{"id":4534,"date":"2011-01-03T13:29:40","date_gmt":"2011-01-03T11:29:40","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=4534"},"modified":"2011-01-03T13:32:22","modified_gmt":"2011-01-03T11:32:22","slug":"4534","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2011\/01\/03\/4534\/","title":{"rendered":"La era de Planck"},"content":{"rendered":"

Los cient\u00edficos para lograr conocer la estructura del universo a su escala m\u00e1s grande, deben retroceder en el tiempo, centrando sus teor\u00edas en el momento en que todo comenz\u00f3. Para ello, como ya lo hemos visto, se han formulado distintas teor\u00edas unificadoras de las cuatro fuerzas de la naturaleza, con las cuales se han modelado acontecimiento y condiciones en el universo primitivo casi a todo lo largo del camino hasta el principio. Pero como se supone que debi\u00f3 haber habido un \u00abantes\u00bb, aparece una barrera que impide ir m\u00e1s all\u00e1 de una frontera que se halla fijada a los 10-43<\/sup> [s] despu\u00e9s del Big Bang<\/a>, un instante conocido como \u00abmomento de Planck\u00bb, en homenaje al f\u00edsico alem\u00e1n Max Planck.<\/p>\n

Esta barrera existe debido a que antes del momento de Planck, durante el per\u00edodo llamado la \u00abera de Planck o cu\u00e1ntica\u00bb, se supone que las cuatro fuerza fundamentales conocidas de la naturaleza eran indistinguibles o se hallaban unificadas a todo efecto. Aunque los f\u00edsicos han dise\u00f1ado teor\u00edas cu\u00e1nticas que unen tres de las fuerzas, una por una, a trav\u00e9s de eras que se remontan al momento de Planck, hasta ahora les ha sido, pr\u00e1cticamente, imposible armonizar las leyes de la teor\u00eda cu\u00e1ntica con la gravedad de la relatividad<\/a> general de Einstein<\/a>, en un s\u00f3lo modelo te\u00f3rico ampliamente convincente y con posibilidades claras de ser contrastado en experimentos de laboratorio y, mucho menos, con observaciones.<\/p>\n

Como vimos en el cap\u00edtulo XII, los trabajos que se han realizado sobre poder construir una teor\u00eda cu\u00e1ntica de la gravedad nos llevan a un n\u00famero sorprendente de implicaciones. Por un lado, s\u00f3lo se ha podido conceptuar a la gravedad cu\u00e1ntica, siempre y cuando, el universo tenga m\u00e1s de cuatro dimensiones. Adem\u00e1s, se llega a considerar que en la era de Planck, tanto el universo como la gravedad pudieron ser una sola cosa compacta estructurada por objetos cu\u00e1nticos infinitamente diminutos, como los que vimos en las supercuerdas. A esta escala, el mism\u00edsimo espaciotiempo estar\u00eda sometido a imprescindibles fluctuaciones muy semejantes a las que causan las part\u00edculas al nacer y desaparecer de la existencia en el espaciotiempo ordinario. Esta noci\u00f3n ha conducido a los te\u00f3ricos a describir el universo de la era cu\u00e1ntica como una especie de extremadamente densa y agitada espuma que pudo haber contenido las vibrantes cuerdecillas que propugnan los cosm\u00f3logos cuerdistas.<\/p>\n

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\"\"<\/p>\n

Los f\u00edsicos especulan que el cosmos ha crecido a desde una \u00abnada\u00bb primigenia que al nacer comenz\u00f3 el principio del tiempo y que, en ese parto, conten\u00eda toda la materia y toda la energ\u00eda (arriba, izquierda). Seg\u00fan los primeros trabajos sobre la teor\u00eda cu\u00e1ntica de la gravedad, el propio espaciotiempo vari\u00f3 en su topograf\u00eda, dependiendo de las dimensiones del universo guagua (beb\u00e9). Cuando el universo era del tama\u00f1o de un n\u00facleo at\u00f3mico (dibujo de arriba, a la derecha), las condiciones eran relativamente lisas y uniformes; a los 10–<\/sup>30 <\/sup>cm (centro) es evidente una cierta granulidad; y a la llamada longitud de Planck, todav\u00eda unas 1.000 veces m\u00e1s peque\u00f1o (abajo), el espacio tiempo fluct\u00faa violentamente.<\/em><\/span><\/p>\n

Los f\u00edsicos han intentado con denuedo elaborar una teor\u00eda completa de la gravedad que incluya la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. Los c\u00e1lculos de la mayor\u00eda de las teor\u00edas propuesta de la \u00abgravedad cu\u00e1ntica\u00bb arrojan numerosos infinitos. Los f\u00edsicos no est\u00e1n seguros si el problema es t\u00e9cnico o conceptual. No obstante, incluso prescindiendo de una teor\u00eda completa de gravedad cu\u00e1ntica, se puede deducir que los efectos de la teor\u00eda cu\u00e1ntica, habr\u00edan sido cruciales durante los primeros 10-43<\/sup> segundos del inicio del universo, cuando \u00e9ste ten\u00eda una densidad de 1093<\/sup> gramos por cent\u00edmetro c\u00fabico y mayor. (El plomo s\u00f3lido tiene una densidad de aproximadamente diez gramos por cent\u00edmetro c\u00fabico.) Este per\u00edodo, que es el que corresponde a la era de Planck, y a su estudio se le llama cosmolog\u00eda cu\u00e1ntica. Como el universo en su totalidad habr\u00eda estado sujeto a grandes incertidumbres y fluctuaciones durante la era de Planck o era cu\u00e1ntica, con la materia y la energ\u00eda apareciendo y desapareciendo de un vac\u00edo en grandes cantidades, el concepto de un principio del universo podr\u00eda no tener un significado bien definido. En todo caso, la densidad del universo durante este per\u00edodo es de tal magnitud que escapa a nuestra comprensi\u00f3n. Para prop\u00f3sitos pr\u00e1cticos, la era cu\u00e1ntica podr\u00eda considerarse el estado inicial, o principio, del universo. En consecuencia, los procesos cu\u00e1nticos ocurridos durante este per\u00edodo, cualquiera sea su naturaleza, determinaron las condiciones iniciales del universo.<\/p>\n

El universo estaba a 3.000\u00b0 K hace doce mil quinientos millones de a\u00f1os; a 10 mil millones de grados (1010<\/sup>\u00b0 K) un mill\u00f3n de a\u00f1os antes, y, tal vez, a 1028<\/sup>\u00b0 K un par de millones m\u00e1s temprano. Pero, y antes de ese tiempo \u00bfqu\u00e9 pasaba? Los f\u00f3siles no faltan, pero no sabemos interpretarlos. Mientras m\u00e1s elevada se va haciendo la temperatura del universo primigenio, la situaci\u00f3n se va complicando para los cient\u00edficos. En la barrera fat\u00eddica de los 1033<\/sup>\u00b0 K \u2013la temperatura de Planck\u2013, nada funciona. Nuestros actuales conocimientos de la f\u00edsica dejan de ser \u00fatiles. El comportamiento de la materia en estas condiciones tan extremas deja de estar a nuestro alcance de juicio. Peor a\u00fan, hasta nuestras nociones tradicionales pierden su valor. Es una barrera infranqueable para el saber de la f\u00edsica contempor\u00e1nea. Por eso, lo que se suele decir c\u00f3mo era el universo ni\u00f1o en esos tempranos per\u00edodos, no deja de tener visos de especulaci\u00f3n.<\/p>\n

Los progresos que se han obtenido en f\u00edsica te\u00f3rica se manifiestan a menudo en t\u00e9rminos de s\u00edntesis de campos diferentes. Varios ejemplos de ello lo encontramos en las secciones del cap\u00edtulo XII<\/a>, que hablan de la unificaci\u00f3n de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.<\/p>\n

En f\u00edsica se cuentan con dos grandes teor\u00edas de \u00e9xito: la cu\u00e1ntica y la teor\u00eda de la relatividad<\/a> general.<\/p>\n

Cada una de ellas ha demostrado ser muy eficiente en aplicaciones dentro de los l\u00edmites de su \u00e1mbito propio. La teor\u00eda cu\u00e1ntica ha otorgado resultados m\u00e1s que satisfactorios en el estudio de las radiaciones, de los \u00e1tomos y de sus interacciones. La ciencia contempor\u00e1nea se presenta como un conjunto de teor\u00edas de campos, aplicables a tres de las grandes interacciones: electromagn\u00e9tica, nuclear fuerte, nuclear d\u00e9bil. Su poder predictivo es bastante elocuente, pero no universal. Esta teor\u00eda es, por ahora, incapaz de describir el comportamiento de part\u00edculas inmersas en un campo de gravedad intensa. Ahora, no sabemos si esos fallos se deben a un problema conceptual de fondo o falta de capacidad matem\u00e1tica para encontrar las ecuaciones precisas que permitan la estimaci\u00f3n del comportamiento de las part\u00edculas en esos ambientes.<\/p>\n

La teor\u00eda de la relatividad<\/a> general, a la inversa, describe con gran precisi\u00f3n el efecto de los campos de gravedad sobre el comportamiento de la materia, pero no sabe hacerse cargo de las adquisiciones de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. Ignora todo acerca de los campos y de la dualidad onda-part\u00edcula, y en ella el \u00abvac\u00edo\u00bb es verdaderamente vac\u00edo, mientras que para la f\u00edsica cu\u00e1ntica hasta la \u00abnada\u00bb es \u00abalgo\u00bb\u2026<\/p>\n

Claro est\u00e1, que esas limitaciones representativas de ambas teor\u00edas no suelen tener mucha importancia pr\u00e1ctica. Sin embargo, en algunos casos, esas limitantes se hacen sentir con agresividad frustrando a los f\u00edsicos. Los primeros instantes del universo son el ejemplo m\u00e1s elocuente.<\/p>\n

El cient\u00edfico investigador, al requerir estudiar la temperatura de Planck, se encuentra con un cuadro de densidades y gravedades extraordinariamente elevadas. \u00bfC\u00f3mo se comporta la materia en esas condiciones? Ambas teor\u00edas, no dicen mucho al respecto, y entran en serias contradicciones e incompatibilidades.<\/p>\n

Todo se desenvuelve alrededor de la noci\u00f3n de localizaci\u00f3n. La teor\u00eda cu\u00e1ntica limita nuestra aptitud para asignar a los objetos una posici\u00f3n exacta. A cada part\u00edcula le impone un volumen m\u00ednimo de localizaci\u00f3n. La localizaci\u00f3n de un electr\u00f3n<\/a>, por ejemplo, s\u00f3lo puede definirse alrededor de trescientos fermis (m\u00e1s o menos un cent\u00e9simo de radio del \u00e1tomo de hidr\u00f3geno). Ahora, si el objeto en cuesti\u00f3n es de una mayor contextura m\u00e1sica, m\u00e1s d\u00e9biles son la dimensi\u00f3n de este volumen m\u00ednimo. Se puede localizar un prot\u00f3n<\/a> en una esfera de un d\u00e9cimo de fermi, pero no mejor que eso. Para una pelota de ping-pong, la longitud correspondiente ser\u00eda de unos 10–<\/sup>15<\/sup> cm, o sea, bastante insignificante.La f\u00edsica cu\u00e1ntica, a toda part\u00edcula de masa m<\/em> le asigna una longitud de onda Compton: lc<\/sub> = h<\/em> \/ 2p mc <\/em><\/p>\n

Por su parte, la relatividad<\/a> general igualmente se focaliza en la problem\u00e1tica del lugar que ocupan los objetos. La gravedad que ejerce un cuerpo sobre s\u00ed mismo tiende a confinarlo en un espacio restringido. El caso l\u00edmite es aquel del agujero negro<\/a>, que posee un campo de gravedad tan intenso que, salvo la radiaci\u00f3n t\u00e9rmica, nada, ni siquiera la luz, puede escap\u00e1rsele. La masa que lo constituye est\u00e1, seg\u00fan esta teor\u00eda, irremediablemente confinada en su interior.<\/p>\n

En lo que hemos inmediatamente descrito, es donde se visualizan las diferencias entre esos dos campos del conocimiento. Uno alocaliza<\/em>, el otro localiza<\/em>. En general, esta diferencia no presenta problemas: la f\u00edsica cu\u00e1ntica se interesa sobre todo en los microobjetos y la relatividad<\/a> en los macroobjetos. Cada cual en su terreno.<\/p>\n

Sin embargo, ambas teor\u00edas tienen una frontera com\u00fan para entrar en dificultades. Se encuentran objetos te\u00f3ricos de masa intermedia entre aquella de los microobjetos como los \u00e1tomos y aquella de los macroobjetos como los astros: las part\u00edculas de Planck. Su masa es m\u00e1s o menos la de un grano de sal: 20 microgramos. Equivale a una energ\u00eda de 1028<\/sup> eV o, m\u00e1s a\u00fan, a una temperatura de 1033<\/sup>\u00b0 K. Es la \u00abtemperatura de Planck\u00bb.<\/p>\n

Ahora bien, si queremos estimar cu\u00e1l deber\u00eda ser el radio en que se debe confinar la masita de sal para que se vuelva un agujero negro<\/a>, con la relatividad<\/a> general la respuesta que se logra encontrar es de que ser\u00eda de 10–<\/sup>33<\/sup> cm, o sea \u00a1una cien mil millon\u00e9sima de mil millon\u00e9sima de la dimensi\u00f3n del prot\u00f3n<\/a>! Esta dimensi\u00f3n lleva el nombre de \u00abradio de Planck\u00bb. La densidad ser\u00eda de \u00a11094<\/sup> g\/cm3<\/sup>! De un objeto as\u00ed, comprimido en un radio tan, pero tan diminuto, la relatividad<\/a> general s\u00f3lo nos se\u00f1ala que tampoco nada puede escapar de ah\u00ed. No es mucha la informaci\u00f3n.<\/p>\n

Si recurrimos a la f\u00edsica cu\u00e1ntica para estimar cu\u00e1l ser\u00eda el radio m\u00ednimo de localizaci\u00f3n para un objeto semejante al granito de sal, la respuesta que encontramos es de un radio de 10-33 cm. Seg\u00fan esta teor\u00eda, en una hipot\u00e9tica experiencia se lo encontrar\u00e1 frecuentemente fuera de ese volumen. \u00a1Ambos discursos no son coincidentes! Se trata de discrepancias que necesitan ser conciliadas para poder progresar en el conocimiento del universo. \u00bfSe trata de entrar en procesos de revisi\u00f3n de ambas teor\u00eda, o ser\u00e1 necesaria una absolutamente nueva? Interrogantes que solamente el devenir de la evoluci\u00f3n de la f\u00edsica te\u00f3rica las podr\u00e1 responder en el futuro.<\/p>\n

\u00bfQu\u00e9 es lo que hubo antes? La gente no se abstrae de reflexionar sobre una cuesti\u00f3n que le es desconocida, llegando a ser, muchas veces, fuente de fantasmas. Detr\u00e1s de la frontera de Planck, los te\u00f3ricos han elaborado escenarios que har\u00edan palidecer de envidia a los novelistas de ciencia ficci\u00f3n. He aqu\u00ed algunos ejemplos.<\/p>\n

La f\u00edsica moderna, ha asumido casi como un dogma el adagio \u00abnada se pierde; nada se crea\u00bb. En cualesquiera de los espacios del cosmos, pares de part\u00edculas, de toda masa y de toda especie, emergen para aniquilarse r\u00e1pidamente. Este aparecer y desaparecer se asemeja a el \u00abzumbido\u00bb de los vientos en el vac\u00edo. Esta febril actividad c\u00f3smica lleva el nombre de \u00abfluctuaci\u00f3n del vac\u00edo\u00bb, y se rige por los principios cu\u00e1nticos.<\/p>\n

\u00bfY si el universo entero resultara de una fluctuaci\u00f3n de este tipo? \u00bfY si del \u00abvac\u00edo primordial\u00bb hubiese surgido, hace quince mil millones de a\u00f1os, un cosmos de gran formato en el que galaxias, estrellas y planetas habitados hubiesen podido aparecer? La idea de poder \u00abexplicar\u00bb la creaci\u00f3n del cosmos apela a lo m\u00e1s profundo del ser humano.<\/p>\n

La gente ha reflexionado durante muchos siglos sobre esa cuesti\u00f3n. Unos creen que la soluci\u00f3n ha de estar fuera del campo de la ciencia; creen que la creaci\u00f3n del universo fue un acto divino. Otros rechazan totalmente el planteamiento, sostienen que el universo no empez\u00f3 nunca, que siempre ha existido: punto de vista expuesto por el modelo de estado estacionario del universo. Pero todos los datos astron\u00f3micos apoyan el hecho de que nuestro universo era muy distinto en el pasado remoto y de que tuvo un origen concreto. Es muy posible que el universo sea infinitamente peri\u00f3dico, que tenga un ciclo de expansi\u00f3n, uno de contracci\u00f3n, uno de nueva expansi\u00f3n\u2026pero, seg\u00fan las observaciones actuales, tal periodicidad, si es cierta, no puede demostrarse. Si bien un universo reciclado es una posibilidad, nada nos obliga a aceptarlo y, en aras de la sencillez, suponemos que el origen de nuestro universo es un acontecimiento \u00fanico.<\/p>\n

Si estudiamos el universo ateni\u00e9ndonos a los modelos cosmol\u00f3gicos habituales, vemos que la temperatura y la densidad de la materia sigue aumentando sin l\u00edmites a medida que retrocedemos en el tiempo. Luego llegamos a la singularidad<\/a> estaciotiempo y las leyes f\u00edsica pierden sentido. De ah\u00ed, que se pueden decir muchas cosas sobre c\u00f3mo pudo haber surgido nuestro universo. Sin embargo, cualesquiera de las ideas que se pueden esgrimir como posibles deben guardar en consideraci\u00f3n las desigualdades de Heisenberg que especifican las condiciones de los \u00abpr\u00e9stamos\u00bb de energ\u00eda. Mientras m\u00e1s importantes son las sumas, m\u00e1s r\u00e1pido debe ser el reembolso. Para el universo observable, la duraci\u00f3n permitida no se cifrar\u00eda en mil millones de a\u00f1os, sino en una \u00ednfima fracci\u00f3n de segundo…<\/p>\n

Para a cometer con esa condici\u00f3n, los cient\u00edficos han recurrido a su habitual astucia y para cumplir con ese requisito, han considerado todas las formas de energ\u00eda. Las masas se contabilizan como energ\u00edas positivas (E = mc2<\/sup>), pero la energ\u00eda de gravitaci\u00f3n tiene un signo negativo. En un universo que tendr\u00eda exactamente la densidad cr\u00edtica<\/a>, la suma de energ\u00edas positivas ser\u00eda num\u00e9ricamente igual a la energ\u00eda de gravedad. La energ\u00eda total ser\u00eda nula. \u00a1El universo podr\u00eda emerger del vac\u00edo sin ning\u00fan pr\u00e9stamo!<\/p>\n

Ahora bien, si se quiere que las ideas que se elaboran sobre el origen del universo tengan un sentido cient\u00edfico, conviene no olvidad el \u00abm\u00e9todo de postulaci\u00f3n de Einstein<\/a>\u00bb. Este m\u00e9todo consiste en conjeturar intuitivamente un postulado f\u00edsico (que no puede comprobarse de modo directo) y deducir luego l\u00f3gicamente sus consecuencias y poner despu\u00e9s esos resultados a prueba, cotej\u00e1ndolos con la experiencia. Si la prueba falla, ha de rechazarse el postulado.<\/p>\n

Los cient\u00edficos tendr\u00e1n que conjeturar un modelo f\u00edsico correcto del origen del universo, desde luego, y hasta las leyes f\u00edsicas que lo rigen. Pero nuestro conocimiento de las leyes f\u00edsicas y de las caracter\u00edsticas observadas del universo limitan severamente nuestra libertad de elecci\u00f3n.<\/p>\n

Los esfuerzos cient\u00edficos por resolver un problema en cosmolog\u00eda abren a menudo toda una caja de Pandora de otros. Por ejemplo, las especulaciones acerca del universo inmediatamente despu\u00e9s del Big Bang<\/a> condujeron casi inevitablemente a consideraciones acerca de lo que hubo antes. Una hip\u00f3tesis particularmente fascinante es la que propugna que nuestro universo ser\u00eda una \u00abburbuja\u00bb en un gran universo que contendr\u00eda un n\u00famero siempre creciente de ellas. Nuestro \u00abmomento de Planck\u00bb corresponder\u00eda al momento en que nuestro mundo naci\u00f3 de una fluctuaci\u00f3n cu\u00e1ntica en otro mundo. Del mismo modo, nuestro propio cosmos podr\u00eda a su vez dar a luz otros mundos completamente desconectados. La clave de todas estas afirmaciones reside en la naturaleza de la \u00abnada\u00bb y los campos escalares de la f\u00edsica moderna juegan un papel fundamental en estas generaciones espont\u00e1neas de universos.<\/p>\n

En nuestra comprensi\u00f3n actual, la nada es el vac\u00edo absoluto. Pero para la f\u00edsica cu\u00e1ntica, un vac\u00edo es tambi\u00e9n algo m\u00e1s, una condici\u00f3n inherentemente inestable, en la que no existen ni el espacio ni el tiempo en el sentido cl\u00e1sico.<\/p>\n

Seg\u00fan algunos te\u00f3ricos, la nada que precedi\u00f3 al espacio y al tiempo pudo ser muy bien el mismo tipo de espuma fluctuante, como la que vimos en nuestra anterior secci\u00f3n sobre la era de Planck. Quiz\u00e1s engendrada por las vibraciones de supercuerdas, estas fluctuaciones del vac\u00edo pueden ser visualizadas como diminutas burbujas, como las que se muestran en la fig.13.02.01.1. Algunas burbujas simplemente aparecieron y desaparecieron, pero otras pudieron expandirse repentinamente para convertirse en todo un cosmos. En teor\u00eda, pues, pueden existir innumerables universos alternativos, cada uno una burbuja separada en que nadie, salvo en los relatos de ciencia-ficci\u00f3n, puede viajar de uno a otro.<\/p>\n

Como las mu\u00f1ecas rusas, las matriuskas, este gran universo se presenta como un conjunto de mundos, que engloba otros mundos, y otros, y otros y as\u00ed ad infinitum<\/em>. Todas las escalas se parecen. El universo se perpet\u00faa indefinidamente. Aqu\u00ed un mundo muere; all\u00e1 otro nace… Este gran universo no tiene fin. \u00bfSe puede decir por eso que no tiene comienzo? La verdad es de que los que se adhieren a esta idea, no se pronuncian con firmeza.<\/p>\n

\u00bfQu\u00e9 pensar de estos escenarios grandiosos? Algunos cient\u00edficos est\u00e1n entusiasmados porque las nuevas ideas basadas en la f\u00edsica cu\u00e1ntica pueden utilizarse para elaborar modelos matem\u00e1ticos del origen mismo del universo que evitan una aut\u00e9ntica singularidad<\/a> f\u00edsica. Estos modelos, por ahora, carecen todos de un soporte experimental concreto. Pero en las primer\u00edsimas etapas de elaboraci\u00f3n de esas ideas te\u00f3ricas, a los f\u00edsicos no les preocupa la falta de apoyo experimental. Porque lo notable de estos modelos no es tanto que al final se demuestre que son correctos o err\u00f3neos, sino que sean posibles. Parece que el universo, pese a su inmensidad y a su origen ignoto, acabar\u00e1 dominado por la raz\u00f3n, porque es una entidad f\u00edsica.<\/p>\n

De todas maneras, siempre en la ciencia hay un verdadero test que alude a la fertilidad de sus esquemas. \u00bfProponen nuevas observaciones astron\u00f3micas, nuevas experiencias de laboratorio? \u00bfAcarrean en sus huellas intuiciones originales? \u00bfDan acceso a nuevos palmos de realidad? \u00bfPermiten, incluso indirectamente, comprender m\u00e1s y mejor? El inter\u00e9s que les otorgaremos depender\u00e1 de las respuestas a estas preguntas. Si no, se arriesgan a seguir siendo temas amenos para los discursos de los banquetes de clausura de los congresos de f\u00edsicos y astrof\u00edsicos\u2026<\/p>\n

Texto extra\u00eddo de Astrocosmo<\/a><\/em><\/p>\n

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