Del Nilo al Big Bang: Física para los que suspendían Física. Una reseña del reciente libro del PhD en Física Antoine Bret | Leo Contreras

Introducción

En un estilo amigable, aunque no menos riguroso, el físico Antoine Bret nos narra la historia del Big Bang en su recién publicado libro Del Nilo al Big Bang: Física para los que suspendían Física. A través de sus páginas -a ratos cargadas de humor- la pluma del autor nos traslada a los orígenes de esta teoría, su desarrollo y posterior evolución en el tiempo. Historia que en el pensamiento del autor encontrará un correlato con la búsqueda de la fuente del Nilo, identificada con los intentos de la comunidad científica para hallar un consenso. En el presente escrito daremos un breve vistazo capítulo por capítulo.

El libro arranca con la descripción de algunos elementos fundamentales de la física como las partículas, fuerzas y sus dominios de acción. Para continuar con una pincelada sobre la emergencia de la mecánica cuántica a principios del siglo XX de la mano de mentes de primer orden como Max Planck, Werner Heisenberg y Niels Bohr, entre otros. La mecánica cuántica, dice el autor, está respaldada por los experimentos de forma abrumadora. Además, con el paso del tiempo dentro del marco conceptual denominado “modelo estándar” las fuerzas han comenzado a entenderse como relaciones entre partículas. La única fuerza que se resiste a esta unificación, expresa Bret, sería la fuerza gravitacional.

La NASA define el Big Bang como un “estado” extremadamente denso y caliente por el cual atravesó el universo hace entre 12000 a 14000 millones de años aprox., no como un comienzo en el tiempo. Por otro lado, la teoría de la relatividad general de Einstein predice la existencia de una hipotética “singularidad”, anterior al estado antes mencionado. La singularidad no sería “real”, sino la expresión de que la teoría falla. Con las observaciones de Hubble, apunta el autor, la idea de un universo estático newtoniano comenzó a desmoronarse: si las galaxias se estaban alejando, entonces era posible que en un pasado estuvieran más cerca entre sí, por lo tanto, sostener un universo estático era sumamente problemático.

Desde otro ángulo, Bret analiza cómo las nuevas teorías científicas se van abriendo camino frente a teorías rivales. Para tal efecto, entre otros, narra los problemas de la mecánica newtoniana a la hora de explicar la precesión de Mercurio y la solución brindada por la recién estrenada relatividad general de Einstein. Con todo, el autor nos sumerge en las vicisitudes, logros y detalles históricos de la relatividad general para conseguir el esperado soporte empírico. En el mismo espíritu, a través de ejemplos ilustrativos, Bret lleva al lector a comprender por sí mismo por qué las ecuaciones de Maxwell eran incompatibles con las leyes del movimiento de Galileo. Colisión que posteriormente daría nacimiento a la relatividad especial de Einstein. Como manifiesta Bret: “Einstein llegó en medio de varias crisis abiertas en física”.

La relatividad de Einstein no se limitó a plantear soluciones provincianas para caer en el olvido. La potencia de la teoría fue tal que varios físicos, incluido el mismo Einstein, aplicaron las ecuaciones de la relatividad general al universo entero. Entre ellos encontramos a Friedman, Lemaitre, Robertson y Walker. Estas soluciones (la “métrica FLRW”) -independiente de la densidad de materia- entregaban la imagen de un universo en expansión que encajaba bastante bien con las observaciones de Hubble. “Pero los científicos son gente prudente”, dice el autor. Aun si las soluciones arrojaban la imagen de un universo en expansión y los datos proporcionados por Hubble parecían encajar con estas ideas, no se consideraba que el Big Bang tuviera todavía el apoyo empírico necesario.

Esta búsqueda encuentra eco en el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas (RFM) en los años sesenta en New Jersey por Penzias y Wilson (predicha por Gamow, entre otros, en los años 40) y por las predicciones de la nucleosíntesis primordial (o la física de los primeros 5 min. del universo) asociada a la formación de protones, neutrones y núcleos atómicos.

Bret explica claramente qué es y de dónde viene esta radiación de fondo (cuando el universo tenía aprox. 380000 años), los aportes de los principales interlocutores en su descubrimiento, así como las características que actualmente posee esa radiación. Adicionalmente, analiza detalladamente las predicciones de la nucleosíntesis primordial respecto a la cantidad de elementos químicos presentes en el universo y nos muestra una manera, al alcance de todo lector, para calcular la edad aproximada del universo.

En el capítulo cuatro se despliega el correlato que Bret realiza entre las exploraciones para encontrar las fuentes del Nilo y el Big Bang. El autor identificará en estas exploraciones ciertas reminiscencias con la idea de “consenso científico”. Recién en el siglo XIX las fuentes del Nilo fueron descubiertas, permaneciendo en la penumbra por siglos y siendo objeto de múltiples empresas de búsqueda. El mismo Alejandro Magno, afirma el autor, habría mandado a buscar las fuentes del Nilo, arribando a la conclusión de que tales fuentes se encontraban en la India. Otro ejemplo: Juba II, rey de Mauritania, declaró haber hallado las fuentes del Nilo al noroeste de África en la cordillera del Atlas.

Como vemos, las fuentes del Nilo eran un misterio. Según Bret, se considera que el primer europeo en mostrar interés por investigar el Nilo fue el jesuita español Pedro Páez en 1615. Seguido por otro jesuita en 1629. Finalmente, dice el autor, fue Henry Stanley quien confirmó en 1875 el hallazgo de las fuentes del Nilo realizado anteriormente por Speke, y solo fue navegado de principio a fin en 2004. El autor ve en la búsqueda incansable de la fuente del Nilo un correlato con la labor investigativa para encontrar la confirmación de la teoría del Big Bang. Durante siglos se buscó incansablemente para hallar las fuentes del Nilo. No bastaban opiniones, o verdades a medias. Se quería arribar a la verdad, al lugar preciso donde comenzaba el Nilo. El trayecto desde las observaciones de Hubble en los años veinte, pasando por las soluciones FLRW emanadas de la relatividad general no eran garantía de nada. Es más, como expresa Bret, existían soluciones paralelas a esta solución FLRW que arrojaban un paisaje estático, así que solo la confirmación de la RFM fue la que convenció a los cosmólogos de que el Big Bang realmente había ocurrido. Finalmente, Antoine desarrolla un tanto la idea de “consenso científico”, poniendo de relieve que siempre existirá algún experto que negará el consenso, cuyo negacionismo tendría un origen ideológico más que científico.

Como se mencionó en un principio, la singularidad que aparece en las ecuaciones de la relatividad general no correspondería a un infinito real, sino que nos entregaría información respecto a los límites o dominio de acción de la teoría. En síntesis, la singularidad indicaría que la relatividad general “falla”. Esta singularidad sería un punto hipotético anterior al estado que conocemos como Big Bang, y la nucleosíntesis primordial estaría ligeramente adelante en el tiempo. El problema, razona el físico, es que en el instante “cero” la temperatura y la densidad se vuelven infinitas. Esto lleva al autor a examinar algunos ejemplos paradigmáticos en la historia en los cuales también la física se ha enfrentado con cantidades infinitas, pero que con el paso del tiempo son resueltas.

Analizando las ecuaciones del francés Simeón Poisson para la propagación de una fuerte onda sonora, Stokes notó que una onda sonora suficientemente fuerte daría lugar a una cambio de presión brusco en una cantidad de espacio “infinitamente corto”. En 1910 el británico Lord Rayleigh encontraría la solución y el infinito solo habría sido el indicador de que la teoría fallaba. Bret entrega otros ejemplos, relacionados con la “catástrofe ultravioleta” y la energía del campo creado por una carga eléctrica. A modo de cierre del capítulo, el autor reflexiona en torno al infinito que encontramos en la relatividad general, el cual sería un indicador de su incompletitud producto de no considerar los “efectos cuánticos” a pequeña escala y debido a que el Big Bang vendría de una era cuya física sería desconocida.

En el capítulo cinco el autor se ocupa de los agujeros negros. La sección inicia describiendo el proceso de formación de una estrella a través del colapso gravitacional de una nube de gas de un determinado tamaño, la que reduce su diámetro, aumentando la temperatura del gas. Cuando el gas alcanza los millones de grados, entonces comienza la fusión nuclear (hidrógeno en helio) y se crea una estrella que comenzará el proceso de fusión nuclear de sus elementos básicos hasta llegar a los núcleos de hierro (proceso que puede durar decenas de millones de años), la última barrera antes que la estrella sea vencida por la gravedad y se produzca una gigantesca explosión conocida como “supernova”. Después de la explosión lo que queda de la estrella, apunta el físico, puede tomar diversos derroteros como convertirse en una estrella de neutrones, enana blanca o en un agujero negro. El último de estos casos es el más dramático, en el cual la densidad se vuelve “infinita”.

El autor se pregunta si realmente existen estas entidades en la naturaleza, y su veredicto es afirmativo. Aunque repara, citando a Kip Thorne, que probablemente estas sean las leyes incorrectas, ya que en teoría toda la materia sería destruida. De acuerdo con Bret, hasta los años 1960 la existencia de los agujeros negros era controvertida y no fue sino hasta el siglo XXI que los físicos quedaron convencidos de su existencia a partir de minuciosas observaciones que mostraban a objetos orbitando en torno a nuestra galaxia. Esto último llevó a los científicos a la conclusión de que nuestra galaxia albergaba un masivo agujero negro bautizado como “Sagitario A*” y que la cantidad de agujeros negros en nuestra galaxia se estimaba en 100 millones.

Finalmente, Bret declara que los detectores de ondas gravitacionales como LIGO y VIRGO han venido a confirmar indirectamente esta cifra y en la actualidad detectan varias ondas gravitacionales (ondas G) al año. A continuación, el autor menciona que el día 10 de abril del 2019 se publicó la primera imagen del agujero negro de la galaxia M87. En suma: los agujeros negros existen.

El capítulo sexto despunta con la inquietante realidad de que hay territorios de la física actual que no conocemos y que estarían más allá de sus fronteras. Para superar la singularidad que genera la “Relatividad General 1.0” (la que conocemos), dice el autor, necesitamos otra teoría, una suerte de “Relatividad General 2.0” que supere con éxito las pruebas experimentales. Según Bret, para unificar la mecánica cuántica con la relatividad general existen tres formas de progresar: Usar el razonamiento, realizar observaciones o hacer experimentos. Con todo, apunta, cada vez se hace más difícil saber si una teoría es o no cierta y entrega varios ejemplos paradigmáticos al respecto. La causa de esta “barrera de progreso” estribaría en que las teorías cada vez más se deslizan hacia escenarios alejados de nuestra experiencia. Por otro lado, a pesar de que los agujeros negros sí existen entrañarían las dificultades del “horizonte de eventos”. Una barrera que no dejaría escapar ni siquiera la luz.

Líneas atrás mencionamos que la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad aún está en marcha. Sin embargo, ya que “interrogar” a la naturaleza se ha hecho difícil, las barreras de progreso han decantado en una ola de investigaciones a nivel teórico que, dice Bret, han apuntado en al menos tres direcciones: las teorías “semiclásicas”, la “teoría de cuerdas” y la “gravitación cuántica de bucles”. Respecto a las primeras, el autor declara que son iniciativas que modifican la relatividad general, explorándolas teóricamente con la finalidad de eliminar, por ejemplo, la singularidad del Big Bang. Aunque no necesariamente describan el mundo real. En esta categoría entrarían la “inflación cosmológica” de Alan Guth, el conocido teorema “BGV”, la propuesta de Krauss de un universo desde la “nada” y modelos que predicen un rebote del universo sin llegar a la zona en la cual los efectos cuánticos no se pueden evitar, por lo tanto, no se necesitaría una teoría que unifique la relatividad general con la mecánica cuántica. La segunda vía es la “teoría de cuerdas”, que tuvo sus primeros destellos en la primera mitad del siglo XX con Theodor Kaluza y Oskar Klein. Idea retomada en los 70 cuando unos físicos teóricos se dieron cuenta de que los experimentos sobre las fuerzas nucleares se explicaban tan bien tanto si se suponía que las partículas eran “bolitas” como si eran “cuerdas” muy pequeñas. A la luz de esta nueva forma de ver las cosas, las partículas resultaban de los diversos modos de vibración de las cuerdas y, respecto al Big Bang, también predecía un Big Bounce (rebote). En cuanto a los agujeros negros, expresa el autor, el escenario de cuerdas los concibe como un “ovillo de cuerdas” que podría resistir el colapso gravitacional. A modo de cierre, el autor cita al británico de Oxford, Joseph Conlon: “No hay una prueba experimental directa para la teoría de cuerdas”.

En tercer lugar, el autor se refiere a la “gravedad cuántica de bucles” nacida a finales de los 80, en la cual el espacio-tiempo estaría hecho de “granos” indetectables (cuantificado). Bajo este nuevo escenario, al rebobinar la película hacia atrás en el tiempo, el “pre-Big Bang” tendría un límite impuesto por la misma naturaleza granular del espacio y se produciría un Big Bounce y no habría singularidad, ni temperaturas y densidades infinitas. Por otro lado, algo similar ocurriría con los agujeros negros: el colapso gravitacional se detendría cuando se alcanza el tamaño de los granos, dando lugar a un agujero blanco. En suma, dice Bret, la observación del agujero negro del “Event Horizont Telescope” en 2019 fue una confirmación magistral, pero no podemos hacer lo mismo con las cuerdas y los bucles. Esa falta sería lo que más ralentiza el avance en la frontera del conocimiento.

Antoine Bret inaugura el capítulo siete de su libro reflexionando en torno a los límites de la física en la actualidad. Antiguamente, dice, en los mapas se ponía Terra Incognita cuando existía un territorio no explorado y desconocido. En este territorio entrarían la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y lo relacionado a las singularidades. El tono que adquiere esta sección es de advertencia a la hora de pontificar sobre materias que pertenecen a uno de ambos territorios, ya que la confusión de territorios daría lugar a la equivocación. Bret es enfático a la hora de señalar que sí hay Terra Cognita, fruto de los millones de experimentos que la confirman. Igualmente, afirma, también hay Terra Incognita que con el tiempo puede cambiar y pasar al lado de Terra Cognita. Algo similar ocurre con la palabra teoría, apunte Bret. Hay ideas que habitan la Terra Incognita, como la “teoría de cuerdas”, pero que se les suele llamar “teoría”, lo que sería un capricho del lenguaje. En sintonía con cierto talante admonitorio del capítulo, el autor nos entrega pistas para reconocer a los charlatanes (o “cantamañanas” como dice literalmente), nos invita a cultivar un pensamiento crítico que aprende de aquellas personas que conocen al detalle su área del saber y a buscar fuentes fiables para la obtención de conocimiento.

El capítulo final del libro integra a la ecuación la variable “Dios”. Si conociéramos todas las leyes fundamentales del universo, se pregunta Antoine, ¿qué ocurriría con el universo conocido? ¿Qué cambiaría? ¿Qué pasaría con las leyes de la naturaleza y las constantes físicas? ¿Podrían ser distintas? De acuerdo con la física conocida en 2020, dice Bret, “no lo sabemos”. Para empezar, apunta el autor, la teoría de cuerdas permite una cantidad exorbitante de universos denominado “paisaje de las cuerdas”. Y la inflación del vacío cuántico que postula Krauss, dice Bret, podría extenderse sin parar generando una multitud de universos burbuja que emergerían de sucesivas fluctuaciones cuánticas, regidos inicialmente por la teoría de cuerdas y posteriormente determinados a ser un tipo particular de universo por recurso a la misma teoría. A esta multitud de universos se le llama “multiverso”. En algunos de ellos hay 4 dimensiones espaciales, en otros la masa del electrón es diferente, etc., por lo tanto, declara el autor, el “ajuste fino” estaría explicado. Con todo, contestando la pregunta de Einstein, Bret afirma que Dios sí tenía elección.

En cuanto al ajuste fino, Antoine es taxativo: “Como vemos, toquetear las constantes nos lleva a una conclusión sorprendente: parecen ajustadas para que la vida pueda existir”.  El ajuste fino es un hecho, Terra Cognita, pero su explicación es Terra Incognita. Si hay infinitos universos, al menos uno tendrá las características que posibilitan la vida. En cambio, si solo existe el nuestro, un halo de misterio es inevitable. Casi al final del capítulo, el autor parece mirar las cosas desde un nuevo ángulo y declara que, si se trata de elegir un universo que haga posible nuestra existencia, entonces Dios no tendría mucho margen. Las cosas se vuelven más interesantes si consideramos la existencia de alguna teoría aun no descubierta que determine por sí misma el valor de las constantes fundamentales. Ya en el ocaso del libro, el autor revela algunas de sus intenciones como escritor. Para Bret -en la misma línea de Richard Feynman- la ciencia es la extensión del sentido común, el arte de no dejarse engañar y sobre todo un producto cultural que no puede estar al servicio de ideologías.

Conclusión

Si alguno de mis estudiantes de secundaria me preguntara por algún libro breve, claro y documentado sobre los derroteros de la teoría del Big Bang, sin duda alguna le diría: “Lee Del Nilo al Big Bang del físico Antoine Bret”. Se dice que Albert Einstein dijo alguna vez: “no entiendes realmente algo a menos que seas capaz de explicárselo a tu abuela”. Ya sea de Einstein o no esta frase, revela que solo una mente que entiende ideas complejas puede realizar una “transposición didáctica” efectiva para llevar conocimientos ajenos al hombre de a pie a su habitación. Bret realiza esta tarea con maestría. Su pluma irradia claridad y empatía con el lector interesado en estos temas tan apasionantes.

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