Grandes resultados de la Física: La teoría del Big Bang IV

Este será, previsiblemente, el último post sobre modelos de universo; en este apartado trataremos la gravedad cuántica y el modelo de colapsos y expansiones sin fin. Espero que os halla gustado y si queréis conocer más sobre el tema, sólo poned un comentario y profundizaré en los puntos que queráis. Muchas gracias por vuestras visitas.

La teoría de cuerdas no es la única solución a los problemas actuales de la física. Otro enfoque distinto es el de la Gravedad Cuántica de Bucles o LQG por sus siglas en inglés. El problema principal es que tenemos dos teorías que funcionan estupendamente bien cada una en su ámbito de acción, a saber, la mecánica cuántica describe el comportamiento del mundo de los átomos y las partículas y por otro lado tenemos la relatividad general la cual describe el Universo a su más grande escala.

El problema viene cuando tenemos que usar las dos para describir un mismo objeto, por ejemplo, para estudiar los agujeros negros. Dichos objetos son estrellas que han colapsado bajo la fuerza de su propia gravedad hasta convertirse en algo tremenda mente pequeño, más pequeño que las partículas elementales por lo que se necesita la mecánica cuántica para estudiarlo, pero al mismo tiempo su gravedad es tremendamente intensa por lo que necesitamos la relatividad general para estudiarla. Una situación similar se da cuando se pretende estudiar los primeros instantes del Universo tras el Big Bang. Intentar solventar los problemas que surgen al usar ambas teorías juntas es lo que se quiere conseguir mediante la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles.



Al igual que sucede con la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles también puede aplicarse a la cosmología y se obtiene un resultado parecido al propuesto por Gabriele Veneciano basándose en la teoría de cuerdas.

La base de la gravedad cuántica de bucles es que el espacio-tiempo no es continuo, sino discreto, aunque eso si, a escalas tremendamente pequeñas, del orden de la longitud de Planck, es decir unos 1,6161624 10-35 metros, resulta difícil, por no decir imposible, imaginarse una longitud tan pequeña, para captar lo minúscula que es esta longitud, un buen ejercicio puede ser escribirla sin usar la notación científica, con lo que nos queda tal y como sigue 0,0000000000000000000000000000000000161624 metros. Por así decirlo es como si en última instancia existieran “átomos” del espacio-tiempo. Si la gravedad cuántica de bucles hace una descripción acertada de la naturaleza del espacio-tiempo entonces las singularidades no pueden existir ya que existiría un tamaño mínimo el cual no se puede superar.


La aplicación a la cosmología de la gravedad cuántica de bucles permite indagar en los primeros instantes de nuestro Universo, ya que la supuesta singularidad donde todo comenzó no existiría. En cambio, lo que proponen es que todo nuestro Universo procede de un Universo anterior que sufrió un colapso, lo cual sólo puede suceder si la cantidad de masa es la suficiente como para parar la expansión y comenzar una contracción. Toda la masa de ese anterior Universo se iría concentrando en un espacio cada vez más pequeño, hasta que se alcanzara el tamaño mínimo posible en el cual sólo cabría una determinada cantidad de masa, alcanzado ese límite, al no poder concentrar más cantidad de masa, se produciría un “rebote”, es decir, todo el espacio-tiempo comprimido empezaría a expandirse de nuevo formándose nuestro universo durante ese proceso. Este proceso pudo haberse estado repitiendo indefinidamente.

Lo bueno del modelo del rebote es que difiere del modelo lambda-inflacionario con materia oscura fría, que es el que mejor describe nuestro Universo, en lo que a la producción de ondas gravitatorias, en los instantes “iniciales”, se refiere. Las cuales pueden ser detectadas de forma indirecta por la futura misión Planck como ya hemos comentado. Por lo que en principio podremos saber si el modelo es acertado o no.

La imagen que se nos suele presentar de la ciencia en los medios de comunicación, es la de una actividad fría y aburrida. Pero no es cierto, como hemos visto, desde la cosmología se realizan hipótesis sobre la existencia de otros universos, sobre la posibilidad de que el momento del Big Bang simplemente fuera una fase más en un universo que ha estado evolucionando desde siempre, o sobre la posibilidad de que nuestro Universo sea eterno y esté sometido a un periodo cíclico de contracción y expansión. ¿Fría y aburrida? Más bien la ciencia parece ser una empresa que demanda una curiosidad imposible de satisfacer y una imaginación fértil que permita imaginar lo inconcebible. Pero esto no basta, si nos conformáramos con esto tendríamos historias, cuentos y fabulas sobre como puede ser el Universo, para avanzar en nuestro conocimiento se necesita curiosidad e imaginación, sí, pero también escepticismo, conocimientos y unos profundos conocimientos matemáticos. Tenemos que someter a prueba nuestras hipótesis y teorías para saber que hay de cierto en las mismas, y eso es porque la ciencia es ambiciosa, no se conforma con imaginar como es el Universo sino que quiere saber cómo es y por qué es así, desde la más pequeña de las partículas hasta la más recóndita de las galaxias.

Grandes resultados de la Física: La teoría del Big Bang III

En el presente post continuaré destripando el modelo inflacionario y sus implicaciones, además, me gustaría hacer una breve introducción a la famosa teoría de cuerdas... ya que desde que el modelo inflacionario hizo su aparición la idea de que pueden existir otros universos además del nuestro no ha dejado de aparecer en la especulación cosmológica.


Lo cierto es que más que de teoría de cuerdas habría que hablar de hipótesis de cuerdas, ya que dicha “teoría” todavía no ha realizado predicciones que se puedan someter al juicio de los experimentos, aunque como recuerda el físico Brian Greene en sus libros El Universo Elegantey El tejido del Cosmos, la “teoría de cuerdas” si ha realizado postdicciones, es decir, durante el desarrollo de la misma ha dado valores correctos sobre valores que ya conocíamos, como por ejemplo, la carga del electrón.

La idea base de la teoría de cuerdas es que todas las partículas elementales, electrones, quarks, etc., no son puntuales como se piensa actualmente, sino que en realidad serían como unos finas cuerdas extremadamente pequeñas, dichas cuerdas estarían oscilando continuamente, y dependiendo de la frecuencia de dicha oscilación las propiedades de la partícula serían diferentes, dando así lugar a electrones, quarks, etc. La teoría de cuerdas no está exenta de controversia ya que para que este modelo de la realidad funcione necesita que existan como mínimo 11 dimensiones, diez de ellas espaciales y la undécima sería el tiempo. Debido a la complejidad creciente de dicha teoría, que cada vez incluye objetos más exotéricos como las branas, a que hasta el momento no ha realizado predicciones que puedan ser sometidas a experimentos para verificar su validez y que además algunos defensores de dicha teoría argumentan que debe ser cierta porque es matemáticamente bella, ha hecho que algunos físicos como Sheldon Glashow, Lee Smolin y Peter Woit, se muestren muy críticos con dicha teoría, incluso filósofos como Mario Bunge también se han mostrado críticos con la misma (sí, filósofos, macho).

No obstante la teoría de cuerdas se puede aplicar a la cosmología y como resultado ofrece respuestas interesantes y sugerentes.

Gabriele Veneciano, padre de la teoría de cuerdas y su equipo, han propuesto un modelo cosmológico en el cual el denominado Big Bang no sería el principio del universo. Por lo tanto, el tiempo no tendría su inicio en él. Su modelo, basado en la teoría de cuerdas, expone que el Universo ha existido desde siempre. La materia en él estaba muy enrarecida, y con el paso del tiempo dicha materia fue agrupándose poco a poco. En algunos lugares se llegó a acumular tanta materia que se formaron agujeros negros. La materia que caía en su interior quedaba para siempre separada del Universo.

Esto sucedía en todos los agujeros negros; así pues, el Universo primigenio quedaba dividido en fragmentos desconectados de él. Este proceso seguía inexorablemente y la materia continuaba acumulándose, aumentando así su densidad en el interior de dichos agujeros, pero según la teoría de cuerdas existe un límite para la densidad de materia que no puede ser rebasado. Cuando se alcanzó dicho límite la materia rebotó, comenzando así a expandirse. Ese momento sería lo que nosotros hemos denominado Big Bang. Según este modelo, nuestro universo, sería el interior de un agujero negro (ahí es nada).

Los físicos Paul J. Steinhardt y Neil Turok (no es el cazador de dinosaurios, ni mi pj del wow) han propuesto un modelo más extraño aún. Su modelo cosmológico parte de la idea de que nuestro universo es una membrana de varias dimensiones moviéndose a través de un espacio de más dimensiones. Para que la cosa no nos resulte tan extraña y difícil de digerir, reduzcamos el número de las dimensiones. Imaginen que nuestro universo y otros que pudieran existir sólo tienen dos dimensiones, es decir, que fueran planos. Serían como enormes folios moviéndose en el espacio de tres dimensiones, al que tan acostumbrados estamos.

Según este modelo, dos universos membranas (los folios en nuestro caso) se irían acercando, hasta que llegaran a chocar, ese choque sería lo que nosotros conocemos como Big Bang. A partir de ahí los universos membranas se irían separando y evolucionando cada uno por su lado. Pero llegaría un momento en el cual dejarían de alejarse y empezarían a acercarse de nuevo, comenzando así, un nuevo ciclo, el proceso continuaría indefinidamente. Sería indefinido en el tiempo tanto hacia el futuro como hacia el pasado, esto es, nunca hubo un principio.

Lo más interesante de todo esto es que los modelos cosmológicos que defienden estos dos grupos de científicos son falsables. Dicho de otro modo, que podemos comprobarlos. Ambos grupos, basándose en sus modelos cosmológicos, han hecho unas predicciones sobre la frecuencia e intensidad de las ondas gravitatorias que deberían ser detectadas. Las ondas gravitatorias son oscilaciones del espacio-tiempo. Serían algo parecido a las ondas que se desplazan por la superficie de un estanque cuando alguien tira una piedra en él. Si una onda gravitatoria alcanza un cuerpo, éste, al paso de la onda a través suyo, se estirará y se comprimirá.

La teoría predice la existencia de dichas ondas, aunque hasta el día de hoy no se ha detectado ninguna. Situación que puede cambiar con los observatorios como el LIGO y el VIRGO. Estos observatorios, junto con el satélite Planck, podrán, en opinión de Gabriele Veneciano, confirmar o desmentir estos modelos cosmológicos.

Uf, y ya para el próximo post, el último modelo de universo.

Why socialism?


La anarquía económica de la sociedad capitalista tal como existe hoy es, en mi opinión, la verdadera fuente del mal. (...) El capital privado tiende a concentrarse en pocas manos, en parte debido a la competencia entre los capitalistas, y en parte porque el desarrollo tecnológico y el aumento de la división del trabajo animan la formación de unidades de producción más grandes a expensas de las más pequeñas. El resultado de este proceso es una oligarquía del capital privado cuyo enorme poder no se puede controlar con eficacia incluso en una sociedad organizada políticamente de forma democrática. Esto es así porque los miembros de los cuerpos legislativos son seleccionados por los partidos políticos, financiados en gran parte o influidos de otra manera por los capitalistas privados quienes, para todos los propósitos prácticos, separan al electorado de la legislatura. La consecuencia es que los representantes del pueblo de hecho no protegen suficientemente los intereses de los grupos no privilegiados de la población. (...)

Estoy convencido de que hay solamente un camino para eliminar estos graves males, el establecimiento de una economía socialista, acompañado por un sistema educativo orientado hacia metas sociales.

Albert Einstein, Why Socialism?

Grandes resultados de la Física: La teoría del Big Bang II

En el último post tratando este tema, concluimos que existe una especie de "ecuación de estado" que nos da la evolución del universo de forma similar a como pasa con los gases. Estudiando esta ecuación en el límite de tiempo cero, se encontró una temperatura de fondo del "gas universal", que resultó ser aproximadamente de 3 grados Kelvin.

Antes de continuar, recordemos que la temperatura no es más que la energía media que tienen las partículas en un recinto (si un conjunto de partículas en un volumen se mueven mucho y muy rápido, diremos que el conjunto está "caliente"). Pues bien, decíamos que esta temperatura de fondo debía ser necesariamente distinta de cero, pues debería de ser consistente con el principio de Heisemberg.

Si la temperatura del vacío fuera cero, las partículas estarían quietas. Sabríamos exactamente dónde están y qué velocidad llevan... ¡y esto es imposible!. Este punto acaba por relacionarnos la mecánica cuántica con la teoría del big bang (y ambas teorías son absolutamente ciertas). Más adelante veremos que existen inconsistencias entre ambas y que los físicos aún luchamos por una "teoría del todo".

En el post de hoy, a parte de resaltar la necesidad de esta temperatura de fondo distinta de cero, querría responder a la siguiente pregunta: ¿esta temperatura de fondo es la misma en todo el universo?, ¿por qué?.

Pues bien, esta temperatura de fondo debe ser necesariamente la misma en todo el universo (salvo fluctuaciones), de no ser así, existiría regiones privilegiadas en el universo (el universo no sería el mismo en todas direcciones). Pero sabemos que esto no pasa... ya que el esfuerzo cuando voy de Puerto Real a Sevilla es el mismo esfuerzo que cuando hago el camino inverso. Luego todas las direcciones son equivalentes. Si existiera una región más fría en el universo, nos sería más sencillo movernos hacia allí (iríamos a una zona menos energética).

Ahora empezamos con la parte dura del post: ¿por qué?. De acuerdo con las evidencias, nuestro modelo debe incluir un punto en el que el universo esté a la misma temperatura.

El principio, universo dominado por la radiación: Las altas temperaturas posteriores al big bang hacían imposible la presencia de materia, sólo podía existir radiación. Las fluctuaciones probabilísitcas podrían haber originado diferencias de temperatura en ese cocido de radiación...

Homogeneidad térmica: Para que se cumpla la condición de homogeneidad, el universo debió tener tiempo de homogeneizarse (es decir, de alguna forma los puntos más alejados del universo tenían que estar a la misma temperatura). La única forma de conseguir esto es que el universo fuera "tan pequeño" que a un rayo de luz le diera tiempo de viajar de un extremo al otro del universo. Así esos dos puntos podrían estar comunicados y, por lo tanto, a la misma temperatura. Pero si el universo era "tan pequeño", ¿cómo logró expandirse hasta la situación actual?

El modelo inflacionario: Una vez el universo es térmicamente homogéneo, ocurre un segundo big bang (este punto suele ser totalmente desconocido por la gente), que nos deja en la situación actual. Un universo homogéneo, isótropo y en expansión.


En la imagen que os dejo podéis ver un ejemplo gráfico de lo aquí expuesto. Aunque no cuento con ningún tipo de apoyo matemático, todas las conclusiones aquí mostradas son fruto del desarrollo matemático... salvo la hipótesis inflacionaria, que es una conclusión ad-hoc. Este punto es el que hace que la teoría se bifurque a las dos opciones que enumero:

- Universo sin fin y multiversos (teoría de cuerdas)
- Colapsos y expansiones sin fin

Estos puntos son absolutamente APASIONANTES, y los discutiré en posteriores entradas. A título personal, yo soy seguidor de la teoría de colapsos de Friedmann. Ya sé que os dejo con las ganas =P

Introducción a la mecánica cuántica V: El principio de Heisemberg

Continuando con la línea de posts divulgativos sobre fundamentos de mecánica cuántica, hoy vamos a hablar del principio de Heisemberg. Antes de desarrollar el cuerpo de este concepto, no está de más indicar que éste no es un principio como tal, sino una consecuencia de la descripción probabilística (escribí un post al respecto hace unos meses).

En la descripción probabilística, si quisiéramos conocer la posición de una partícula obtendríamos una distribución de probabilidad en forma de campana (encontraríamos la partícula con probabilidad máxima en el máximo de la campana). En el caso ideal, esta distribución sería justo una recta en el punto exacto en el que está la partícula (función delta de Dirac). Esta distribución en forma de campana se conoce como "Gaussiana", como el área encerrada bajo la curva debe ser la unidad (la partícula debe estar en algún lado), distintas posibilidades de encontrar la partícula tendrán distintas alturas y anchuras, debiendo conservarse el área encerrada:


A la anchura de la campana a media altura se le llama desviación estándar, y es muy representativa de este tipo de distribución porque encierra aproximadamente un 70% de la probabilidad de la campana. De hecho, las funciones gaussianas se expresan normalmente como función de este parámetro.

Por otro lado, sabemos que las ecuaciones de evolución de posición y velocidad están ligadas entre sí (de hecho una es la derivada de la otra). Si combinamos la relación entre las variables posición/velocidad y tenemos en cuenta las leyes probabilísticas que enunciábamos antes, obtenemos una relación entre las desviaciones estándar de ambas variables. Es decir, obtenemos una relación entre la anchura a media altura de la distribución de probabilidades para la posición, y la de la velocidad. De hecho, esta relación es una constante (la de Plank), y se conoce como principio de incertidumbre de Heisemberg (sin ser un principio, puesto que se puede deducir de las leyes de la mecánica cuántica).

Este resultado implica que es imposible conocer con exactitud ambas variables, y que conocer de forma exacta una de ellas, implica desconocer absolutamente la otra.

Sencillamente maravilloso.


Grandes resultados de la Física: La teoría del Big Bang

Continuando con mi línea de post divulgativos de física, le llega el turno a otro espectacular resultado de la física del S.XX; la teoría del big bang. En la licenciatura, esta teoría no se estudia como asignatura troncal ni optativa, se imparte por iniciativa propia del profesorado.

A grandes rasgos, todos sabemos el núcleo de la teoría: todo ese cuento de que el universo estuvo "comprimido", y una explosión es la que dio origen al universo... Con este post y sus previsibles continuaciones pretendo eliminar ciertas ideas erróneas y apuntar las grandes evidencias, implicaciones e incógnitas de esta teoría.

Para empezar, la teoría del big bang se fundamenta en las observaciones astronómicas realizadas a principios del S.XX por Edwin Hubble, quien observó un alejamiento paulatino de las galaxias... en todas direcciones. Este hecho experimental causó notable controversia en su momento, ya que todo el universo parecía alejarse de nosotros. El cómo se detectó este alejamiento galáctico está relacionado con el efecto Doppler (fenómeno que será carne de cañón en algún futuro post) y con el aparente corrimiento al azul/rojo de los elementos astronómicos.


Ocurre entonces que nos encontramos en un momento legendario de nuestra comprensión del universo, ya que por entonces empiezan a darse los primeros pasos en la teoría de la relatividad... y los físicos empiezan a plantearse la naturaleza del universo, su forma de moverse y su evolución en términos de la relatividad de Einstein. Dado que las distancias en el universo son realmente aterradoras, los efectos relativistas son muy notorios (además, desconocemos gran cantidad de cosas sobre la naturaleza del universo: materia oscura, agujeros negros, etc..).

Dado que la relatividad trabaja con el tiempo como una variable más, deberemos trabajar en el espacio 4D de Minkowsy, generalizando el concepto de matriz a Tensor, y encontrando sus componentes (construyendo el que se conoce como tensor de Riemann-Christoffel). En un primer modelo, se asume que el universo, a una distancia suficientemente grande es homogéneo e isótropo (es igual en todas direcciones y está homogéneamente distribuido). Por lo que se modela como un "gas relativista". El resultado es que se encuentra que el universo tiene una "métrica" fruto de los elementos del tensor anteriormente mencionado. La elección más simple de esta métrica nos lleva a la llamada "métrica de Schwarzchild", que nos da algo así como la ecuación de estado del universo (si recordáis, la ecuación del gas ideal era p·V=N·R·T... pues algo similar).

Esta ecuación de movimiento resulta ser función del tiempo, pudiendo estudiarse el límite cuando este tiende a 0, y encontrándose como resultado una singularidad matemática, pero no física. El resultado matemático estaba en perfecto acuerdo con el hecho experimental del distanciamiento aparente de las galaxias... pero además arrojaba un nuevo resultado: ¡el gas debía tener una cierta temperatura!. ¿Sería eso posible?. De acuerdo con la métrica anteriormente citada, se postuló una temperatura de vacío distinta de cero, un calor residual de 270,43ºC (2,72 Kelvin) aunque se suele redondear a 3 Kelvin (-270,15ºC)... lo sorprendente fue llevar una sonda al espacio y comprobar, estupefactos, que efectivamente el vacío no estaba a T=0... Este resultado además es necesario, porque está de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisemberg. Desarrollaremos esta, y más ideas, en futuros posts.