Café Scientifique Guadalajara

Thursday, December 09, 2004

Adiciones a la charla de cosmología, por Peter Hannan

Hoyos negros y la selección de universos

Lee Smolin tiene un argumento adicional, que reduciría la improbabilidad de la existencia de un universo como el nuestro. Él nota que el problema de explicar una complejidad altamente improbable se ha enfrentado antes, en la teoría de la evolución por selección natural, y propone un mecanismo de cómo universos como el nuestro podrían hacerse más comunes en el multiverso. Él señala que hay una conexión entre el carbono y los hoyos negros, y obviamente el carbono es la base de la vida también.

Los hoyos negros se producen con el colapso de estrellas masivas (digamos, 10 veces la masa solar o más); en estas estrellas, el ciclo de fusión es más complejo que en nuestro sol, e involucra la producción de carbono, y luego el carbono actúa como catalizador de otras reacciones de fusión que sostienen la estrella.

Ahora, una posibilidad de qué pasa dentro de un hoyo negro es que se crea un nuevo universo; y se puede argumentar que las ‘reglas’ de este universo (los valores de las constantes, etc.) deben transferirse al nuevo universo con poca o ninguna variación.

Si es así, resulta que los universos que tienen valores de las constantes tales que se produzcan muchos hoyos negros tenderán a reproducirse más que otros y llegar a ocupar una mayor proporción del multiverso. Y esos mismos valores también favorecerán la producción de carbono, y así las condiciones para que exista la vida.

La ciencia y la fe

Estamos en una época realmente maravillosa: después de 50,000 años de la existencia de homo sapiens sapiens, en los últimos 100 años hemos ideado explicaciones eficaces y confiables de: qué es la materia, de qué consiste, y cómo funcionan las partículas fundamentales; cómo y cuándo se formaron la tierra y el sol; cómo se formaron los 92 elementos químicos; cómo se inició la vida, y su complejidad y diversidad; la galaxia, su edad y su evolución; el tamaño y edad del universo; cómo fue el inicio del universo; de dónde vino este universo; y de cómo llegar a conocimiento y comprensión confiables. Estas explicaciones no son lo último: necesitan refinarse, algunas son más abiertas a revoluciones de comprensión que otras, y sabemos dónde hay que trabajar para producir estas revoluciones; y por supuesto, habrá otras revoluciones inesperadas. Pero estamos ya en una posición para afirmar que todas las cosmovisiones que tienen su origen hace más de 500 años tienen que someterse a una crítica y revisión a profundidad, de la cual no saldrán ilesas, si es que salen en forma reconocible.

Puede ser que te suene tajante o intolerante expresarlo así, pero creo que es necesario exponer el asunto claramente: mucha gente habla en términos vagos del hecho que la ciencia y la fe pueden convivir amigablemente, o en términos del apoyo que la ciencia da a ciertos artículos de fe; o, expresa la idea de que la ciencia es simplemente otra manera de ver el mundo, otro lente, ni menos válida ni más válida que cualquier otro sistema de pensamiento, y que es igualmente una cuestión de fe.

Estas ideas son profundamente superficiales: la ciencia es el único sistema de pensamiento y práctica que integra la crítica y auto-crítica en cada paso de su proceder; el único sistema que sostiene que sus explicaciones son provisionales, y que busca destruirlas y reemplazarlas con mejores; es el único sistema cuyos practicantes se emocionan cuando encuentren en fenómeno que no cabe en sus explicaciones (Richard Feynman: ‘Cuando una teoría no funciona: ¡ahí es donde la cosa se pone interesante!’).

Es importante señalar por qué esto es importante: cómo vemos el mundo afecta profundamente nuestra moralidad y nuestras acciones, nuestros valores y propósitos. Si queremos ser personas de bien, tenemos el deber de reflexionar lo mejor que podamos sobre todo esto, y no quedarnos satisfechos con opiniones o sistemas recibidos. Esta reflexión debe tomar en cuenta los conocimientos y las explicaciones más confiables que tenemos.
Primeras partículas
Ahora, es más fácil dar la narración en la secuencia normal, empezando cuando el universo tiene la edad de un segundo.

El universo está lleno de energía, a una temperatura mayor de cien mil billones de grados (10 14 K); existen ya quarks aislados de los varios tipos, electrones y sus versiones más masivas, los muones y tauones, neutrinos, y fotones. A esta temperatura, la fuerza fuerte entre los quarks es dominado por la energía alrededor, y no se pueden juntar.

Después de unos segundos, con la expansión, la temperatura baja cien veces a 10 12 K (mil billones de grados), y los quarks ya se pueden juntar y formar protones y neutrones; con unos segundos más, la temperatura baja a 10 10 K (diez billones de grados) – la densidad está bajando rápidamente también – y se pueden formar núcleos de átomos de helio por medio de colisiones entre protones y neutrones. La mayoría de los neutrones acaban en estos núcleos – y los protones aislados son efectivamente los núcleos de hidrógeno. Cuando el universo tiene una edad de dos minutos, ya están hechos los elementos primordiales. Los porcentajes son aprox. 75% hidrógeno, 25% helio, con una proporción muy pequeña de deuterio (isótopo de hidrógeno con un neutrón) y litio (3 protones, 3 neutrones). Todavía no existen átomos: la energía ambiental es muy alta para que los electrones sean capturados por los núcleos, y el gas está en la forma de un plasma, ionizado. Se tardó el universo algo como 380,000 años en expander lo suficiente para que la temperatura bajara a menos de 3,000 K, que permitió que los electrones fueran capturados. Antes de esto, los electrones libres dispersaban los fotones por choques, y el gas era opaco. Cuando los electrones se juntaron con los núcleos para formar átomos electricamente neutrales, se liberaron los fotones, y estos han estado viajando por el espacio en expansión desde ese entonces. Estos fotones empezaron con alta energía, es decir que eran de muy alta frecuencia, en el área de los rayos gamma; con la expansión del espacio por lo cual han viajado en los últimos 13 billones de años, su longitud de onda se ha estirado, y su frecuencia y energía ha bajado, y ahora conforman el trasfondo cósmico de microondas, que fue detectado por primera vez en 1964, con una temperatura equivalente de 2.76 K. Y así, con la expansión contínua, el gas de hidrógeno y helio se enfriaba, y empezó a congregarse y colapsarse bajo su auto-gravitación para formar las primeras estrellas y proto-galaxias.