Límites y retos del universo
2002/05/01 Lasa Iglesias, Aitziber - STEAM Hezkuntza arloko arduraduna Iturria: Elhuyar aldizkaria
¿Qué es lo que sabemos hoy sobre el universo?
En la actualidad, los científicos tienen una idea bastante coherente y precisa del cosmos. Por el contrario, no se puede olvidar que la astronomía y la cosmología, a diferencia de otras ciencias, deben limitarse únicamente a lo que se puede observar, ya que no se pueden diseñar ensayos para confirmar hipótesis cosmológicas. Se puede conseguir, como máximo, la construcción de una teoría coherente, acorde con las observaciones que se realizan en el universo.
Así, la mayoría de los cosmólogos actuales aceptan la teoría del Big Bang, según la cual el universo tuvo un principio y se remonta a un proceso evolutivo. Esta teoría se está afirmando tras varias observaciones. Estas observaciones son las siguientes.
Desplazamiento al rojo
Al analizar la luz de las estrellas de las galaxias lejanas se observa sistemáticamente lo mismo, que la longitud de onda correspondiente a la línea espectral de la composición atómica de la estrella presenta un desplazamiento relativo hacia el rojo, y cuanto más alejada esté la galaxia, mayor es el deslizamiento. Según los astrofísicos, es una prueba de que el universo se está expandiendo. Y es que el espacio intergaláctico se está expandiendo, creando una estructura más amplia si la gravitación no mantiene a la vez las galaxias (por ejemplo, el caso de los cúmulos y supercúmulos), cuanto más alejado esté, más rápido se alejan. En este movimiento, la luz debe ajustar su longitud de onda al tamaño del universo, aumentando la longitud de onda y, por tanto, produciéndose un desplazamiento hacia el rojo.
Radiación microondas de fondo del universo
En los primeros 300.000 años del universo post-Big Bang la temperatura era tan alta que toda la materia estaba ionizada y opaca a la luz. Cuando la expansión redujo la temperatura a unos 3.000 grados, se formaron los átomos y el universo se convirtió en transparente a la luz. Los fotones que son restos de esta primera luz han seguido atravesando el universo y actualmente los recogemos a una temperatura de 3 K, la radiación microondas de fondo.
En 1965 Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron accidentalmente esta radiación microondas de fondo del universo y es la evidencia más evidente del Big Bang.
Número de núcleos ligeros
Según anunció el modelo cosmológico estándar basado en el Big Bang, en los dos o tres primeros minutos del universo se formaron átomos de helio y restos de otros elementos ligeros. Las mediciones realizadas confirman lo anunciado.
Se han estudiado los núcleos que hay en el universo y se ha comprobado que el 75% son núcleos de hidrógeno y casi todo el resto es helio. En muy pequeña medida (2%) hay otros elementos como el oxígeno, el carbono, el neón, el nitrógeno, etc. (de mayor a menor cantidad de orden). Y es que el universo está ‘medio vacío’. Es decir, se ha medido la cantidad de deuterio en las nubes de hidrógeno y, entre otras cosas, se ha obtenido que el 65% del universo es energía de vacío y sólo el 35% es materia, de donde el 5% es materia convencional y el resto es materia oscura. Los científicos no saben qué es lo que constituye la materia oscura, no se ve, pero sí tiene influencia gravitatoria sobre las cosas que son visibles. Por ejemplo, en la galaxia las nubes de gas se ven girando a velocidad constante alrededor de un núcleo. Esto sería imposible si en la galaxia sólo hubiera una masa de estrellas visibles.
La luz de las supernovas es más débil de lo esperado
Las supernovas del tipo Ia son gigantescas explosiones termonucleares de enanos blancos que se apropian de la masa de la estrella lateral y se implican por la gravitación. Algunas de ellas se pueden ver en las imágenes.
En los últimos tres años se ha medido la luz de las supernovas y parece que cuanto más lejos está la supernova, su luz se ve más débil de lo esperado. Como si la expansión del universo fuese acelerándose. Pero lo lógico sería la deceleración de la expansión del universo debido a la atracción gravitatoria de la masa que lo compone. Pues bien, tal y como se ha dicho, según las mediciones realizadas no ocurre eso. Algo parece influir en la expansión, algo ‘empuja’, ‘antigrabita’ el universo, algo que separa a unas galaxias de otras. Ante ello, los científicos han propuesto la existencia de una ‘energía de vacío’, la ‘energía de vacío contra la gravitación’.
Un grupo de astrónomos de Cambridge y Australia ha publicado una nueva evidencia de ello en marzo de este año. Es decir, han comparado las estructuras del universo actual con el que tenía 300.000 años de antigüedad y, de nuevo, se ha confirmado la aceleración de la expansión. Para consolidar la estructura actual han tomado un gran volumen del universo y han estudiado el modelo de dispersión de 250.000 galaxias. Gracias a la radiación microondas de fondo, la estructura del universo era conocida con 300.000 años de antigüedad.
El problema que se plantea al respecto es que esa energía de vacío tiene que ser muy pequeña para ajustarse a la observada, pero según la física cuántica ¡casi infinita!
Sabemos algo más, pero...
| Creencia en 1900 | Conocimiento 2000 |
En el universo sólo hay nuestra galaxia. | El universo está formado por cerca de 100.000 millones de galaxias. |
El universo es inmutable y sus astros tienen movimiento periódico. | El universo se expande de forma acelerada. |
La luz de las estrellas se debe a su contracción gravitatoria. | La luz emitida es consecuencia de la fusión termonuclear que se produce en el interior de las estrellas. |
La edad de la Tierra es de 100 millones de años. | El sistema solar tiene 4.566 millones de años, la edad de la Tierra es de 4.500 millones de años y el universo nació hace unos 13.000 o 14.000 millones de años. |
En el cielo, además de nuestro sistema solar con siete planetas, sus satélites y cometas, hay millones de estrellas y miles de nebulosas. | Galaxias, quasares, estrellas de neutrones, agujeros negros, emisores de rayos gamma, nueve planetas alrededor de un sol, se han observado otros planetas alrededor de otras estrellas. |
Todo lo que hay en el universo está compuesto por 92 elementos de la Tabla Periódica. | En la actualidad, cuando se estudia la composición del universo, la explicación es muy diferente. La nueva tabla periódica cuenta ya con 118 elementos, lo que se conoce como materia convencional. Según los científicos, en el universo que conocemos, sólo el 35% es materia y el otro 65% es energía pura. Sólo el 5% de esta materia es materia convencional y el resto es materia oscura. |
J.J. Thomson descubrió el electrón en 1897. Esta es la única partícula de rango inferior al átomo conocido. | Se han encontrado cientos de partículas subatómicas: protones, neutrones, bariones, mesones... y a un nivel más profundo, algunas partículas básicas: 6 quark, 6 collares y 12 mesones |
Newton, Boltzmann y Maxwell formularon mecánica clásica, estadística y ecuaciones del electromagnetismo respectivamente. Estas eran las bases de esta época. | Las teorías revolucionarias (cuantos y relatividad) propuestas por Planck y Einstein son la base de la física actual. |
Alberto Galindo Tixaire: “A medida que vamos superando los límites también aumentan los límites de la ignorancia”
¿Qué motiva al físico teórico, por qué investiga?
Sobre todo la curiosidad, la curiosidad es la que mueve al físico teórico. Su tendencia a la matemática le impulsa a ser teórico. Por otra parte, yo llamaría hedonismo a mi ilusión por investigar en física teórica; entender la riqueza de los procesos que tienen lugar en la naturaleza a través de unas pocas leyes básicas es un placer. Tanto en pequeño (átomo y menor) como en grande (universo...). Es decir, quiero meter el mundo en mi mente.
¿Con la esperanza de qué investigáis? ¿Qué buscáis?
Hay muchas preguntas pendientes de respuesta. Además de en el entorno del universo, en el mundo de la microfísica hay muchas preguntas. '¿Cuál es la teoría cuántica de la gravitación?', '¿en el mundo de las partículas elementales existen niveles inferiores a los conocidos?', '¿Son calculables o son provisionales en cuanto a las constantes físicas básicas?'. Y en un nivel intermedio hay física de la complejidad: materia condensada, física de fluidos, etc. A este respecto, por ejemplo, sería muy interesante explicar la superconductividad a alta temperatura.
¿Cuáles son sus líneas de investigación actuales?
La computación cuántica es lo que más me atrae. He desarrollado los algoritmos para sacar el máximo partido a los ordenadores cuánticos que vendrán y he tratado de hacer mi pequeña aportación. El ordenador es la herramienta que procesa la información y el ordenador cuántico procesa la información mediante procedimientos cuánticos. Su aplicación directa es, por ejemplo, mejorar los sistemas de encriptación que garanticen la seguridad en la ejecución de transferencias bancarias. De hecho, los ordenadores cuánticos tendrán la capacidad de obtener los primeros números de números enteros grandes. La información cuántica puede revolucionar el mundo de la comunicación y el cálculo y, en definitiva, transformar la ciencia y la propia sociedad.
¿Cuáles son, desde el punto de vista de la física teórica, los descubrimientos que se pueden hacer a corto plazo y cuáles son las preguntas que aún quedan lejos de responder?
Aún quedan muchas preguntas sin respuesta y, a pesar de su respuesta, surgirán muchas nuevas preguntas. A medida que vamos superando los límites también aumentan los límites de la ignorancia. Sin embargo, es cierto que algunas respuestas se ven mucho más cerca que otras. Respuestas lejanas son, por ejemplo, las siguientes preguntas: '¿Son realmente inmutables las leyes fundamentales?', '¿Cuántas dimensiones tiene el universo?'. ¿No tendrá más que lo que vemos?’, ¿Cómo surgieron el espacio y el tiempo?’, ¿Habrá otro universo aparte de nuestro universo? Es decir, ¿no será nuestro universo algo dentro de otro ‘Multiverso’ más plural?’. Desde el punto de vista de la física es legítimo plantear este tipo de preguntas, pero es muy probable que pasen muchos años hasta conseguir su respuesta. Por otro lado, hay preguntas que tienen una respuesta más cercana. Alrededor de la pequeña, ¿Cuál es el origen de la masa de partículas? ; ¿Por qué son las familias de las tres partículas elementales y no más? Alrededor de la Grande, '¿Cuál fue el creador de esa inflación gigante que sufrió el universo tras el Big Bang?', '¿De qué están la energía y la materia oscura?', '¿Se ha observado que hay más materia que la Antimatería, ¿por qué es eso?'.
Recientemente se ha encontrado agua en Marte y se ha relacionado rápidamente con la posibilidad de que haya vida en ella. ¿Qué opinas de encontrar vida en otro lugar?
¿Por qué no? ¿Miramos al cielo una noche clara y no nos damos cuenta de nuestra pequeñez ante tantos mundos? ¿Por qué tenemos que ser especiales? Ya se conocen muchos planetas en otros sistemas solares. Es cierto que el origen de la vida necesita condiciones y entornos adecuados, pero ¿por qué debemos pensar que es imposible que esas condiciones vuelvan a ocurrir en otro lugar y en otro tiempo?
¿Está la sociedad dispuesta a comprender los descubrimientos de la física?
La sociedad se preocupa más de lo que pensamos. Y si lo explicamos en una lengua plana, la ciudadanía es consciente de la importancia y alcance de estos temas, es decir, lo entiende. Sin embargo, la palabra ‘comprender’ puede tener un significado muy profundo. Hay cosas que se entienden y otras que se nos conocen, nos hemos acostumbrado. Por ejemplo, aunque nosotros utilizamos la mecánica cuántica a diario, hay muchas preguntas que nosotros tampoco podemos responder.
¿Podéis los físicos hacer algo para socializar vuestro conocimiento de una manera más sencilla?
Sin duda. Podemos aumentar la comunicación de la ciencia y generar curiosidad. Es más, tenemos que hacerlo porque los proyectos de investigación se financian a través de los impuestos que pagamos y la sociedad debe tener claro que hay que impulsar la ciencia para lograr el desarrollo.
¿Se valora la cultura científica en la calle?
No. El conocimiento científico no se valora suficientemente, la ciencia es una parte importante de la cultura y, entre otros campos, todos deberíamos tener un mínimo conocimiento científico. Y es que, para comprender en profundidad algunos de los problemas que actualmente se dan en esta sociedad compleja y tecnificada, es imprescindible un mínimo conocimiento científico.
Aitziber Lasa y Garazi Andonegi
Límites y retos de la Física
No hay fenómenos que sobrepasen los 300.000.000 m/s de velocidad, ni que permitan conocer simultáneamente y con precisión la posición y el momento de una partícula. Ambos son límites físicos, límites físicos insalvables, expresados por las constantes c y h respectivamente, y la constante de Planck.
Por otra parte, porque nuestro conocido universo nació como consecuencia de una gran explosión, hay hechos del pasado que nosotros todavía no hemos visto, cuya luz no ha pasado el tiempo suficiente para llegar a nosotros. Este límite se denomina horizonte de partículas. Asimismo, si la aceleración de la expansión continúa al mismo ritmo, algunos fenómenos desaparecerán a nuestra vista con el paso del tiempo; no podremos volver a ver los miles de millones de galaxias que hoy podemos ver. A esto se le denomina el horizonte de eventos. Ambos horizontes, el de las partículas y el de los hechos, son límites cosmológicos.
Por último, las matemáticas también tienen sus limitaciones, y en la medida en que el lenguaje de la física es matemático, las matemáticas también son limitaciones de la física. Las profundas limitaciones.
¿Qué es lo que los científicos todavía no saben? En palabras de Alberto Galindo Tixaire: “¿Había algo antes del Big Bang?”. “¿Qué es la materia oscura? ¿De qué está compuesto?”, “¿Cómo se formaron las primeras estrellas?”, “¿No será nuestro universo algo que forme parte de otro más rico y diverso ‘Multiverso’?”, “¿Qué provocó el Big Bang?”. Estas preguntas no tienen respuesta por el momento, por lo que siguen teniendo mucho que investigar los físicos.
A. Galindo Tixaire
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