Hijos del Principio de Incertidumbre

Hace poco mientras ofrecia una conferencia en la Universidad de Antioquia sobre la Radiación Cósmica de Fondo (Ecos del Big-Bang) vino a mi cabeza una idea, una conexión entre cosas que aunque nos parezcan absolutamente ajenas unas de otras tienen una profunda relación en la historia del Universo: el principio de incertidumbre y la formación de las galaxias. Como todo lo que pasa por mi cabeza en medio de una conferencia no se queda allí (aunque debería para que no salieran por mi boca un montón de cosas a veces irrelevantes y personales que no debería decir ante un auditorio) esta idea se convirtió en una frase que quedo resonando en mi cabeza aún hasta ahora: somos hijos (literalmente) del principio de incertidumbre.

Quienes estén suficientemente informados sobre algunos de los pormenores del desarrollo temprano del Universo (por lo menos como nos lo cuenta el modelo cosmológico aceptado – Big-Bang caliente + inflación) entenderan inmediatamente donde se encuentra la conexión señalada o porque le atribuyo a ese principio central de la teoría cuántica la paternidad de todo lo que nos rodea en el mundo inmediato. Para quienes no esten suficientemente informados quiero contarles aquí de donde proviene esta especial afirmación, pero también porque es en si misma tan espacial como para dedicarle una nota en este blog.

¿Cómo comenzar esta historia? ¿de atrás hacia adelante? o ¿del presente hacia el pasado? Veamoslo en esta última dirección. ¿De dónde salio el planeta en el que vivimos? La Tierra es (cosas más, cosas menos) un amasijo de materiales sólidos formados principalmente por elementos pesados (más pesados que el Carbono) que se creo por la coalescencia de fragmentos rocosos (planetesimales) hace más o menos 4,600 millones de años (más o menos 100 millones de años). Esos fragmentos, las piezas del lego que armaron nuestro planeta, surgieron originalmente por la aglomeración inicial de granos de polvo que flotaban libremente en la nube en la que se co-creo nuestro Sol. Los granos de polvo presentes en la nube de la que se formo el sistema solar, la materia prima de la formación de los planetas, son estructuras microscópicas formadas por el apilamiento de átomos de Silicio o Carbono enriquecidos en algunos casos con diminutos cristales de hielo. Esos granos se formaron en las atmósferas de estrellas envejecidas y gigantes que precedieron al Sol y en las que se dan las condiciones de densidad y temperatura apropiadas para que se produzcan esas asociaciones.

Hasta este punto podemos decir entonces que somos descendientes directos o que fuimos formados a partir de materiales pesados suspendidos en las atmósferas de estrellas gigantes que precedieron el Sol. Pero esos mismos granos de polvo no se habrían concentrado para formar planetas si no fuera porque el mismo proceso que formo las estrellas que precedieron al Sol, tuvo lugar también por estos lados.

Con todo, nuestro nacimiento es la conjunción de unas condiciones químicas apropiadas sumadas a la ocurrencia del fenómeno de colapso que sufren “espontaneamente” nubes de gas y polvo que flotan libremente en el disco de nuestra galaxia. Pero ese colapso espontáneo no es gratuito. Una bola de materia inmensa que flota en el espacio interestelar no se viene abajo por obra y gracia del espiritú santo (como decimos por aquí). Es más, los gases tienen una tendencia natural a dispersarse de modo que el colapso debe ser forzado por alguna condición normalmente externa. En nuestra Galaxia y en casí todas las demás galaxias esa condición se produce porque las nubes no estan aisladas. De vez en cuando una nube tranquila puede acercarse a una región de reunión de otras nubes y de estrellas y sufrir un efecto sútil de aplastamiento que conduce al colapso y a la formación posterior en su seno de muchas estrellas nuevas. En otros casos la explosión de una estrella cercana puede ser también el factor desencadenante de este acto creativo que produce al final bichos como nosotros.

Pero todo este milagro no sería posible sin que la materia bariónica (o sea átomos) en el Universo (ya pensado a muy gran escala) no hubiera encontrado la oportunidad inicial de reunirse en esos grumos atareados de formación estelar que llamamos galaxias. Todos estamos acostumbrados a pensar en que el Universo esta lleno de estos “Universos Isla” por algún tipo de necesidad cósmica. Si mañana crearamos un Universo nuevo ¿quién podría pensar en que no incluyera las susodichas galaxias, los ladrillos del Universo? Pues bien la cosa no es realmente tan fácil como lo saben los astrofísicos desde hace ya varias decadas. La existencia de esas concentraciones de materia bariónica donde finalmente las estrellas y los planetas nacen es realmente un milagro cósmico producto del principio de incertidumbre. Pero no nos adelantemos tanto al final de la historia.

Cuando se hace un exámen arquitectónico general del Universo, es decir se estudia la distribución de materia a muy gran escala (no a la escala de nuestra galaxia y ni siquiera a la escala de la distribución de galaxias vecinas) se descubre un hecho muy especial sobre su arquitectura: la materia y energía del cosmos estan regadas de forma más o menos igual por todas partes. La observación de la radiación cósmica de fondo, los ecos de los “juegos artificiales” de la creación, confirmó desde los años 60 este hecho. El Universo parece haber sido creado con una casí absoluta perfección. La materia puesta en su lugar sin preferencias por unos sitios sobre otros. A este hecho intuido ya desde tiempos históricos se lo denomina el principio cosmológico y se encuentra bien afianzado en las bases mismas de la cosmología moderna. Con un solo problema: ¿cómo puede un Universo perfectamente homogéneo parir galaxias? y en consecuencia ¿cómo podemos existir en un Universo tan “liso”? (sin mencionar otro par de inconvenientes que no viene al caso comentar.) He ahí el quid del asunto.

El problema descrito no es para nada nuevo en la cosmología y fue practicamente resuelto desde principio de la decada de los años 80. Si para usted es totalmente nuevo es porque lo único que nos esta llegando de esa década son videos trasnochados que pasan por VH1. ¿Cuál es la solución a este problema? ¿cómo pueden caber las galaxias en un Universo completamente homogéneo? La solución tiene un nombre sencillo y sonoro: Inflación. La inflación es un fenómeno que fue descrito por primera vez a principios de los 80s por Alan Guth y desarrollado posteriormente por Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt. El fenómeno explica (entre muchas otras cosas) que todo lo que vemos en el Universo observable (del que nos ha alcanzado a llegar luz en los 13,700 millones de años de vida que tiene) proviene en principio de una región submicroscópica de cosmos recien nacido, una región más pequeña que un átomo que durante una fracción miserable de segundo se expandio tanto que alcanzo dimensiones macroscópicas hasta hacerse “visible” y astronómicamente relevante. No hay que confundir la Inflación con la expansión del Universo. Esta última es un fenómeno que ocurre de forma tranquila desde que las más tempranas etapas del Universo y creemos continuara indefinidamente. La inflación fue una etapa de expansión increiblemente rapida (10⁶¹ es decir 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 veces más rápida que la expansión normal) que tuvo lugar por un tiempo absurdamente corto (10^-36 ó 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 0001 segundos) en la infancia más temprana del Universo. La “violencia” de la expansión fue tan grande que el Big-Bang (el momento mismo de la aparición del Universo) quedo completamente opacado por este fenómeno (yo personalmente me inclino a pensar que la inflación marco el inicio mismo del Universo). La fuerza brutal responsable de este fenómeno la produjo una forma exótica de materia-energía que llenaba el cosmos durante el proceso y que producía por sus propiedades particulares un efecto repulsivo responsable finalmente del resultado observado. Al inflarse el Universo la materia y energía contenida en esos “campos exóticos” fue convirtiéndose rápidamente en formas más inocuas de materia-energía, las mismas que posteriormente formaron toda la materia que conocemos y que hace nuestro mundo. La inflación se detuvo finalmente cuando los campos responsables se extinguieron definitivamente dejando un Universo estirado y lleno de materia y luz.

Pero, además de proveer la materia prima con la que se formarón los objetos astrofísicos miles de millones de años después, ¿cómo es que la inflación explica la formación de grumos densos como las galaxias? Si la energía contenida en el Universo preinflacionario fuera completamente lisa (igualmente distribuida por el espacio) no habría manera de explicar la formación de las galaxias. Sin embargo a escala submicroscópica, que es precisamente la escala de las regiones que se inflaron hasta formar regiones de tamaño astronómico, no es posible tener una distribución lisa de energía. ¿Por qué? por el PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE. El fin de nuestro camino.

Según la teoría cuántica (que es la colección de principios y leyes físicas que se sabe describen correctamente el mundo submicroscópico) las propiedades físicas de las cosas muy pequeñas no están establecidas de forma absoluta. Tomemos el caso de un electrón en un átomo. Según los preceptos de la teoría cuántica esta entidad física en la que todos pensamos como una pelótica diminuta e invisible, pero pelótica al fin y al cabo, esta lejos de ser lo que creemos. Propiedades como la posición, la velocidad o la energía, que para cuerpos grandes como una bola de billar son cantidades bien definidas, no están tan bien definidas para cuerpos microscópicos. La posición de un electrón por ejemplo es una cantidad que solo tiene sentido en ciertas condiciones. Por ejemplo su detección en una pantalla de televisor. Pero no tiene sentido en otras, por ejemplo cuando se mueve alrededor de un átomo la posición de un electrón es una cantidad incierta. Podría decirse que el electrón esta en todas partes y en ninguna al mismo tiempo. En el contexto de estas extrañas afirmaciones surge el principio de incertidumbre. Este principio (el papá de todos nosotros, no se les olvide!) establece que cuando una propiedad de un sistema microscópico queda expuesta o es bien definida, entonces otra propiedad se vuelve oscura e incierta. Es como si saber algo de un sistema microscopico fuera incompatible con saber otras cosas. Con todo resulta imposible saberlo todo sobre un cuerpo submicroscópico en un instante dado. El universo a esta escala es incierto y extraño.

Una consecuencia interesante (y verdaderamente a lugar en esta nota) del principio de incertidumbre es que la energía de un sistema microscópico (que para un sistema mayor es constante) puede fluctuar rápidamente sin que ello implique una violación del muy fundamental principio de conservación de la energía. La energía puede súbitamente ser mayor o menor siempre y cuando vuelva a su nivel normal en un tiempo muy corto. Es como si por concentrarse en ver que hora es exactamente, “dios” no se diera cuenta de cuánta energía hay realmente, y cuando vuelve su atención sobre el nivel de energía pierde su idea exacta de la hora que es: una incertidumbre mayor en la energía corresponde a una incertidumbre menor en el tiempo. Lea otra vez los dos parrafos anteriores.

Volvamos a la inflación: la región submicroscópica de la que surgio nuestro Universo estaba entonces llena allí y allá de fluctuaciones “cuánticas” de la energía que aparecían y desaparecían en tiempos increiblemente cortos. Esa energía se materializaba en esos cortísimos instantes en partículas del exótico campo inflacionario que desaparecían antes que dios se diera cuenta de los colados. Pero llego la inflación y muchas de esas fluctuaciones no tuvieron tiempo de desaparecer antes de ser amplificadas poderosamente hasta alcanzar niveles macroscópicos. Con ello lo que era un fenómeno eminentemente cuántico y propio del mundo submicroscópico adopto una realidad “astronómica”. Es como si el Universo hubiera sido hecho de una seda muy fina y extremadamente lisa pero que en un momento fue estirada a tal punto que sus defectos microscópicos, las fibras antes invisibles se hicieran visibles!

La materia que surgió a posteriori alrededor de esos lugares levemente más energéticos o más densos, formo las que al final se convirtieron en las semillas en las que terminaron acumulandose los bariones formando después de miles de millones de años las galaxias en las que habitamos.

¿Entonces? No sé ustede, pero yo después de esa conferencia, y de la fluctuación mental que me llevo a conectar mi nacimiento con el principio de incertidumbre respecto más a Werner Heisenberg.

Jorge Zuluaga
Medellín - Colombia

Imagen: http://www.astronomy.com/asy/objects/images/redshift_sereis13_6_700.jpg
Una colección de imágenes sintéticas producidas apartir de los resultados de la Millenium Simulation, el proyecto más ambicioso de simulación del Universo más ambicioso de todos los tiempos. Se observa el desarrollo de las galaxias en el seno de las semillas que nacieron con la inflación.

Para saber más:

• http://urania.udea.edu.co/ciclonsc/index.php
  La página del ciclo de conferencias en Ciencias Espaciales “Nuevos Secretos del Cosmos” de la Universidad de Antioquia-

• http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_inflation
  El artículo de Inflación de Wikipedia en INGLÉS. Una buena lista de referencias y sitios en Internet relacionados.

Las fuentes originales:

• http://arxiv.org/abs/hep-th/0405053
  Una excelente y pedagógica introducción a la física del Universo temprano (nivel medio-avanzado)