#0. Un universo de la nada

¡Hola! 👋 ,

En esta edición de estreno, traigo un resumen del libro "A Universe From Nothing" escrito por Lawrence M. Krauss, complementado con imágenes y notas extra. El libro fue publicado en 2012, por lo que siempre está la posibilidad que algún concepto ya se haya quedado atrás gracias a nuevos avances (o en otras palabras, sigo sin tener idea de muchas cosas 😂)

En general es como un muy breve viaje a conocer sobre el progreso que se ha hecho en entender el Cosmos. Lawrence Krauss es doctor en Física Teórica por el MIT.

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El tiempo y el espacio

Para empezar, una manera intuitiva de entender el tiempo y el espacio es imaginarlos como el gran escenario donde se desarrolla la obra del universo.

Por siglos, se creyó que la teoría de la gravedad de Newton era adecuada para explicar el movimiento de toda la materia en el universo. Pero a inicios del siglo 20, en su búsqueda por poder explicar el misterioso comportamiento gravitatorio de objetos muy grandes y muy distantes, Einstein publicó su teoría de la relatividad.

Esta teoría juntó las tres dimensiones del espacio (space) y la dimensión del tiempo (time) a lo que ahora se le conoce como espacio-tiempo (spacetime).

El cual demostró que los objetos masivos son capaces de distorsionarlo.

Esta teoría, conformada por las teorías especial y general (special y general relativity), terminó revolucionando la física y le permitió a los cosmólogos (quienes estudian el universo en conjunto) a examinar y entenderlo de maneras completamente nuevas.

La teoría de la relatividad especial (special relativity) habla sobre la estructura del espacio-tiempo. Establece que el espacio y el tiempo no son entidades separadas, sino que están vinculadas, por lo que la velocidad a la que el tiempo transcurre es relativa a la velocidad a la que un objeto se mueve. En otras palabras, el tiempo no es absoluto en todas partes del universo. Por ejemplo, cuanto más rápido viaja un objeto, más lento avanza el tiempo.

Esta teoría también postula que nada puede viajar por encima de la velocidad de la luz.

La relatividad general (general relativity) es la teoría de gravitación, el cual demuestra que objetos masivos distorsionan este espacio-tiempo. Objetos muy pesados hacen que el espacio-tiempo se encorve. Mientras más masivo el objeto, más curvea el espacio-tiempo a su alrededor, más lento avanza el tiempo y más atrae a objetos circundantes.

Por más conocidas que sean las imágenes de hojas dobladas, no reflejan muy bien la representación visual que buscamos.

  

Una visualización más intuitiva sería la siguiente:

En otras palabras, la materia dobla el espacio-tiempo, y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse.

Esta distorsión del espacio-tiempo es confirmada por el fenómeno llamado lente gravitacional (gravitational lensing). Cuando la luz viaja cercano a un objeto masivo, como un agujero negro, el "valle" del espacio-tiempo creado por el objeto puede curvear la luz alrededor del objeto. Astrónomos utilizan este método para estudiar estrellas y galaxias que están detrás de objetos masivos.

Ejemplo real:

Esta foto del telescopio espacial Hubble, publicada el 2 de febrero de 2012, muestra una galaxia distante a 10 mil millones de años luz de distancia. Tal como aparece a través de la lente gravitacional alrededor del cúmulo de galaxias RCS2 032727-132623 a unos 5 mil millones de años luz de distancia.

La evidencia científica menciona que el universo se está expandiendo, y que esta expansión se está acelerando.

Hasta hace relativamente poco, se pensaba que el universo era estático y eterno, con nuestra galaxia en el centro. Esta percepción cambió cuando el físico George Lemaitre demostró que la teoría de la relatividad general de Einstein predecía un universo no-estático, uno que se está expandiendo. Esta idea fue tan indignante en aquel tiempo que el mismo Einstein famosamente comentó "Tu matemática es correcta, pero tu física es abominable." La teoría de Lemaitre fue comprobada con la observación subsecuente.

La evidencia llegó con las observaciones hechas por el astrónomo Vesto Slipher en estrellas excepcionalmente brillantes de galaxias distantes, o más precisamente, del color de la luz que emitían. Slipher entendió que las ondas de luz de una fuente que se aleja del observador se estiran (conocido como el efecto Doppler) y por consecuencia aparecen más rojizas, porque el rojo está al extremo de la longitud de onda del espectro.

Este mismo efecto puede ser observado cuando una ambulancia se aleja de ti: las ondas de sonido que la sirena emite se estiran, haciéndolos sonar más bajos en tono.

Al observar y medir el enrojecimiento de las estrellas distantes, Slipher concluyó que la mayoría de los objetos en otras galaxias están alejándose de nosotros, probando que el universo está expandiéndose, como lo predijo la teoría de Lemaitre.

Otro descubrimiento para entender la naturaleza de esta expansión vino en 1929 cuando Edwin Hubble demostró que mientras más lejos se encuentra una galaxia de nosotros, más rápido se aleja. Este descubrimiento, conocido como la 'Ley de Hubble-Lemaître', implica que no sólo el universo se está expandiendo uniformemente, pero que la expansión se está acelerando, y por lo tanto alguna fuerza debe impulsarlo: la famosa energía "oscura".


La evidencia científica menciona que el universo se originó en el Big Bang hace 14 billones de años.

El descubrimiento de que el universo no es estático, sino que se expande, implica que el universo se originó en un único punto y momento en el pasado, el famoso Big Bang. La evidencia científica apoya esta teoría.

Una fuente de evidencia es el movimiento de las galaxias. Al rastrear sus rutas y velocidades desde donde están actualmente, se encontró que en algún momento todos se superpusieron en la misma posición. Es decir, en el mismo lugar al mismo tiempo. Hace aproximadamente 13.7 billones de años, todo el universo observable se condensó en un solo punto.

Más evidencia también puede ser encontrada en los átomos que componen el universo. En nuestra imagen conceptual del Big Bang, toda la materia del universo estaba comprimida en plasma densa increíblemente caliente. Conforme el universo se enfriaba, los protones y neutrones en esta plasma comenzaron a formar los núcleos de los átomos.

Al simular estas condiciones, podemos predecir qué átomos se habrían formado en el proceso. Resulta que nuestras predicciones sobre la abundancia cósmica de los elementos más ligeros (hidrógeno, helio y litio) concuerdan exactamente con sus cantidades observadas en el universo, lo que proporciona una fuerte evidencia de nuestra comprensión del Big Bang.

Desde el movimiento de las estrellas, a la abundancia de los elementos ligeros, la ciencia moderna produce la imagen consistente de un universo que comenzó en un único punto caliente hace aproximadamente 13.7 billones de años y se ha estado expandiendo a partir de ese punto desde entonces.


Observación científica menciona que la expansión del universo es "plana"

Esto significa que su expansión se irá reduciendo gradualmente.

El universo se está expandiendo. Por tanto, una cuestión clave que ha desconcertado a los cosmólogos ha sido si la fuerza gravitacional será suficiente para contrarrestar la expansión a largo plazo.

La respuesta a esta pregunta dicta la forma y el destino del universo:

Si la gravedad es más fuerte, empujará al universo hacia un Big Crunch (exactamente lo contrario del Big Bang). Esto implica un universo llamado "cerrado".

Si la fuerza expansiva es mayor, esto implica un universo "abierto" que se expandirá para siempre hasta el infinito.

O finalmente, si las fuerzas se equilibran entre sí, entonces la expansión se reducirá gradualmente sin detenerse del todo, lo que implica un universo "plano".

Científicos determinan que la tercera opción, el universo plano, es la correcta. Lo que significa que la energía total del universo es cero, ya que la atracción gravitacional y la fuerza expansiva se cancelan entre sí (esto es una hipótesis de varios científicos).

Los físicos habían predicho matemáticamente durante mucho tiempo que este era el caso, pero se requería evidencia de observación para ver si esta predicción funcionaba.

La mejor evidencia de que la expansión del universo es plana se obtuvo en 2003, a partir de un estudio de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR). CMBR es básicamente el resplandor del Big Bang. La distribución de esta radiación proporciona una imagen del universo muy joven del que surgieron las galaxias que vemos hoy.

Estas medidas se compararon con predicciones matemáticas de cómo deberían verse los cúmulos de galaxias si la expansión del universo fuera abierta, cerrada o "plana". Las mediciones se ajustaron al modelo plano, lo que muestra que la expansión del universo eventualmente se reducirá sin detenerse del todo.


El espacio vacío no está vacío

Durante mucho tiempo, los cosmólogos creyeron que el universo estaba formado por materia visible como estrellas y planetas. Sin embargo, la observación científica reciente ha revelado que la mayor parte de la materia del universo es, de hecho, invisible, existiendo en el espacio vacío. Los físicos han denominado a este fenómeno materia oscura.

Además de esta materia invisible, científicos han descubierto que el espacio vacío también alberga energía "oscura" invisible. Este descubrimiento se basó en el hecho de que la expansión del universo se está acelerando, y por lo tanto, algo debe impulsarlo. La única explicación lógica era que el espacio vacío está lleno de algún tipo de energía que actúa como fuerza propulsora. Sin embargo, el origen de toda esta energía oscura sigue siendo un misterio.

Así como la mayor parte de la energía del universo es invisible, también parece ser la mayor parte de su materia. Al medir la tasa de rotación de nuestra galaxia, los cosmólogos se dieron cuenta de que la única forma de explicar su movimiento era si existía significativamente más masa en nuestra galaxia de la que podría explicarse por medio de la materia visible.

Entonces, los científicos querían averiguar si la materia oscura también existe en los vastos espacios vacíos entre las galaxias. Al examinar cómo se dobla la luz a medida que viaja a través de estas distancias, dedujeron que algo ejercía gravedad sobre ella: la materia oscura.

Otra sorprendente implicación de esto es que simplemente no hay suficientes protones y neutrones en el universo para formar esta cantidad de materia oscura, lo que significa que debe existir un nuevo tipo de partícula elemental en el universo.

Al día de hoy la teoría de la materia oscura sigue teniendo ciertos problemas para explicar ciertas observaciones.


Incluso el espacio supuestamente vacío está lleno de partículas virtuales generadas espontáneamente que se aniquilan entre sí

Los desarrollos en la física de partículas demuestran que, en escalas subatómicas extremadamente pequeñas, lo que percibimos como espacio vacío es en realidad una infusión burbujeante de partículas virtuales: partículas que están apareciendo y desapareciendo constantemente más rápido de lo que se pueden medir.

¿Por qué las partículas virtuales son tan elusivas? La razón radica en las antipartículas.

En 1928, el físico Paul Dirac fue pionero en una teoría que requería la existencia de nuevas partículas idénticas a los electrones pero con una carga eléctrica opuesta. Dos años más tarde, los experimentadores que observaron rayos cósmicos descubrieron evidencia de tales partículas y las llamaron 'positrones'. Ahora llamamos al positrón la 'antipartícula' del electrón y se ha descubierto que existen antipartículas similares para casi todas las partículas elementales de la naturaleza: los protones tienen antiprotones, los neutrones tienen antineutrones, etc.

Cuando las partículas y las antipartículas aparecen y se encuentran, se aniquilan en pura radiación. Esto sucede tan rápido que los científicos no pueden medirlos directamente, por lo que parecen ser "nada". Estos pares de partículas y antipartículas generados espontáneamente se denominan partículas virtuales.


El universo probablemente comenzó como una pequeña región de espacio vacío que se inflaba rápidamente

Ciertos cosmólogos manejan la teoría que el universo surgió a través de la inflación: un período de rápida expansión que ocurrió en los segundos posteriores al Big Bang. La causa precisa de la inflación aún no se conoce, pero básicamente, una pequeña región temprana del espacio se expandió exponencialmente y rápidamente se volvió lo suficientemente grande como para abarcar nuestro universo actual.

A medida que el universo se expandió, la cantidad de espacio vacío en el universo creció, lo que significa que la energía oscura contenida dentro del espacio vacío también creció. Cuando terminó la inflación, parte de esta energía se convirtió en materia, según la idea de Einstein de que la energía y la masa son intercambiables:

E = mc²

Si quieres leer más al respecto sobre esta famosa ecuación, te recomiendo particularmente esta liga.

¿Cómo apareció la materia en el espacio vacío? Según la mecánica cuántica, se explica que, en escalas muy pequeñas, el espacio vacío es una mezcla hirviente de partículas virtuales. Pares de partículas y antipartículas entran y salen de la existencia, y ocasionalmente ocurren desequilibrios momentáneos en su número, las llamadas fluctuaciones cuánticas.

Al principio del universo, hubo una fluctuación a favor de las partículas sobre las antipartículas. Esta situación temporal, que de otro modo habría sido demasiado breve para tener consecuencias, se congeló y amplió cuando se produjo la inflación. Por lo tanto, en algunos lugares, la energía del espacio "vacío" quedó atrapada en forma de partículas: se convirtió en materia.

Esta materia, ahora esparcida por un vasto universo, comenzó a ejercer una atracción gravitacional sobre otra materia, formando grupos que eventualmente crearían las galaxias y los grupos de galaxias que vemos hoy.


El universo se está expandiendo

Cuando los cosmólogos estudian los orígenes y el destino del universo, basan todas sus teorías en las estrellas y galaxias que pueden ver: el universo observable. Pero hay innumerables galaxias que no se pueden observar porque la luz de ellas no nos ha llegado, y nunca lo hará.

Incluso las galaxias que podemos observar hoy no siempre serán visibles debido a la expansión del universo. Para visualizar esta expansión, imagina que las galaxias son puntos en la superficie de un globo que está siendo inflado, y la energía oscura es el aire en el interior, empujando todo más y más lejos.

Nuestro universo observable está a punto de expandirse tan rápido que ni siquiera la luz podrá seguir el ritmo. La distancia entre galaxias eventualmente aumentará más rápido de lo que la luz puede viajar entre ellas. Esto significa que las galaxias que podemos ver ahora, en el futuro se alejarán de nosotros más rápido de lo que su luz puede alcanzarnos, haciéndolas invisibles para nosotros.

¡Fin!


Celebremos que llegaste al final con esta imagen de la Tierra y la Luna en su escala real en cuanto a su tamaño y distancia:

En esta imagen podemos ver que, conceptualmente, todos los planetas del sistema solar pueden caber entre la Tierra y la Luna (con ligeros ajustes, claro está):

Y en este video podemos ver la velocidad de la luz viajando de la Tierra a Marte en su tiempo real (3 min 2 sec) 🤯

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