La muerte del Universo

La entropía es un concepto sumamente interesante, y en cierta forma enigmático, ligado al grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. El segundo principio de la termodinámica establece que en un sistema cerrado, tal como el propio Universo, sus parámetros característicos se desarrollarán de tal forma que tenderán a maximizarla, es decir, a llevar al sistema a un máximo desorden. Dado que la forma más degradada de energía es la energía térmica, en cualquier sistema cerrado, toda la energía tenderá a acabar de esa manera: en un estado de total equilibrio termodinámico y a una temperatura cercana al cero absoluto, que impedirán cualquier posibilidad de extracción de energía útil. Es la llamada “muerte térmica”, el estado de mayor desorden posible o de máxima entropía.

Nuestro Universo como sistema cerrado está sujeto a ese destino de forma irremediable. La entropía esta aumentando incesantemente en las estrellas tanto como en nuestro planeta. Esto significa que, con el tiempo, las estrellas agotarán su combustible nuclear y morirán, convirtiéndose en masas muertas de materia nuclear. El universo se oscurecerá a medida que las estrellas, una a una, dejen de centellear. Todas las estrellas se convertirán en agujeros negros, estrellas de neutrones o estrellas enanas frías, dependiendo de su masa.

Posteriormente, según las Teorías de Gran Unificación,toda la materia tal como la conocemos, nuestros cuerpos, la Tierra o el sistema solar se desintegrará en partículas más pequeñas tales como electrones y neutrinos.

Después de un periodo, prácticamente inimaginable en nuestra escala temporal, la temperatura del universo se acercará al cero absoluto, pero incluso en un universo desolado y frío, a temperaturas próximas al cero absoluto, existe una última fuente remanente de energía: los agujeros negros. Según Hawking, no son completamente negros, dejan escapar energía lentamente al exterior.Pero ¿y después, cuando los agujeros negros en evaporación hayan agotado la mayor parte de su energía?.

Para un universo según la física clásica la muerte es irremediable, pero para un universo mecanocuántico sujeto a escalas temporales tan formidables no se puede descartar ningún tipo de raro suceso cuántico-cósmico, capaz de trastocar el más triste de los destinos.

El Universo nació con el mínimo de entropía y el máximo orden. En cierta forma partía como un reloj con la máxima cuerda. Conforme avanzamos en el tiempo la cuerda se va acabando y va apareciendo más y más desorden hasta la muerte térmica. Como ejemplo nos valdría imaginar un enorme tubo lleno de monedas perfectamente ordenadas, una encima de otra. Así sería el nacimiento del Universo. Las dejamos caer sobre una gran mesa de forma que todavía tengamos bastantes montoncitos ordenados, por ejemplo, con la cara de las monedas hacia arriba, y la mayoría del resto de las monedas sueltas también con la cara conservando la misma orientación. Esa situación podría asemejarse al estado del Universo actual. Finalmente, si imaginamos el final, estarían todas las monedas sueltas sobre la mesa, sin formar ningún montón y con la orientación de la cara/cruz totalmente aleatoria: un completo desorden.

La probabilística mecánica cuántica no descarta que después de miles de millones, de millones… y millones de años, dando una “palmada a la mesa”, vuelvan a ordenarse nuevamente las monedas de forma “milagrosa”. Es lo que tiene la mecánica cuántica. Parafraseando a Humphrey Bogart, en Casablanca, podríamos decir que “siempre nos quedará la mecánica cuántica”.

Post de mi antigua columna "Ciencias y letras", en Libro de notas.

La radiación de agujero negro o de Hawking

Por su propia definición los agujeros negros son objetos que se supone que no emiten nada, y durante mucho tiempo científicos de la talla de Stephen Hawking se resistieron a pensar que de ellos pudiera salir cualquier tipo de radiación. Sin embargo el hecho de que el propio Hawking descubriera que el área del horizonte de sucesos de un agujero negro aumentaba cada vez que caía materia, sugirió a un estudiante de investigación en Princeton, llamado Jacob Bekenstein, que dicha área era una medida de la entropía del agujero negro.

Esto impediría que los agujeros negros violaran la segunda ley de la termodinámica, el aumento de entropía o desorden, pero si se admitía que un agujero negro tiene entropía también debería tener una temperatura y y por tanto emitir cierta radiación. La cuestión de la entropía no era vana, pues un agujero negro del que no salga nada, ni presente al exterior ninguna manifestación cuando engulle materia con mucha entropía sugiere una forma demasiado fácil de disminuir la entropía de la materia exterior al mismo. Conforme arrojáramos al agujero materia con gran entropía haríamos disminuir la entropía exterior.

Los primeros cálculos que parecían demostrar que los agujeros negros eran capaces de emitir ciertas radiaciones los efectuaron dos físicos soviéticos, Yakov Zeldovich y Alexander Starobinski al principio de los años setenta. Pero su cálculo se refería a agujeros negros en rotación. Ellos convencieron a Hawking de que, según el principio de incertidumbre mecanocuántico, los agujeros negros en rotación deberían crear y emitir partículas. Hawking mediante un tratamiento matemático mejorado descubrió que no sólo debían emitir partículas los agujeros en rotación sino todos. Lo que le convenció de que la emisión era real fue que el espectro de las partículas emitidas era exactamente el que sería emitido por un cuerpo caliente (aquí, caliente es considerada la temperatura superior al cero absoluto ó 273,15 grados centígrados bajo cero).

Todos los cálculos posteriores que se han hecho confirman que un agujero negro debe emitir partículas y radiación como si fuera un cuerpo caliente con una temperatura que depende solo de la masa del agujero negro: Cuanto mayor es la masa, menor es la temperatura. El origen de esa emisión son las fluctuaciones cuánticas del vacío, pares de partículas que aparecen juntas en cierto instante, se separan y luego se juntan de nuevo y se aniquilan mútuamente. Estas partículas se denominan virtuales y por la conservación de la energía, una de las componentes de un par tendrá energía positiva y la otra negativa. Si la partícula con energía negativa cae en el agujero su compañera con energía positiva tiene la posibilidad de escapar del agujero como una partícula real. Para un observador exterior parecerá haber sido emitida desde el agujero negro.

Cuanto menor es la masa de un agujero negro, más alta es su temperatura, por tanto, a medida que el agujero negro pierde masa, su temperatura y el ritmo de emisión aumentan y con ello pierde masa con mayor rapidez. Se supone que cuando su masa se reduce lo suficiente el agujero negro desaparecerá en un tremendo estallido final de emisión que podría ser equivalente a la explosión de millones de bombas H.

Conforme más sabemos de estas exóticas criaturas estelares, más nos sorprenden. Hemos descubierto que emiten radiación (llamada de Hawking) y no son tan negros como nos los pintaban; que el área de su horizonte de sucesos nos mide toda su entropía y nos delata la magnitud del desorden exterior que ha devorado, y que mueren en medio de un estallido de energía brutal. Parecía que nos lo querían esconder todo, y, sin embargo, nos cuentan cosas que sin ellos nunca habríamos sabido sobre el propio nacimiento del Universo y de su final, pues sus propiedades llevan años alumbrando la dirección que debemos tomar para descubrir la futura teoría de la gravedad cuántica: la llave del pasado y del futuro del Universo.

Hasta siempre

Descanse en paz, el gran científico y mejor persona. Hasta siempre querido profesor Hawking.

Un café, unas dimensiones extras, las fuerzas fundamentales y la vida

Un café:
Esta mañana, aunque estoy de vacaciones, o precisamente por eso, me he levantado pronto y mientras saboreaba un delicioso café en el bar de mi amigo Juanito, en el Centro Comercial las Américas de Torrent, me ha dado tiempo de "picotear" en dos textos que me han parecido muy interesantes. Curiosamente, versaban los dos sobre las cuatro fuerzas fundamentales, el uno hacía una reflexión sobre la precisión necesaria de sus intensidades para que se haya podido desarrollar la vida en este Universo y el otro sobre la necesidad, presumible, de la existencia de dimensiones extra para explicar lo que les sucede a estas fuerzas capaces de moverlo todo.

Unas dimensiones extras:
Los humanos vivimos en un mundo cuadrimensional, formado por tres dimensiones espaciales, más la temporal que añadió Einstein con su Teoría de la Relatividad. Todo lo que nos sucede se puede explicar en estas cuatro dimensiones, pero parece ser que no ocurre lo mismo cuando se intenta explicar lo que les sucede a las cuatro fuerzas fundamentales que mueven el Universo.

La existencia de dimensiones extra, que no vemos, permitirían la unificación de las fuerzas de la naturaleza, es decir, entender las cuatro fuerzas como una manifestación a diferentes escalas de una única fuerza.

La gravedad, la interacción más débil y paradójicamente la primera en ser formulada, juega un papel muy importante en la búsqueda de esas dimensiones extras. Parece ser que es precisamente esta fuerza la que podría propagarse por estas dimensiones y explicaría por qué es tan bébil: se dispersa en las dimensiones que no vemos en lugar de estar confinada, como sucede con las otras tres fuerzas, a nuestro mundo tridimensional.

Si formulamos la gravedad en un lenguaje cuántico, se habla del gravitón como la partícula portadora de la fuerza gravitatoria, al igual que el fotón lo es de la fuerza electromagnética. Este gravitón nunca se ha podido observar, tal vez porque precisamente se propaga por las dimensiones extras. En los experimentos del LHC, el gran colisionador de hadrones que se pondrá en marcha proximamente en el CERN, se producirán colisiones entre protones a energías muy elevadas. Si en estos choques se produce algún gravitón podremos verlo, no directamente, porque desaparecerá en las dimensiones extras, pero sí por el rastro que dejará en el detector: un chorro de partículas que no tendrían un balance de energía y momento en la dirección opuesta.

Este hallazco significaría el descubrimiento de la nueva física que, a diferencia de descubrimientos anteriores, no desmentiría el modelo actual, el modelo estándar de la física de partículas, sino que lo extendería simplificado a los principios fundamentales. El modelo estándar actual, a pesar de que ha sido capaz de describir la mayoría de los procesos conocidos y predecir otros nuevos, deja demasiados parámetros libres y preguntas por responder. El descubrimiento de nuevas dimensiones y la cuantización de la gravedad serían el primer paso hacia la unificación de todas las fuerzas.

Las fuerzas fundamentales y la vida:
En muchos casos, bastaría un pequeño cambio porcentual en el valor de una constante física, manteniéndose inalteradas las demás, para desarrollarse un Universo inhóspito para la vida.

Fuerza electromagnética.- Si la fuerza electromagnética hubiera sido ligeramente más intensa con respecto a las demás fuerzas fundamentales, todas las estrellas serían enanas rojas y no se habrían formado los planetas. Si la fuerza electromagnética hubiera sido ligeramente menos intensa, todas las estrellas serían muy calientes y, por tanto, de corta vida.

Fuerza nuclear fuerte.- Si la interacción nuclear fuerte hubiera sido ligeramente más intensa, todo el hidrógeno que hubiere en el Universo primitivo se habría convertido en helio; si hubiera sido ligeramente menos intensa, no se habría formado el helio, dejándonos un Universo de sólo hidrógeno.

Fuerza nuclear débil.- Si la fuerza nuclear débil hubiera sido ligeramente más débil, no se habrían desarrollado las supernovas y, por consiguiente, los elementos más pesados no se habrían creado.


Gravedad.- Si la intensidad de la gravedad fuera ligeramente mayor o ligeramente menor que su valor real la vida basada en la química del carbono no podría haber evolucionado. Para un valor ligeramente mayor, sólo podrían existir estrellas enanas rojas, que son demasiado frías para permitir que, en su zona aledaña, hubiera planetas aptos para sustentar la vida. Para un valor ligeramente menor, todas las estrellas serían gigantes azules y persistirían durante un intervalo temporal demasiado corto para que pudiera desarrollarse la vida.

Barry Collins y Stephen Hawking en 1973 llegaron a la conclusión de que debió darse una densidad de energía exactamente equilibrada entre valores que condujeran a un Universo en expansión indefinida (universo abierto) o a un Universo en colapso (universo cerrado), la así llamada densidad crítica. Ni Collins ni Hawking creían que una restricción tan específica fuera mera coincidencia. Pero, ¿cómo explicar ese ajuste fino?. Brandon Carter en 1974 publicó su idea del principio antrópico, que en su forma fuerte sugiere que la existencia del observador impone restricciones sobre las propias constantes físicas; la realidad material no puede existir, a menos que haya observadores para conocerla; el universo tiene que tener aquellas propiedades que permitan que la vida se desarrolle en él dentro de alguna etapa de su historia.

La tesis antrópica, en particular su versión fuerte, fue recibida con desdén por muchos físicos, que no le reconocían estatuto científico. Los cosmólogas se han percatado de que existen muchos contextos en que nuestro Universo podría ser sólo uno (de un conjunto de infinitos posibles) de los universos "paralelos" en los que las constantes físicas varían. Ese conjunto se denomina a veces multiverso.

Nueva edición de la entrada del mismo nombre. Un abrazo amigos.