viernes, 5 de abril de 2013

Big Bang dummy


A lo largo de la historia de la humanidad y debido a la naturaleza curiosa del hombre, se ha intentado dar una explicación al origen del Cosmos desde diferentes prismas. Algunas de estas respuestas estaban basadas en la fe y otras sostenidas por datos empíricos. A día de hoy no existe una teoría que consiga explicar con perfecta exactitud el nacimiento del Universo, ni funcionamiento ni su propósito, de hecho todas las teorías son aceptables, pero necesitan demostrar todo lo que proponen. Según Stephen Hawking, cualquier cuerpo teórico es perfectamente viable siempre que consiga explicar la realidad del analizador. Este concepto se denomina `Realidaddependiente del modelo`. Sin embargo, hay teorías más apropiadas que otras dependiendo del grado con el que puedan explicar el entorno sobre el que trabajan basándose en datos obtenidos a través de la experimentación. De esta manera, la Física y su Modelo Estándar de Partículas (que se ocupa de analizar las fuerzas fundamentales de la naturaleza y su relación con las partículas presentes en ella) son las mejores herramientas disponibles en la actualidad para cumplir con este propósito.

Para comprender el fenómeno que dio origen al Universo es necesario entender antes una serie de conceptos que juntos forman los pilares básicos del Cosmos.

Todo lo que alguna vez ha existido, lo que existe en el presente y lo que está por existir forma parte de una gran entidad global llamada Universo. El Universo es el escenario en el que se desarrollan todos los eventos naturales de la existencia. Por evento se entiende la interacción de un cuerpo u objeto cualquiera, conocido en Física como sistema, con su entorno u otro sistema en un momento determinado. Este hecho coloca a todos los eventos en un lugar y momento concreto de la existencia, es decir, se sostienen sobre las tres dimensiones espaciales (altura, anchura y longitud) y sobre una temporal. Estas cuatro dimensiones que componen el tapiz del Cosmos, son el esqueleto de la realidad y juntas forman el espacio-tiempo.

Por otro lado hay que tener en cuenta las fuerzas elementales de las que se ocupa el Modelo Estándar de Partículas, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la gravedad. Estas fuerzas son las responsables de absolutamente todo lo que sucede en el universo e interactúan entre sí y con todas las partículas que se conocen hasta ahora. La fuerza nuclear fuerte es la más potente de las cuatro, sin embargo, su rango de acción se limita al núcleo del átomo 10.000 veces más pequeño que el átomo en sí y es la responsable de mantener las partículas de los átomos unidas. Esta fuerza es tan intensa que resulta casi imposible vencerla, hacerlo conlleva la liberación de enormes cantidades de energía al romper o fusionar un átomo y es la base sobre la que funcionan las bombas atómicas. La fuerza electromagnética es la segunda en la escala de intensidad y  se manifiesta gracias a las cargas negativa y positiva de la materia y es la que domina las reacciones químicas en las que los átomos comparten electrones para formar unidades más grandes llamadas moléculas. En tercer lugar está la fuerza nuclear débil y es la responsable de la radioactividad. Finalmente, la gravedad es la fuerza más débil de todas, no obstante, la que mayor alcance tiene ya que puede actuar a grandes distancias y la que ha jugado un papel fundamental en el desarrollo del Universo. La gravedad ejerce su influencia sobre la materia atrayendo los objetos entre sí. Cuanto más masivo sea un objeto más gravedad generará.

Es importante destacar el papel de las partículas elementales ya que son las mediadoras de las fuerzas de la naturaleza y las que le dan forma. Existen dos grandes familias, los fermiones y los bosones. Los fermiones son los que al agruparse forman los átomos y la materia. Los fermiones existen en diferentes formas y tipos como los quarks que al unirse forman los protones y neutrones del núcleo atómico. También pueden ser electrones y neutrinos. En llano, los fermiones son las partículas palpables del universo y tienen masa. Por otro lado están los bosones, responsables de transmitir las cuatro fuerzas y no todas tienen masa, de hecho exceptuando el bosón de higgs que aporta la masa a las demás partículas, el resto de bosones no tienen masa, son partículas `fantasma´. Estas partículas atraviesan los átomos pasando de unos a otros como si fuesen una ola y de esta manera afectan de distinta forma a la materia. El fotón transmite la fuerza electromagnética en forma de luz visible, rayos X, microondas, rayos gamma y rayos infrarrojos. Las partículas W y Z son las responsables de generar la radioactividad. Los gluones son los bosones que generan la fuerza nuclear fuerte, estos unen los quarks entre sí formando protones y neutrones y manteniendo el núcleo del átomo unido. Por último, el gravitón es el bosón que transmite la gravedad, aunque aún no se ha demostrado su existencia.

El Modelo Estándar y la Física en general tienen la unificación de las cuatro fuerzas como una de sus metas más ambiciosas. Hasta ahora la gravedad ha sido la única que no se ha podido integrar mediante una teoría sólida con las otras tres, ya que a nivel atómico, ámbito en el que el resto de fuerzas funcionan, la gravedad es casi nula. Sin embargo, al existir partículas con masa se entiende que juega un papel importante. Al mismo tiempo existe un fenómeno natural que tiene la respuesta a este problema, las singularidades. Una singularidad es la condición excepcional a la que llega la materia cuando esta está bajo el efecto de un campo gravitatorio muy intenso. Las singularidades son los astros que dan vida a los agujeros negros. La gravedad se intensifica cuanto más masivo es un objeto y cuanto más denso es. De ser suficientemente intensa, esta relación entre gravedad y materia puede convertirse en un círculo vicioso. En ocasiones un objeto suficientemente masivo como algunas estrellas se caen sobre sí mismas debido a su intensa gravedad, volviéndose más densas, pero manteniendo su gran masa intacta. Esto al mismo tiempo genera más gravedad que vuelve a contraer la estrella generando más gravedad al mismo tiempo y repitiendo el proceso una y otra vez. El resultado es un punto subatómico que encierra en su nulo volumen cuerpos con masas de varias estrellas, convirtiéndose así en la respuesta a la unificación de las fuerzas, la gravedad en su estado más salvaje actuando a través de un objeto más pequeño que un átomo. El problema es que llegados a este punto las leyes físicas que explican el funcionamiento del Universo dejan de funcionar dentro de las singularidades y resulta imposible estudiarlas debido a los efectos que tienen sobre el espacio-tiempo, de ahí su nombre. Entender el funcionamiento de las singularidades y unificar las fuerzas de la naturaleza es vital para comprender el Big Bang.

En 1929 Edwin Hubble descubrió que la mayoría de las galaxias se alejaban de la tierra, llegando a la conclusión de que el Universo se expandía. Este descubrimiento puso fin a la idea de que el Cosmos era estático postulando que se hacía más grande exponencialmente, lo que se conoce como Expansión Acelerada. Según el descubrimiento de Hubble las galaxias no se alejaban de La Tierra sin control, se alejaban porque el espacio-tiempo, el Universo mismo al hacerse más grande, agrandaba las distancias entre todos los cuerpos en el, como si las motas sobre la superficie de un globo se alejasen las unas de las otras a medida que se infla el globo.

Una de las pruebas irrefutables de la teoría del Big Bang es la Radiación de Fondo de Microondas. En 1964 Arno Penzias y Robert Wilson, un par de astrónomos aficionados, trasteaban con una antena de radio cuando descubrieron que esta detectaba un ruido de fondo que no conseguían identificar. Más tarde se dieron cuenta de que ese ´ruido´ estaba presente en todas direcciones y llegaron a la conclusión de que era un tipo especial de radiación que venía desde todas las partes del cielo. Con el tiempo se comprobó que esa radiación era el `eco` del Big Bang. Se trata de la luz emitida cuando el Universo empezó a crecer. Con el paso del tiempo esa luz ha ido bajando su intensidad y alargando su longitud de onda bajando hasta la frecuencia más débil para convertirse en microondas e impregnar todo el Universo homogéneamente.
Sabiendo que el Cosmos crece a medida que el tiempo pasa, tiene sentido pensar que cuanto más atrás se mira en el tiempo el Universo era progresivamente más pequeño y más denso. Siguiendo esta lógica y conociendo el comportamiento de las singularidades y la relación entre gravedad y materia, al viajar hasta el punto en el que el tiempo empezó, el Universo debía de ser un lugar muy pequeño. Si la masa de una estrella grande es suficiente para crear una singularidad, con razón es más seguro que toda la materia de la creación hubiese partido de una singularidad primordial. Es imposible hablar del Big Bang en sí, ya que la física no puede analizar los momentos previos al evento. En las singularidades las dimensiones y el espacio-tiempo no existen, el tiempo va unido a un espacio sobre el que este permite a los eventos evolucionar, si no hay un lugar donde estos se desarrollen no es posible hablar de tiempo y por tanto analizar ese momento. No se conoce como esa singularidad pudo romperse y dar lugar al nacimiento de todo. Los agujeros negros sin embargo, pueden desaparecer con el tiempo mediante un proceso de desgaste llamado Radiación de Hawking, pero para eso es necesario tener un espacio donde residir. La singularidad primordial no estaba contenida en nada, es más preciso decir que el Universo nació espontáneamente de la nada. A diferencia de lo que se cree el Big Bang no fue una explosión propiamente dicha, ya que para que algo explote necesita propagarse a través de un espacio. El Big Bang fue un evento silencioso que generó el espacio y con él, el tiempo. Para poder oír algo es necesario que el sonido se propague a través de un medio y en el espacio no hay tal cosa, sólo vacío, por eso los sonidos se ahogan con más razón todavía sería difícil oír algo si no hubiese siquiera vacío. No es planteable pensar en un cuándo ya que el tiempo no era una variable que existiese en ese entorno. En los segundos que siguieron a este acontecimiento el espacio que se generó pasó de ser nulo a tener varias veces el tamaño de la Vía Láctea. En otras palabras, todo lo que nació se movió más rápido que la luz, y está fuera de lo analizable por la Física contemporánea debido a las contradicciones que conlleva tener elementos viajando a velocidadessuperlumínicas. En esta etapa temprana de expansión, el Cosmos experimentó su crecimiento más energético, la denominada etapa de inflación, que no se ha vuelto a repetir jamás. El ritmo de expansión se frenó progresivamente debido a la gravedad que generaba toda la materia del Universo. Ésta ejercía una fuerza opuesta a la de la explosión, como la que existe en el caso de un globo que se quiere contraer debido a la tensión de la goma pero que se expande mientras lo inflamos. Se sabe que el Universo primordial era muy caliente. La materia no formaba átomos porque contenía mucha energía, tal como pasa en las estrellas. Las partículas se movían demasiado rápido como para estar lo suficientemente quietas y dejar que las cuatro fuerzas las atrapasen para formar los primeros átomos. El Universo era una amalgama caliente de plasma. Sólo cuando se hubo expandido lo suficiente como para enfriarse a unos cuantos millones de grados,  las partículas no tuvieron fuerza suficiente para ignorar las fuerzas y se pudieron formar los primeros átomos de hidrogeno y con ellos las primeras estrellas.

Las condiciones previas al Big Bang no son planteables para la Física ya que las variables de ese entorno no forman parte de lo que la ciencia puede medir y por tanto no es posible estudiarlo. Sin embargo, se pueden analizar los momentos posteriores al nacimiento del Universo para comprender el comportamiento del Cosmos de hoy en día y cómo evolucionará.