Homenaje a Stephen Hawking

Homenaje a Stephen Hawking (I)

En este año 2018 falleció Stephen Hawking, un reconocido gigante de la Física y gran divulgador de la investigación que se realizar al más alto nivel. Desde que tuve la noticia, sentí el impulso de escribir un artículo divulgativo en su honor, al estilo de este blog, con una mirada a la vez científica y filosófica, esta vez dedicada a la obra de Hawking. Y no es una tarea fácil, más bien lo contrario: han pasado los meses desde que tuve el impulso y no he sido capaz de encontrar el tiempo necesario para releer sus obras y sintetizar su aportación, así que finalmente decidí simplificar mi primera idea y simplemente centrarme en la que fue su primera obra divulgativa, la que le hizo famoso: Historia del Tiempo. 

Me regalaron la primera edición (1988) de Historia del Tiempo cuando estaba estudiando la licenciatura en Física, y tengo que decir que me encantó su estilo claro y directo y al mismo tiempo su nivel, mostrando las fronteras del conocimiento científico sobre el espacio y el tiempo, sobre el Universo. No en vano fue un bestseller, se han vendido millones de copias. La aportación que se intenta hacer aquí es a la vez sintetizar el contenido de Historia del Tiempo y enlazar algunos aspectos con otros sitios web para ayudar a la comprensión del material. Dedicaremos algunos artículos a ello:

• en este, el primero, revisamos las teorías sobre como creíamos que es el Universo, al menos hasta que Hawking empezó su investigación, allá por los años 60 del siglo XX,
• en los siguientes vemos el tema estrella de la investigación de Hawking: los agujeros negros galácticos,
• en la tercera veremos el origen y la evolución futura del Universo.

La introducción de Hawking

Pasamos por la vida sin entender prácticamente nada. Las "grandes preguntas" quedan sin respuesta, y de hecho ya ni nos preocupan. La pregunta más grande de todas quizás es "¿cuál es el pensamiento de Dios, del creador?

Así es, vivimos, pensamos mucho, de hecho pensamos continuamente, incluso compulsivamente, pero prácticamente todos nuestros pensamientos son relativos a asuntos personales, a qué hacer hoy o mañana, a cómo resolver problemas o acometer tareas, a opinar sobre personas y acontecimientos ... pero la mayoría de nosotros no dedicamos nada de nuestro potencial de entendimiento a las grandes preguntas: ¿hay un creador? ¿porque creó? ¿hay un sentido de la vida, hay un propósito?  No parecen preguntas científicas, y de hecho no lo son, pero la Física del Cosmos investiga la existencia y funcionamiento del Universo, del espacio y del tiempo, escenario en el que transcurre todo lo que existe, y quizás debería haber cierta conexión entre este conocimiento científico y las grandes preguntas, es precisamente el campo en el que este blog siempre se ha movido, en el limbo existente entre ciencia y filosofía. Hawking pues, investiga y al mismo tiempo se hace las grandes preguntas, y como es bien sabido, opinó que simplemente el creador no existe, sólo opinó, no estableció, pues las grandes preguntas están fuera del ámbito de la ciencia y no pueden ser establecidas por ella. 

Nuestras imágenes de cómo es el Universo

En la antigüedad los modelos del Universo debían adaptarse a cómo se veía a simple vista, pues no habían más medios de observación; viendo como el Sol sale y se pone cada día, la lógica imponía el modelo geocéntrico es decir imaginar que la Tierra era el centro del Universo y que todos los demás astros o se movían en torno a la Tierra (como el Sol o la Luna) o bien estaban estáticos (estrellas lejanas). Aunque incluso sin instrumentos de observación esa teoría ya tuvo una competidora: el modelo heliocéntrico, que colocaba al Sol en el centro del Universo, y los demás astros giraban en torno a él. Tanto uno como el otro modelo imaginaban un Universo estático, eterno. 

Con los trabajos de Galileo, Kepler y Newton se cambia la perspectiva, y pasa a verse el Universo como un espacio infinito en el que no puede haber ningún centro, ya que visto a gran escala (mirando sobre distancias enormes) aparece como uniforme en todas direcciones (o eso se creía en esa época), sin mostrar ninguna área "especial" en ningún sentido, ningún "centro del Universo".  Kant  (1781) filosofaba lógicamente sobre el Universo: "la supuesta creación del Universo no tiene sentido, pues entonces antes de él no hubiera existido nada por un intervalo de tiempo infinito, entonces, ¿porqué 'de repente' comenzar algo?" San Agustín venia a responder "antes de la creación tampoco existía el tiempo, no tiene sentido hablar de tiempos infinitos antes de la creación". 

H. Olbers (1827) hizo una objeción a un Universo infinito y uniforme: pensó que entonces, ¡el cielo en conjunto brillaría de noche tanto como de día! Pues en cualquier dirección que mirases, no habrían zonas oscuras, siempre habrían un número ilimitado de estrellas en todas direcciones (paradoja de Olbers). Por ello, o bien el Universo no era ilimitado, o bien no era uniforme, o ninguna de las dos anteriores. Hubble (1926) a partir de sus trabajos y observaciones, propuso que debía de haber existido una creación inicial del Universo, quizá una gran explosión primordial.  

Espacio, tiempo y luz

Ese es el escenario de la creación y del Universo: el espacio y el tiempo. Aristóteles opinó que el estado "natural" de los objetos era el reposo, por eso hay que empujarlos, hacer una fuerza, para moverlos, a más fuerza, más movimiento. Pero la gravedad no lo cumple, pues Galileo demostró que dos masas distintas caen a la misma velocidad, pese a que nos cuesta más levantar una que la otra.

Newton encontró la relación existente entre los conceptos aceleración, masa, fuerza, inercia de una masa a moverse, y gravitación, consiguiendo describir las órbitas de los astros. Junto a Galileo, nos muestra un escenario en el que no existe el estado de reposo absoluto de Aristóteles, ni tampoco existe una posición absoluta, siempre que establecemos la posición de un objeto y su estado de movimiento, lo hacemos relativo a una referencia, y no existe ninguna referencia absoluta. En cuanto al tiempo sí era considerado como absoluto, moviéndose hacia el futuro exactamente al mismo ritmo en todo el Universo.

Por otro lado, Roemer (1676) ya consiguió establecer que la luz no se mueve a velocidad infinita, como se suponía, midiendo una velocidad de aproximadamente 225.000 km por segundo. Mucho más tarde Maxwell (1865) encontró sus ecuaciones del campo electromagnético, mostrando que la luz era eso, un campo electro-magnético auto-sostenido que por sus características eléctricas y magnéticas tenía forzosamente que propagarse a una velocidad fija, denominada c, y no a otra; esto chocaba con la imagen de la velocidad relativa a una referencia y no absoluta, pues, ¿con respecto a qué se movía la luz? De ahí surgió la hipótesis del éter, un medio universal que servía de fondo estático, de forma que la luz se movía a velocidad c respecto al éter. La investigación se dirigió entonces a detectar ese éter para probar la hipótesis; el famoso experimento de Michelson y Morley (1887) determinó que, a pesar de que la Tierra se está moviendo en órbita alrededor del Sol, y por tanto se debería estar moviendo respecto al éter absoluto universal, la velocidad de la luz medida en diferentes direcciones era siempre la misma, y si fuera absoluta respecto al éter fijo del espacio, el resultado debería haber sido distinto. Einstein y Poincaré (1905) se pronunciaron a favor de la velocidad absoluta de la luz, por tanto el éter no aportaba nada, y podía abandonarse la idea de su existencia. La luz, y en general la radiación electromagnética, se propaga  siempre a la velocidad determinada por Maxwell, independientemente de su velocidad relativa del foco emisor y del receptor. 

Intuititivamente,si un foco emisor de luz se mueve a velocidad v respecto a una referencia, y un receptor los hace a velocidad v', la velocidad relativa entre emisor y receptor será v + v', y la velocidad de la luz emitida será c - v para el emisor, y c +v + v' para el receptor. No es así como se comporta laNaturaleza: tanto el emisor como el receptor 'verán' que la luz se propaga, respecto a ellos, a la misma velocidad c prevista en las ecuaciones de Maxwell.

La constancia de la velocidad c para todos los observadores, predicha por la teoría de Maxwell, tiene consecuencias radicales para nuestra imagen del escenario espacio-tiempo, descritas en la teoría de la relatividad especial de Einstein (1905): c no es sólo la velocidad absoluta de la radiación electromagnética, es también la velocidad máxima universal que un observador puede medir; al haber una velocidad máxima, límite, se afecta a la dinámica de Newton: la masa inercial de un cuerpo ya no es constante, sino que aumenta con su velocidad sin límite, pudiendo llegar en teoría a ser infinita, y lo mismo pasa con su energía cinética. Por ello, se deduce que hay una relación entre la masa y la energía, la famosa E = mc². Además, la velocidad no es más que una relación entre el espacio recorrido en cierto tiempo, y el existir una velocidad límite, afecta al tiempo y al espacio recorrido: el tiempo no puede ser absoluto, marcando el mismo ritmo en todo el Universo, si no que pasa a ser relativo al observador, y lo mismo pasa con las distancias recorridas, que no son vistas iguales por todos los observadores. Así pues, el estudio del electromagnetismo acabó cambiando radicalmente, contra-intuitivamente, nuestra concepción del espacio y del tiempo.

Relatividad especial

La teoría de la relatividad especial presenta pues un escenario espacio temporal en el que el ambos son relativos al observador, y lo único que es absoluto es el límite universal de velocidad c. En los dos diagramas siguientes se muestran algunas consecuencias.

Diagramas E-T: En los diagramas de espacio recorrido - tiempo utilizado de la relatividad especial, se escogen las unidades de espacio y de tiempo de modo que la velocidad máxima c corresponde a una línea diagonal a 45⁰. Un objeto inmóvil en el espacio se mueve en el diagrama siguiendo una línea vertical (transcurre el tiempo pero no el espacio). En la figura, dos estrellas están en posiciones relativas fijas, el Sol y Alfa Centauri, y la luz del Sol viaja en diagonal desde el presente (línia base) hasta encontrar a Alfa Centauri en un momento futuro. Todo objeto que se mueva a velocidades constantes inferiores a c describirá una recta con pendiente superior a 45⁰, y si está inmóvil, a 90⁰ (línea vertical). Las trayectorias con inclinación inferior a 45⁰ no son físicamente reales.

Conos de luz en el espacio tiempo: Para el caso del Sol, cualquier objeto que se mueva tendrá una trayectoria relativa al Sol en el espacio-tiempo que estará dentro del cono formado por las trayectorias a 45⁰ que sigue la luz cuando se aleja del Sol, hemos representado un velocidad nula 0c (vertical), otra a 0.4c más inclinada, y otra a 0.9c cerca del límite del cono. Las velocidades superlumínicas v > c situadas fuera del cono no se admiten en la teoría de la relatividad, y nunca han sido observadas.

En estos diagramas se representa el espacio como si fuera un dimensión, por eso en vez de conos vemos triángulos; en realidad, es tridimensional, y un diagrama espacio-tiempo completo seria 4-dimensional,  con conos tridimensionales.

Un evento es un suceso que ocurre en un lugar del espacio y un instante de tiempo; los eventos pueden comunicarse información, incluso uno puede ser causa del otro, pero siempre que los dos estén dentro del cono de luz de uno de ellos, de otra forma los eventos estarán demasiado separados para comunicarse, pues cualquier comunicación no puede superar la velocidad c. El siguiente diagrama ilustra esto.

Un evento, por ejemplo la emisión de radiación por un núcleo radiactivo, ocurre en un punto del espacio-tiempo que tomamos como aquí-presente. El cono futuro contiene todos los otros sucesos que pueden verse afectados en el futuro por la emisión, hay un sujeto que está a una distancia d en el momento de la emisión y notará la radiación en un momento futuro a partir del punto "irradiación". El cono pasado contiene todos los eventos ocurridos antes del presente que, por estar suficientemente cerca, han podido interactúa con la emisión radiactiva en el presente. Se muestra en rojo una explosión en el pasado desconectada causalmente del evento presente.

Gravedad y espacio-tiempo

¿A qué velocidad se transmiten las fuerzas? No puede ser mayor que c en ningún caso. ¿En concreto, la fuerza gravitatoria, es instantánea? Tampoco puede serlo por el mismo motivo. Einstein (1915) propuso en su teoría general de la relatividad no existe tal cosa como "la fuerza de la gravedad", más bien lo que sucede es que en las cercanías de cuerpos masivos se genera una aceleración intrínseca debido a la deformación del espacio-tiempo, que deja de ser plano para pasar a ser un espacio-tiempo curvo. Entonces las órbitas de los planetas alrededor del Sol, que son elipses, geométricamente pueden verse como trayectorias "obligadas" por la deformación del espacio-tiempo causada por la masa del Sol, no es que se las fuerce a seguirlo "tirando" de ellas, es que el principio de inercia de Newton, que dice que un móvil en movimiento libre seguirá una línea recta, debe revisarse para decir "un móvil en movimiento libre seguirá una línea geodésica", o sea, la trayectoria más corta posible entre dos puntos, que en una trayectoria sobre un superficie plana es la recta, pero sobre una superficie curvada ya no.

En particular, si es el propio espacio el que se deforma, y las trayectorias de mínima distancia ya no son rectas, entonces hasta la luz, que no tiene masa, debería seguir trayectorias curvas cerca de objetos masivos; esto fue verificado por un experimento conducido por A. Eddington (1919).

La luz emitida de una estrella lejana, después de viajar grandes distancias en línea recta, al acercarse al Sol es desviada debido a la curvatura del espacio-tiempo; como resultado, llega  a la Tierra pareciendo que procede de una dirección distinta, produciendo una imagen con una posición aparente desplazada respecto a la posición real. El efecto está muy exagerado en la ilustración, en realidad el desplazamiento angular de la dirección es de sólo milésimas de grado sexagesimal.

El considerar a la gravedad como un efecto de la geometría del espacio-tiempo tiene otros efectos, todos ellos muy contraintuitivos:

• En un campo gravitatorio el tiempo transcurre más despacio; la medida del tiempo no sólo depende de la velocidad, también de la aceleración y por tanto de la masa. 
• La dependencia del tiempo respecto la aceleración produce también otros extraños fenómenos como la paradoja de los gemelos: un viajero espacial que parte desde la Tierra, acelerando primero, viajando a alta velocidad, para regresar a la Tierra unos años después, encontrará que su hermano gemelo que se quedó en la Tierra habrá envejecido más que él.
• Cuando la luz atraviesa un campo gravitatorio, pierde algo de energía, la cual es proporcional a su frecuencia ν, según la ecuación E = hν, por ello, su frecuencia disminuye: la luz se "vuelve más roja" al atravesar el campo gravitatorio.

Expansión del Universo

Hubble (1924) mostró que habían otras galaxias en el Universo además de nuestra Vía Láctea (en ese tiempo se conocían nueve, actualmente se cree que hay del orden de billones de galaxias). Observándolas, dedució que la luz que nos llega de esas galaxias la vemos con una frecuencia distinta a la que fue emitida, debido al denominado efecto Doppler, o sea, debido a que todas esas galaxias se alejan de nosotros a gran velocidad, no algunas, sino todas se alejan de nosotros, es más, también se alejan entre sí, lo cual indica que es una expansión del propio Universo, que se está hinchando como un globo.


Algunos de los mejores matemáticos de la época obtienen soluciones de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein (1927). Muestran Universos en expansión que coinciden con lo observado por Hubble:  son las soluciones de Friedmann, Lemaître y otros. No sabemos todavía a ciencia cierta si la expansión será eterna, aunque así parece ser. 
 
Si imaginamos la expansión del Universo pasada a cámara inversa, retrocediendo en el tiempo, llega un momento, hace unos 13.700 millones de años, que todo queda reducido a un punto de densidad infinita. En 1951 la iglesia católica (Papa Pío XII, influenciado por los trabajos de Lemaître, que era un religioso) declara el Big Bang como la creación a la que hace referencia la Biblia; esta afirmación desagrada a los no creyentes, que intentan buscar como refutarla, incluso ridiculizarla. Había nacido la teoría de la gran explosión inicial, con cierta controversia.

Penzias y Wilson (1964) descubren una extraña interferencia electromagnética, constante, activa las 24h del día, que parece provenir de todas las direcciones del espacio; junto con los astrofísicos Dicke,  Peebles, Roll y Wilkinson llegaron a la conclusión de que ese ruido constante era un "eco" remanente de la gran explosión creadora del Universo, el Big-Bang, que quedaba así probado. Además, el hecho de provenir de todas direcciones indica que el Universo visto a gran escala debe de ser muy uniforme. 

La palabra Big Bang, "gran bang", evoca una explosión, pero de hecho no fue eso, fue una expansión desde la nada que todavía sigue. En el punto inicial la Física de la Relatividad General no es aplicable, por ello se la denomina singularidad primordial. La palabra singularidad indica que al aplicar las ecuaciones a ese caso los cálculos devuelven valores infinitos, es como si en la gravitación de Newton, peso = producto de masas / distancia² , hiciéramos la distancia igual a cero, una división por cero no está definida, o bien se supone que resulta un valor infinito. Antes del momento en que el Universo se reduce a un punto nos queda inaccesible, ni siquiera existía el espacio o el tiempo.

Siguiendo con el estudio de las singularidades en las soluciones de la Relatividad General, Penrose (1965) las relacionó con el colapso de estrellas masivas, un proceso en el cual las estrellas de masa mucho mayor que la del Sol se auto-comprimen por efecto de su propia gravedad, colapsando bajo su propio peso, resultando un objeto estelar que se vino a denominar agujero negro (black hole). 

En este estado estaba la investigación del origen y evolución del Universo cuando S. Hawking realizaba su doctorado en relatividad general. Pero hay otra área de la Física, la Mecánica Cuántica, aparentemente muy lejana en su campo de aplicación, el mundo subatómico, que en esa época ya empezó a tener una importancia primordial para la astrofísica, pues las singularidades tienen en común que el espacio que ocupan tiende a cero, y en esas escalas de tamaño es la Física Cuántica la que hay que aplicar.


 

Génesis (I): El Big Bang

Inicio una breve serie de artículos sobre el origen del Universo y de la vida, desde el punto de vista de este blog: la Ciencia pero también la Filosofía. La idea general es mostrar como en el origen de la materia y de la vida encontramos conceptos y procesos similares: energía, combinaciones al azar y leyes de combinación que regulan las combinaciones.

Big ... Bang!

En el principio nada existía (existir ... del latín existere: aparecer, emerger, ser, que a su vez se forma de ex + sistere: hacia afuera + tomar posición), pero debemos precisar que había "algo" no manifestado (manifestar viene del latín manifestus: patente, palpable), supondremos que ese algo era energía primordial (energía viene del griego enérgeia: fuerza o capacidad de acción, primordial viene de primordialis: relativo a lo originario, al principio fundamental) en cantidades ingentes; así pues, había una capacidad latente de expresarse, que "de repente", se expresó:

"El universo que conocemos se originó en una inmensa explosión de energía pura desde un punto de dimensión cero y densidad infinita

Claro, en este punto  se abren muchos interrogantes, algunos de los cuales son:

http://www.physicsoftheuniverse.com

• ¿Que es esa "energía primordial"? Pudiera ser una fuerza creativa fundamental, tal como la que busca la denominada Teoría de la gran unificación, que intenta demostrar que, en las condiciones extremas del Universo primitivo, todas las fuerzas de la Naturaleza, electromagnetismo, gravedad, fuerzas nucleares, no estaban manifestadas por separado sino unificadas en una única fuerza primordial de la que posteriormente emanarían las fuerzas que ahora conocemos.
• ¿Cómo puede existir o ser concebido un punto de dimensión cero? Por la teoría de la relatividad sabemos que la realidad que nos rodea es un espacio-tiempo curvo con una curvatura que depende de la masa que hay en los alrededores, como más masa, más retorcido sobre sí mismo es el espacio-tiempo; en un agujero negro la enorme cantidad de masa retuerce tanto el espacio-tiempo que se pliega sobre si mismo de forma que nos queda un punto sin dimensiones ni espaciales ni temporales. De forma semejante, el punto primordial se comporta así: no está manifestado como espacio y tiempo, es solo energía potencial, hay una capacidad infinita sin utilizar.

Por razones desconocidas que quizá quedan fuera del alcance de la ciencia esa energía no manifestada primordial "decidió" manifestarse en forma explosiva (del latín explosio: echar hacia afuera una gran cantidad de energía); aquí, el "afuera" era el espacio-tiempo, que se creó en la misma explosión. No sabemos que había antes de esa explosión, de hecho la misma pregunta no tiene sentido pues no existía un "antes" al no existir el tiempo. Tampoco sabemos qué la produjo, quizá es apropiado decir que "fue una explosión espontánea", o que la energía estaba en un estado inestable y por eso explosionó, pero no hay nada definitivo; por eso también queda abierta la posibilidad (no científica) de un "ente creador" que "pusiera" esa energía y la impulsara a expansionarse.

Mucho más que una explosión: Leyes del Universo primitivo

Se cree que sólo habían transcurrido 10⁻⁴³ segundos y la energía primordial ya empezó a diferenciarse, creando las fuerzas gravitatoria y electro-nuclear; un instante después, 10⁻³⁶ segundos después del big-bang, la fuerza electro-nuclear se diferenció en electromagnética y nuclear. ¿Qué significa este hecho? Sabemos que esas fuerzas tienen expresiones matemáticas muy bien definidas: la gravedad fue descrita por Newton, y más tarde por Einstein, mientras que las fuerzas electromagnéticas fueron descritas por Maxwell, y en cuanto a la nucleares, por diversos físicos.

Ecuación de Einstein, relacionando energía y curvatura del espacio-tiempo

El punto importante aquí es que ... ¡en solo 10⁻³⁶ segundos! se generó toda esa complejidad de campos de fuerzas, las cuales guiaron el posterior desarrollo del Universo primitivo; hay que señalar que de hecho los campos en esos instantes eran cuánticos, de forma que aún hoy en dia no hemos conseguido hallar sus ecuaciones exactas, especialmente en el caso de la gravedad cuántica. Por tanto, la "explosión" fue mucho más que un simple despliegue de energía, fue también un despliegue de complejas leyes físicas que perduran hoy en dia, 15.000 millones de años después.

Para mí, si ya es difícil de entender que pueda haber una cantidad virtualmente infinita de energía en un punto sin dimensiones, todavía es más difícil entender cómo se generaron tales leyes complicadas y exactas, ¿o bien hemos de suponer que no se generaron, sino que ya existían en el punto adimensional original? Pero las leyes son información, más aún, son conocimiento: información altamente estructurada, preparada para ser usada ¿cómo se almacena el conocimiento en un punto adimensional, o cómo se genera desde él? De hecho, esta es una pregunta que hace tiempo me hago: una partícula fundamental, aislada, es decir, un cuanto de un cierto campo, ¿cómo sabe cómo tiene que comportarse? ¿dónde se almacena esa información, ese conocimiento?

Pragmatismo científico y el principio antrópico 

Stephen W. Hawking

La ciencia está renunciando a hacerse estas preguntas, limitándose a contestar lo que cree que realmente pertenece a su ámbito de conocimiento: observar la Naturaleza, descubrir regularidades de comportamiento, intentar describir esas regularidades con un lenguaje exacto. Por ejemplo, la respuesta de Stephen Hawking a la pregunta "¿porqué las leyes del Universo primitivo fueron esas y no otras?, pues cualquiera pequeña variación en ellas, aunque fuera sólo de una centésima parte del 1%, hubiera hecho imposible la existencia del Universo y de la vida tal como los conocemos", es simplemente: «vemos el universo en la forma que es porque nosotros existimos», es una aplicación del llamado "principìo antrópico". Para mí, esta "explicación" no es más que una huida, una ignorancia, pero además una ignorancia que intenta dejar sin sentido a nuestra pregunta, una ignorancia disfrazada de sabiduría, que quiere hacer pasar el afán de saber por ignorancia, pues te dice: "tu pregunta simplemente no tiene sentido, no es una pregunta adecuada". Creo que las preguntas siempre son adecuadas, y lo más honesto es reconocer que no tienes las respuestas, en vez de negar la validez de las preguntas.

Sistemas cibernéticos, regulación y evolución

Un sistema cibernético es auto-regulado, para ello se retro-alimenta, afectando al medio externo y luego adaptándose a él. La Cibernética estudia la regulación y control de todo tipo de sistemas dinámicos y de sus procesos.  Podemos aplicarla al estudio del Universo primitivo, considerándolo como un sistema auto-regulado? En principio no, pues la Cibernética no considera sistemas aislados (aquellos que no intercambian materia ni energía con su entorno), y por definición el Universo es un sistema aislado, pues contiene todo lo existente.

La pregunta es: ¿tenemos conocimiento de algún otro sistema aislado auto-regulado que no sea el Universo? Pues no, al menos hasta mi conocimiento; todo sistema aislado es de hecho una idealización, pues el aislamiento absoluto no existe.

Evolución de un sistema cerrado: energía y entropía

Pensemos en el siguiente sistema cerrado idealizado: en un espacio cerrado dejamos algunas figuras idénticas en movimiento al azar, que obedecen a la siguiente regla:

los choques entre figuras son elásticos, excepto si, al chocar dos figuras, coinciden dos de sus lados en al menos un 50% de su longitud, entonces el choque será inelástico y las dos figuras quedaran unidas.

Podemos imaginar que los lados de las figuras son adhesivos, de forma que si chocan adecuadamente se pegan entre sí. Demos posiciones y velocidades iniciales a las figuras, por ejemplo, la instantánea inicial podría ser:

Figuras moviéndose al azar en un entorno cerrado

Es de esperar que al cabo de cierto tiempo algunas figuras se hayan unido, por ejemplo:

La ley del choque entre figuras produce uniones

Esperando todavía más tiempo más figuras se habrán unido al azar:

Las uniones se hacen más numerosas y complejas

A la larga esperamos que todas las figuras queden unidas en una sola figura, es como si actuara una gravedad en ellas. Este sencillo "Universo" no cumple con la ley de conservación de la energía, pues como es sabido los choques inelásticos disipan energía cinética; en el Universo real la energía cinética se transforma en térmica, pero como en nuestro sistema no hemos definido tal concepto, se va disipando la energía; de hecho, como la temperatura está relacionada con la energía cinética, nuestro simple Universo se enfriará irreversiblemente hasta llegar al estado de equilibrio en el que todas las figuras están juntas. También podemos decir que la entropía en nuestro sistema, que podemos tomar como una medida del desorden del sistema, se reduce progresivamente, violando con ello el segundo principio de la termodinámica. Así pues, no es tan sencillo imaginar un sistema cerrado que no vulnere las leyes de la Física: hay que pensar un poco más.

En nuestra segunda versión de sistema cerrado haremos que la energía perdida en los choques inelásticos se emita en forma de un tipo de radiación para la cual no damos más detalles; esa radiación, una vez emitida, no interactúa con nada, es energía libre. Por tanto el sistema cumple ahora con el principio de conservación de la energía: en el estado final de equilibrio todas las figuras estarán unidas y circulará por el espacio una radiación que contendrá toda la energía cinética perdida. ¿Que pasará con la entropía? A pesar de que las figuras están más ordenadas en el estado final, dado que la energía radiante no puede recuperarse, deberá haber un aumento global de la entropía, y se cumplirá el segundo principio, que de hecho tiene que ver con la irreversibilidad: la energía total se conserva, pero se convierte en otra forma tal que no puede recuperarse el estado inicial de figuras separadas.

Pensemos en una tercera versión del sistema, en la cual la energía radiante pueda ser reabsorbida por las figuras, con el efecto de un aumento de la energía cinética. La energía total sigue conservándose; ¿cuál será el estado final de este sistema? Como la absorción de energía no separa las figuras, sólo las acelera, el estado final será el mismo: una única figura, unión de todas las iniciales, con una velocidad determinada por la conservación de la energía total. ¿Que pasa con la entropía? Que vuelve a disminuir, no hay pérdida de energía cinética total, y hay un aumento del orden del sistema: volvemos a violar la segunda ley. En el Universo real no hay la posibilidad de reabsorción total de la energía perdida, hay una degradación que conduce al aumento de entropía.

Así pues vemos que el Universo primitivo, generado a partir de la "nada", fue muy especial: llevaba intrínsecamente unas leyes estrictas y exactas que cumplió desde el mismo momento de su génesis.

¿De donde surge toda la complejidad?

Incluso en el sistema tan simple que hemos usado como ejemplo, para que evolucione hay que poner unos objetos, unas reglas, unas condiciones iniciales, y un tiempo para que el azar realice combinaciones siguiendo las reglas. En cambio parece ser que el Universo no tuvo "objetos" iniciales sino sólo energía, y tuvo reglas iniciales, ¿pero "quien" y "como" las impuso? Supongamos que la energía primordial ya contiene algunas reglas simples iniciales, las cuales pueden combinarse entre sí para formar reglas más complejas; es un proceso parecido al de la unión de figuras pero con reglas. Imaginemos pues un sistema inicial de reglas y de meta-reglas que permiten combinar reglas para generar nuevas reglas, codificado de alguna forma en la misma energía primordial:

Energía en expansión -> espacio-tiempo
Energía + espacio-tiempo -> campos de fuerzas y partículas elementales
Energía + espacio-tiempo + partículas elementales -> átomos
etc. etc.

La jerarquía creciente de reglas generaría todo el Universo, de hecho todo son reglas, o leyes, incluso la materia es energía que se comporta según reglas. Y todas las reglas serían combinaciones de una única fuente: la energía primordial. Esta energía primordial incluiría potencialidad y reglas de creación. En esta visión del Universo, el Big-bang no fue una explosión inicial, sino un despliegue de energía inteligente, auto-controlada por su propio sistema jerárquico de reglas, que a su vez es auto-generado, y todo lo que existe es expresión directa de esa energía manifestándose mediante lo que llamamos leyes de la Naturaleza.

Dios juega a los dados...

Aunque esta famosa afirmación surgió en el contexto de la Física Cuántica, creo que es de aplicación aquí, pues en el modelo que hemos expuesto, al igual que en el sistema simple de figuras, se deja al azar la combinación y formación de reglas más y más complejas. Ahora bien, sabemos seguro que se formaran tales reglas, solo es preciso darle tiempo al sistema. Así que es un azar relativo, pues los resultados sabemos cuales serán, aunque no este determinado el camino exacto de evolución. 

La pregunta es: ¿cuantas reglas iniciales se crearon en el big-bang? O dicho de otro modo, ¿Cuál es la mínima complejidad inicial que tuvo que crearse para que evolucionara hasta generar el complejo Universo actual? Quizá el lector se habrá dado cuenta de que estoy trazando un paralelismo con la aparición de la vida y su posterior evolución: mi tesis es que la evolución del Universo, desde la explosión inicial hasta ahora, y la evolución de la vida, desde los virus hasta los organismos complejos, siguen patrones parecidos: una materia prima más un conjunto inicial de reglas de formación, que aleatoriamente van generando la complejidad que vemos actualmente, y de la que somos parte. En el siguiente post trataré del origen de la vida.