El universo en una botella

A propósito del bosón de Higgs, este texto tomado del libro Dime abuelita porqué.

Martin Gardner llama momentos numinosos a aquellos instantes en que maravillados por la impasibilidad de una noche en el campo, la perfección de un caracol o la armonía del universo, experimentamos un sentimiento místico que nos hace pensar, ¿cómo?, ¿por qué? y ¿de dónde? surgió este mundo en el que hoy estamos viviendo.

Creo que todos hemos experimentado esos momentos, a algunos los ha impulsado a una búsqueda de lo divino, a otros a tratar de explicar, desde la materia el universo. Como consecuencia de esa necesidad de conocer, la ciencia ha ido construyendo modelos para explicar el universo. Estos modelos, son en realidad un prodigio que me sorprende tanto como la existencia del universo. ¿Cómo la materia inanimada, se volvió animada, cómo los seres unicelulares evolucionaron a animales vertebrados, cómo unos primates pudieron crear lenguajes abstractos, realizar experimentos, construir máquinas para ver el interior del núcleo atómico y construir una cosmología? ¡¡Sorprendente!! ...y sin embargo aquí estamos a principios del siglo XXI, tratando de entender qué fue lo que ocurrió hace 13 mil setecientos millones de años, en ese momento teórico al que hemos dado el nombre de Big Bang, la gran explosión.

Para empezar, ¿cómo sabemos que el universo tiene 13 mil 700 millones de años? ¿Quién estuvo ahí para atestiguarlo y para decírnoslo?

Estuvo ahí toda la materia que hoy forma el universo, ella es la que nos ha dicho cuanto tiempo de vida tiene el universo. ¿Cómo nos lo ha dicho? De una manera muy simple, dejando una huella de su desplazamiento por el espacio. Imaginemos, por ejemplo, que sabemos que una persona se encuentra a 500 metros de nuestra casa y que camina a una velocidad promedio de 5 kilómetros por hora, no es difícil inferir que si desde que salió de nuestra casa no se ha detenido, ha caminado un décimo de hora (500 es la décima parte de 5000), es decir 6 minutos. De una manera análoga, conociendo dónde se encuentran hoy las estrellas más lejanas y la velocidad promedio con la que se mueven es posible estimar cuánto tiempo han estado moviéndose, esa es la manera cómo podemos hacernos una idea de la edad del universo.

En realidad las galaxias que forman el universo no se mueven con velocidad constante, pero el principio para realizar el cálculo es el mismo: Saber dónde estamos hoy y como nos hemos estado moviendo, para determinar cuánto tiempo llevamos desplazándonos. Las estrellas se mueven de una manera peculiar que fue descrita por Hubble y Humason en 1929. Lo que encontraron, ambos científicos, es que las estrellas se alejan unas de otras con una velocidad que es proporcional a la distancia que las separa, es decir que las estrellas que se encuentran más distantes, se separan más rápidamente.

A veces se explica lo dicho por Hubble y Humason mediante la siguiente analogía: Se dibujan sobre la superficie de un globo desinflado unos puntos y se empieza a llenar de aire,

se va grabando en video todo el proceso. Cuando lo recreamos y vemos en cada segundo con que velocidad se separan los puntos de la superficie del globo, encontramos que como al aumentar el tiempo aumenta la superficie, los puntos están más separados y se alejan más rápidamente unos de otros.

Siguiendo con esta analogía, pensemos ahora en la densidad de puntos, o sea en el número de puntos por unidad de área. Ésta densidad no es constante, pues mientras más tiempo pasa, mayor es la superficie y por lo tanto hay menos puntos por unidad de área. Podemos preguntarnos en qué momento la densidad tiene, o tuvo, un valor máximo. Dicho en términos más coloquiales: ¿En qué momento los puntos están más “amontonados”? Es obvio que eso ocurre en el momento en que la superficie es mínima, en nuestro caso el momento en que el globo esta desinflado, es decir el instante en que todo inició.

De la misma manera, haciendo uso de la Ley de Hubble podemos conocer la manera como varía la densidad y determinar el punto en que ésta tiene un valor máximo. De esa manera se ha llegado al valor de 13 mil 700 millones de años para la edad del universo.

Los cálculos que acabo de mencionar hacen uso de la ecuación que describe el movimiento relativo de las estrellas, en esa ecuación aparece una constante que se llama constante de Hubble, el valor de esa constante y su evolución temporal son difíciles de determinar con exactitud y por eso el cálculo de la edad del universo se hace más preciso, en la medida en que se conocen con mayor precisión el valor de esa constante y su evolución temporal.

Para conocer la variación de la constante de Hubble en el tiempo podemos hacer alguna hipótesis acerca de la densidad inicial. Si la suponemos infinita, entonces se obtiene un modelo conocido como el Universo de Milne, si en cambio se la supone finita pero de un valor suficientemente grande como para que las fuerzas de gravedad no venzan nunca a las de expansión, se tiene el Universo de Einstein-de Sitter. Al valor de la densidad mínimo necesario para que la gravedad no frene la expansión se le da el nombre de densidad crítica. ¿Vivimos en un Universo de Milne, en uno de Einstein-de Sitter, o en algún otro?

Para responder esa pregunta habría que viajar al pasado y observar cómo era el universo o bien, preproducir en el laboratorio el momento del nacimiento del universo, algo así como tener el universo en una botella para poderlo estudiar. Eso es lo que están intentando los científicos del Centro de Europeo para la Investigación Nuclear, CERN, que trabajando a 100 metros bajo Tierra, en las inmediaciones de la frontera entre Suiza y Francia, el 10 de septiembre de 2008 inyectaron por primera vez un haz de protones en el anillo de 27 kilómetros del acelerador de partículas llamado LHD, iniciales de Large Hadron Collider o Gran Colisionador de Hadrones, en español.

El nombre suena impactante y la construcción del LHD ha sido quizás la mayor hazaña de la física experimental: construir un laboratorio para estudiar lo que pasó en los primeros instantes de vida del universo; sin embargo es posible entender, aunque sea esquemáticamente, qué es lo que pasa en el interior de ese túnel y qué tiene que ver con el origen del universo.

Pensemos en los efectos que tiene la temperatura sobre la materia que conocemos. Por ejemplo al calentar agua, llega un momento en que ésta se transforma en vapor, debido a que al aumentar su temperatura le estamos proporcionando energía a sus moléculas y eventualmente la energía comunicada alcanzará un valor suficiente como para romper el enlace característico de los líquidos que mantiene a las moléculas “atadas”. Una vez liberadas las moléculas, éstas estarán libres para moverse, como lo hacen las moléculas de los gases.

También los átomos de un gas que se calienta reciben energía y si ésta alcanza el del enlace que mantiene unido a los electrones al núcleo, los electrones se van a separar del núcleo. A ese fenómeno se le llama ionización.

En principio si calentamos el electrón ya no podremos separarlo en nada más, pues es una partícula elemental, en el sentido de que no está formada por partículas más pequeñas, sin embargo si “calentamos” el núcleo atómico, es decir si le proporcionamos energía, éste se va a descomponer en protones, neutrones y algunas otras partículas como el neutrino. Los protones tienen carga eléctrica positiva y por lo tanto, dentro del núcleo, se repelen.

Lo que hace que el núcleo no se rompa a causa de esa repulsión eléctrica es la existencia de una fuerza nuclear que los une y que recibe el nombre de interacción fuerte. Del mismo modo que no todas las partículas sienten la fuerza de gravedad y no todas sienten la fuerza electromagnética, tampoco todas las partículas sienten la interacción fuerte44. A las partículas que sí la experimentan se les llama hadrones, de la palabra griega que significa fuerte.

Los hadrones a diferencia de los electrones, si están compuestos por partículas más pequeñas. Murray Gell-Mann y George Aewig publicaron en 1964, de manera independiente, un modelo de la forma en que estas partículas y sus antipartículas45 se combinaban para formar los diferentes hadrones conocidos. Gell-Mann bautizó a estas partículas con el nombre de quarks y según el modelo que construyó existen tres tipos de quarks, quark hacia arriba (u), quark hacia abajo (d) y quark con extrañeza (s).

Los hadrones, que se hace chocar en el Gran Colisionador de Hadrones, son protones a los que se les confiere energía. Mediante las colisiones entre ellos, se producen reacciones nucleares que permiten entender mejor cómo se fue conformando la materia en los primeros instantes del universo.

El método no es nuevo, casi inmediatamente después de que se descubrió el neutrón, en 1932, se le empezó a usar como “proyectil” contra núcleos atómicos. El resultado fue la ruptura o fisión del núcleo atómico, que llevó a la construcción de la bomba atómica, pero hubo más. Al bombardear el núcleo del átomo con neutrones se empezaron a dar una serie de reacciones nucleares en las que aparecían nuevas partículas sujetas a leyes de conservación. El surgimiento de algunas de éstas nuevas partículas se daba por pares, se creaba la partícula y su antipartícula.

La creación de este par de partícula y antipartícula no viola el principio de conservación de la masa, pues como se sabe, gracias a la famosísima ecuación E=mc2 la masa y la energía

son intercambiables. Obviamente para producir pares de partículas más pesadas es necesaria una mayor energía. Por lo que si en el LHC se quieren reproducir los momentos en que se formaron algunas de las partículas más pesadas, que irían más tarde a conformar el núcleo atómico, es necesario que se alcancen energías considerables.

Como el universo se está enfriando, mientras más retrocedemos en el tiempo mayor es su temperatura. La temperatura elevada proporcionó la energía para la creación de las primeras partículas. Esas energías son muy altas y no se han podido crear en un laboratorio. El primer acelerador de partículas se construyó entre 1928 y 1932 en el laboratorio Cavendish de Cambridge, por John D Cockroft y Ernest T. S. Walton, ese desarrollo les valió a ambos el Premio Nobel en 1951. El LHC es el más reciente de estos dispositivos y la energía que puede comunicar a las partículas es 10 millones de veces la que suministraba el aparato de Cockford y Walton. Con esos niveles de energía estamos en posibilidad de recrear las condiciones que la temperatura inicial del universo impuso en la materia primigenia.

El 30 de marzo de 2010, tras fallas iniciales en los años anteriores, funcionó por primera vez el LHC, que se mantendrá funcionando en éste programa por los dos próximos años. ¿Qué será lo que encontremos, al realizar éstos experimentos? Sin duda algo que nos maravillará tanto como las noches estrelladas y nuestra capacidad de comprenderlas.