Por Qué La Ciencia Nunca Lo Sabrá Todo Sobre Nuestro Universo

El espacio, la última frontera. Estos son los viajes de la nave estelar «Enterprise», en una misión que durará cinco años, dedicada a la exploración de mundos desconocidos, al descubrimiento de nuevas vidas y nuevas civilizaciones, hasta alcanzar lugares donde nadie ha podido llegar.

Así es como empezaba cada uno de los capítulos de Star Trek, “El espacio, la última frontera”; hemos descubierto muchas cosas sobre el espacio y el universo y, sí, hemos llegado muy lejos. Pero existe un límite en el conocimiento que nunca seremos capaces de sobrepasar. Aprendamos hoy por qué nunca podremos saberlo todo sobre el universo.

Nicolás Copérnico

Nicolás Copérnico

“Saber que sabemos lo que sabemos, y saber que no sabemos lo que no sabemos, eso es conocimiento verdadero”, Nicolaus Copernicus

El Universo en sí mismo sería finito o sería infinito, esto aún está en discusión. Pero una cosa sí que es cierta: la parte que es accesible a nosotr@s es finita. Incluso con el Universo expansivo, con todas las galaxias y las estrellas y los planetas y las moléculas y los átomos y las partículas subatómicas en su interior, tan sólo podemos acceder a una parte. Y estas limitaciones (el número total de partículas y la cantidad total de energía disponible en el universo) implican que tan sólo hay una cantidad finita de información que podemos determinar sobre nuestro cosmos. Por primera vez, podemos cuantificar eso, y empezar a inferir qué cosas nunca podremos entender.

The observable Universe might be 46 billion light years in all directions from our point of view, but there’s certainly more, unobservable Universe just like ours beyond that. Image credit: Wikimedia Commons users Frédéric MICHEL and Azcolvin429, annotated by E. Siegel

El Universo observable tendría un radio de 46 billones de años luz en todas las direcciones desde nuestro puento de vista, pero ciertamente hay más, un Universo que no podemos observar y que está más allá de este radio.

Una de las últimas preguntas sobre nuestro Universo es la pregunta de: ¿De dónde vino todo?. Cuando descubrimos que esas grandes espirales en el cielo eran galaxias no tan diferentes a nuestra Vía Láctea, pavimentamos el camino para entender (por primera vez) verdaderamente el alcance y la escala de todo lo que podemos percibir. Esos distantes “Universos Islas” no estaban dentro de la Vía Láctea, sino que eran colecciones de billones, de trillones de estrellas, separadas por millones o billones de años luz en el cosmos.

Galaxy NGC 7331 and its surrounding (and background) environment. Image credit: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona.

Galaxia NGC 7331 y sus alrededores (y su fondo).

Cuando descubrimos que la galaxia más distante de nosotr@s, de media, la que nos parecía que se alejaba más rápidamente desde nuestra perspectiva, se abrió una posibilidad intrigante, que se hizo consistente con la Relatividad General de Einstein: a lo mejor las galaxias no se estaban alejando de nosotr@s, pero el tejido del Universo en sí mismo se estaba expandiendo. Si esto fuese cierto, entonces el Universo no estaría tan sólo expandiéndose sino que también estaría enfriándose, a medida que la longitud de onda de la luz se estrecharía y rebajaría la energía con el tiempo. Aún más, no tenemos porque extrapolar hacia adelante, podemos ir hacia atrás también: a un tiempo dónde el Universo era más pequeño.

After the Universe’s atoms become neutral, not only did the photons cease scattering, all they do is redshift subject to the expanding spacetime they exist in, diluting as the Universe expands while losing energy as their wavelength continues to redshift. Image credit: E. Siegel, from his book, Beyond the Galaxy.

Después que los átomos del Universo se hiciesen neutrales, no solo los fotones cesaron de dispersarse, todo lo que hicieron fue cambiar en el espacio-tiempo en el que existían, diluyéndose a medida que el Universo se expandía y perdiendo energía acercándose al rojo.

Si hubiésemos mirado en esa dirección, nos hubiésemos encontrado con un Universo más denso, caliente, que se expande más rápido y más compacto. En tiempos tempranos, el Universo sería tan energético que los átomos neutros estarían condenados, e incluso antes que eso, el núcleo atómico nunca se hubiese formado.

Yendo en esta dirección nos hubiésemos encontrado con la aparición de algunos problemas:

  • El Universo se hubiese expandido en el olvido o se hubiese recolapsado casi inmediatamente, sin llegar nunca a formar estrellas y galaxias, a no ser que la tasa de expansión inicial y la densidad energética hubiesen estado perfectamente equilibradas.
  • El Universo habría tenido diferentes temperaturas en función de la dirección (hecho que se ha demostrado falso), a no ser que algo causase que tuviese la misma temperatura en todos los sitios.
  • El Universo se habría llenado de reliquias de alta energía que nunca se hubiesen podido detectar, una consecuencia de extrapolar arbitrariamente hacia atrás en el pasado.

Y, cuando vimos nuestro Universo, tenía estrellas y galaxias, tenia la misma temperatura en todas las direcciones y no tenía estas reliquias de alta energía.

The history of the Universe, as far back as we can see using a variety of tools and telescopes. Image credit: Sloan Digital Sky Survey (SDSS), including the current depth of the survey.

Esta es la historia del Universo, lo máximo de atrás que podemos llegar con nuestras herramientas y telescopios.

La solución a estos problemas fue la teoría de la inflación cósmica, que reemplazó la idea de de una singularidad de un periodo de expansión exponencial de nuestro espacio y que predijo las condiciones del Big Bang, si podrían ser o no ser. Además, la inflación aportó otras 6 predicciones de lo que podemos ver en nuestro Universo:

  1. Un Universo perfectamente plano.
  2. Un Universo con fluctuaciones tan grandes a través de las cuales, la luz no puede viajar.
  3. Un Universo con una temperatura máxima que no es arbitrariamente alta.
  4. Un Universo adiabítico (sin ningún cambio de calor), con un entropía igual en todos los lados.
  5. Un Universo donde el espectro de las fluctuaciones era justo un poco menos que tener una escala de naturaleza invariante (ns <1). Sí, confieso que no entiendo esta frase.🤔
  6. Y finalmente, un Universo con un espectro particular de fluctuaciones de ondas gravitatorias.

Se han verificado las 5 primeras, pero la sexta aún se está buscando.

The large, medium and small-scale fluctuations from the inflationary period of the early Universe determine the hot and cold (underdense and overdense) spots in the Big Bang’s leftover glow. Image credit: NASA / WMAP science team.

Las escalas grandes, medianas y pequeñas de las fluctuaciones del periodo del Universo inflacionario que determinan lo caliente y lo frío (poco denso y muy denso) en el rastro del Big Bang.

La siguiente pregunta sobre nuestros orígenes, es entonces, ¿de dónde vino toda esta inflación?:

  • ¿Fue un estado que era eterno en el pasado, en el sentido que no tuvo ningún origen y que siempre existió, hasta el momento en que se acabo y creó el Big Bang?
  • ¿Fue un estado que tuvo un principio, que emergió de un estado no inflacionario, en el que el espacio-tiempo tenía un final?
  • ¿O fue en estado cíclico, en el que el tiempo se dobló sobre sí mismo para crear un estado futuro?

La cosa difícil aquí es que no hay nada que podamos observar, en nuestro Universo, que nos permita determinar esas 3 posibilidades. En la mayoría de los modelos de inflación, tan sólo podemos observar los 10^(-33) segundos previos al impacto de Universo. La Naturaleza exponencial de la inflación barre cualquier otra información que ocurrió antes de ese momento, separándola de cualquier cosa que podamos observar, mejor dicho, situándolo más allá de la porción de Universo que podemos observar.

How cosmic inflation gave rise to our observable Universe, which has evolved into stars and galaxies and other complex structure by the present. Image credit: E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research. From his book, Beyond The Galaxy.

Cómo la inflación cósmica dio crecimiento a nuestro Universo observable que ha evolucionado hasta las complejas estructuras de galaxias y estrellas del presente.

Con lo que nos quedamos es con un Universo observable que que es grandioso:

  • 46 billones de años luz de radio
  • 10¹² galaxias
  • 10²⁴ estrellas
  • 10⁸⁰ átomos
  • Aproximadamente 10⁹⁰ fotones.

La cantidad total de energía en todas las partículas y en todo el espacio vacío de Universo ronda los 10⁵⁴ kilogramos, incluyendo la materia oscura y la energía oscura. Pero estos números, aunque astronómicos, son finitos, no nos dan información alguna sobre lo que pasó antes de esa pequeña fracción de tiempo de la inflación. Podemos hacer cálculos teóricos para intentar observar algo, pero todos dependen de algún modelo. Con la excepción de algunos modelos específicos en que habría trazas observables en nuestro Universo, no tenemos manera de saber cómo o sí en realidad, empezó el Universo.

An overview of the fundamental elementary (and composite) particles and forces that are presently known. Image credit: Wikimedia Commons user Headbomb.

Un resumen de las las partículas fundamentales y compuestas y las fuerzas que se conocen hasta el momento.

La cantidad total de información accesible para nosotr@s en el Universo es finita, y por tanto, lo es el conocimiento que podemos tener de él. Hay un límite en la cantidad de energía a la que podemos acceder, las partículas que podemos observar y las medidas que podemos llevar a cabo. Hay muchas cosas que aún no hemos aprendido y muchas que la ciencia aún no ha revelado, y muchas de las cosas desconocidas dejarán de serlo en un futuro cercano. Aún así, hay cosas que nunca sabremos. El Universo será infinito, pero nuestro conocimiento nunca lo será.

El Comienzo del Universo Para Principiantes

Para que podamos entender mejor, estos conceptos que, a priori, pueden percibirse como un tanto desalentadores, aprendamos con esta TED Lesson del físico del CERN Tom Whyntie, en el que podremos intuir cómo empezó el Universo, explorando estas preguntas mediante la replicación del calor, de la energía y de la actividad de esos primeros segundos justo después del Big Bang; subtitulada al Castellano.

 

Buen Domingo!! 🙂


Artículos Originales:

3 Comments

Los comentarios están cerrados.