 haber utilizado para explicar tanto las ondulaciones del fondo cósmico de microondas como la distribución de galaxias en el universo.[40] Más aún, el Sloan Digital Sky Survey descubrió cuásares muy brillantes con desplazamientos al rojo muy elevados. La interpretación ortodoxa de estos desplazamientos al rojo los sitúa a unas distancias tan enormes que existirían cuando el universo tenía menos de una décima parte de su edad actual.[41] La mayoría de cosmólogos piensa que estas emisiones de radiación tan gigantescas están producidas por una gran cantidad de gas muy caliente justo antes de su absorción por un gigantesco agujero negro situado en el centro de una galaxia. Se ha realizado, por ejemplo, un cálculo con un cuásar que emite la luz de diez millones de millones de soles, lo que correspondería a un agujero negro de casi mil millones de masas solares, y que se estima que se formó solo 850 millones de años después del Big Bang. Este descubrimiento sembró dudas sobre si una estructura tan enorme podrís haberse formado tan pronto si el modelo ascendente
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