No tenemos ni idea E-Book

Jorge Cham

• Herausgeber: CAPITÁN SWING LIBROS
• Kategorie: Geisteswissenschaft
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2018

Beschreibung

La comprensión humana del mundo físico está llena de lagunas. No son pequeñas brechas que puedas ignorar: son enormes vacíos en nuestras nociones básicas de cómo funciona el mundo. El creador de PHD Comics Jorge Cham y el físico de partículas Daniel Whiteson se han unido para explorar todo lo que no sabemos sobre el universo: los enormes agujeros en nuestro conocimiento del cosmos. Esta introducción completamente ilustrada a los mayores misterios de la física también ayuda a desmitificar muchas cosas complicadas que conocemos, desde quarks y neutrinos hasta ondas gravitacionales y agujeros negros explosivos. Con humor y deleite, Cham y Whiteson nos invitan a ver el universo como una extensión posiblemente ilimitada de territorio inexplorado que aún está a nuestro alcance para explorar.

Leseprobe

¿Te gustaría saber cómo comenzó el universo, de qué está hecho y cómo llegará a su fin? ¿Entender de dónde vienen el tiempo y el espacio? ¿Descubrir si estamos realmente solos en el universo? ¡Pues qué lástima! Este libro no responde a ninguna de esas preguntas.

Por el contrario, se trata de todas las cosas que no sabemos sobre el universo: las grandes preguntas que tal vez creas que ya hemos contestado, cuando no es así en realidad.

Con frecuencia las noticias hablan sobre un gran descubrimiento que es la respuesta a alguna pregunta fundamental sobre nuestro universo. Pero ¿cuántas personas habían oído la pregunta antes de enterarse de la respuesta? ¿Y cuántas grandes preguntas quedan por contestar? Para eso es este libro, para presentarte las preguntas que siguen pendientes.

En las páginas que siguen explicaremos cuáles son los grandes interrogantes sobre el universo que aún no tienen respuesta, y por qué siguen siendo un misterio. Al terminar de leer, entenderás mejor lo absurdo que es pensar que realmente sabemos lo que está pasando o cómo funciona el universo. La buena noticia es que al menos tendrás idea de por qué no tenemos ni idea.

El objetivo de este libro no es que te deprima lo poco que sabemos, sino que te entusiasme la increíble cantidad de territorio inexplorado que tenemos por delante. Por cada misterio cósmico sin resolver también revelaremos qué implicaciones podrían tener las respuestas para los humanos, y qué sorpresas alucinantes pueden ocultarse en cada una de ellas. Te enseñaremos a ver el mundo de forma distinta; entender qué es lo que no sabemos nos permite comprender que el futuro está lleno de fantásticas posibilidades.

Así que abróchate el cinturón, ponte cómodo y prepárate para explorar las profundidades de nuestra ignorancia, porque para descubrir algo el primer paso es saber qué es lo que no se sabe. Estamos a punto de emprender un viaje por los mayores misterios del universo.

01

¿De qué está hecho

el universo?

Donde descubres que eres

bastante raro y especial

Si eres un ser humano —por ahora, vamos a suponer que lo eres—, probablemente no puedas evitar sentir cierta curiosidad por el mundo que te rodea. Es parte de la naturaleza humana, y también explica por qué decidiste empezar a leer este libro.

No es una sensación nueva. Desde el origen de los tiempos, la gente ha buscado las respuestas a algunas preguntas muy elementales y sensatas sobre el mundo que nos rodea:

¿De qué está hecho el universo?

¿Las rocas grandes están hechas de rocas más pequeñas?

¿Por qué no podemos comer rocas?

¿Cómo es ser un murciélago?[1]

La primera, «¿De qué está hecho el universo?», es una pregunta bastante importante. Y no solo porque el tema sea amplio —básicamente no hay nada más grande que el universo—, sino porque preguntar de qué está hecho el universo es relevante para todos. Es como preguntar de qué está hecha tu casa y todo lo que hay en ella —tú incluido—. No necesitas saber muchísimo sobre física o matemáticas para entender que esta pregunta nos afecta absolutamente a todos.

Digamos que eres la primera persona en la historia que trata de contestar la pregunta «¿De qué está hecho el universo?». Un buen enfoque sería primero probar suerte con la idea más sencilla y más inocente. Por ejemplo, podrías afirmar que el universo está hecho de las cosas que podemos ver en él, de modo que contestarías a la pregunta haciendo una lista. Esa lista empezaría más o menos así:

Este enfoque, sin embargo, tiene algunos problemas gravísimos. Para empezar, tu lista va a ser muy muy larga. Tiene que incluir todas las rocas de todos los planetas del universo, y tiene que incluirse a ella misma —tu lista también es parte del universo—. Si necesitas que la lista incluya tanto los objetos como las partes que los componen podría seguir para siempre. Si no necesitas que la lista mencione las partes que componen los objetos que se mencionan en la lista, podrías arreglártela con un elemento: el universo. Así, queda claro que esta estrategia es problemática hagas lo que hagas.

Pero lo más importante es que hacer una lista realmente no responde a la pregunta. El tipo de respuesta que consideraríamos satisfactoria no se limitaría a registrar la complejidad que vemos a nuestro alrededor —la variedad casi infinita de cosas que vemos en nuestro entorno—, sino que también la simplificaría. A eso le debe su éxito la tabla periódica de los elementos —la que tiene oxígeno, hierro, carbono, etc.—. Describe todos los objetos que los humanos hemos visto, tocado, saboreado[2] o que nos hemos arrojado unos a los otros, todo en términos de cerca de cien bloques básicos de construcción. Revela que el universo está organizado según el mismo principio de los Lego. Con el mismo paquete de piececitas de plástico puedes construir dinosaurios, aviones o piratas, o crear tu propio dinopirata híbrido volador.

Igual que con los Lego, unos cuantos bloques de construcción básicos —los elementos— te permiten fabricar muchas cosas de nuestro universo: estrellas, rocas, polvo, helado, llamas. Este principio de organización, según el cual los objetos complejos en realidad son conjuntos de objetos simples, nos permite entender mucho con solo descubrir cuáles son esos objetos simples.

Pero ¿por qué el universo sigue la filosofía Lego? Hasta donde sabemos, no hay ninguna razón para que esta simplificación sea posible. Por lo que a los primeros científicos cavernícolas concernía, el mundo podría haber funcionado de formas muy distintas. Todo lo que los científicos de las cavernas Ook y Groog tenían a mano para fundamentar sus ideas era su experiencia, y esta era consistente con muchas ideas distintas sobre la composición del universo.

Bien podría existir una cantidad infinita de tipos de cosas. En este universo las rocas estarían hechas de partículas rocosas elementales. El aire estaría hecho de partículas aéreas elementales. Los elefantes estarían hechos de partículas elefantiásicas elementales —llamémoslas dumbotrones—. En ese universo hipotético la tabla periódica tendría una cantidad casi infinita de elementos.

O podríamos vivir en un universo aún más extraño, en el que las cosas ni siquiera estuvieran hechas de partículas diminutas. En este universo las rocas estarían formadas por un material rocoso que podríamos cortar en trozos más y más pequeños indefinidamente con un cuchillo infinitamente afilado.

Ambas ideas eran consistentes con los datos que recolectaron los profesores Ook y Groog durante sus famosos experimentos de aporreo de rocas. Mencionamos estas posibilidades no porque pensemos que así es como funciona el universo, sino para recordarte que bien podría haber funcionado así, y es posible que así se comporten otros tipos de materias presentes en nuestro universo y que aún no hemos explorado.

Es por eso que los misterios sin resolver que descubrirás en este libro deberían hacerte sentir inspirado y emocionado, y no frustrado o desmoralizado: revelan lo mucho que nos falta por explorar y descubrir.

En este universo que conocemos y queremos, las cosas que nos rodean parecen estar compuestas de partículas diminutas. Tras miles de años de reflexión e investigación hoy tenemos una teoría de la materia bastante aceptable.[3] Desde los primeros experimentos de Ook y Groog hasta la actualidad hemos ido más allá de la tabla periódica y hemos conseguido asomarnos al interior del átomo.

La materia como la conocemos está compuesta por átomos de los elementos que se incluyen en la tabla periódica. Cada átomo tiene un núcleo rodeado por una nube de electrones. El núcleo contiene protones y neutrones, cada uno de los cuales está formado a su vez por quarks arriba y quarks abajo. Así, con quarks arriba, quarks abajo y electrones podemos construir cualquier elemento de la tabla periódica. ¡Qué logro! Nuestra lista de los componentes del universo pasó de ser infinita a tener los cerca de cien elementos de la tabla periódica, y luego a constar de solo tres partículas. Todo lo que hemos visto, tocado, olido, y todo aquello con lo que nos hemos golpeado los dedos de los pies, puede construirse con tres bloques básicos. Una felicitación para el trabajo colectivo de millones de cerebros humanos.

Pero aunque es cierto que deberíamos sentirnos orgullosos de nosotros mismos como especie, esta descripción está incompleta por dos razones muy importantes.

La primera es que existen otras partículas, no solo el electrón y los quarks. Únicamente se necesitan estas tres partículas para fabricar materia normal, pero en el último siglo los físicos de partículas han descubierto nueve partículas de materia más y otras cinco que transmiten fuerzas. Algunas de estas son muy extrañas, como los fantasmagóricos neutrinos, partículas que pueden viajar billones de kilómetros a través de plomo sólido sin chocar con otra partícula.[4] Para los neutrinos, el plomo es transparente. Otras partículas son muy parecidas a las tres que conforman la materia, pero mucho mucho más pesadas.

¿Por qué tenemos estas partículas extras? ¿Para qué sirven? ¿Quién las invitó a la fiesta? ¿Cuántas clases más de partículas existen? No lo sabemos. Es más: no tenemos ni idea. En el capítulo 4 hablaremos sobre algunas de estas extrañas partículas y los curiosos patrones que siguen.

Pero esta descripción está incompleta por otra razón muy importante. Si bien solo necesitamos tres partículas para hacer estrellas, planetas, cometas y pepinillos, resulta que estas cosas apenas conforman una diminuta fracción del universo. El tipo de materia que consideramos normal —porque es el único tipo que conocemos— en realidad es bastante peculiar. De todo lo que existe en el universo —materia y energía—, este tipo de materia solo representa más o menos el 5 por ciento.

¿De qué está hecho el otro 95 por ciento del universo? No lo sabemos.

Si dibujáramos un gráfico circular del universo se vería más o menos así:

Ese gráfico parece bastante misterioso. Solo el 5 por ciento son las cosas que conocemos, incluyendo estrellas, planetas y todo lo que hay en ellos. El 27 por ciento es algo que llamamos «materia oscura». El otro 68 por ciento del universo es algo que apenas entendemos. Los físicos lo llamamos «energía oscura», y creemos que está provocando que el universo se expanda, pero es todo lo que sabemos sobre ella. En los capítulos que siguen explicaremos ambos conceptos y cómo llegamos a estas cifras exactas.

Y la cosa empeora. Incluso de ese 5 por ciento de cosas que conocemos hay mucho que no entendemos —¿recuerdas esas partículas extras?—. En algunos casos ni siquiera sabemos cuáles son las preguntas que hay que formular para revelar estos misterios.

Así que aquí estamos como especie. Hace apenas unos párrafos nos felicitábamos por las increíbles hazañas de exploración intelectual que nos permitieron describir toda la materia conocida en términos simples, y ahora eso parece un poco prematuro, porque la mayor parte del universo está hecha de otra cosa. Es como si lleváramos miles de años estudiando un elefante y de pronto descubriéramos que solo hemos estado viendo ¡su cola!

Tal vez te decepcione un poco saberlo. Quizá pensabas que habíamos alcanzado la cima de nuestra comprensión y dominio del universo —tenemos robots que limpian nuestras casas, por amor de Dios—. Pero aquí lo importante no es verlo como una decepción, sino como una increíble oportunidad: la de explorar, aprender y descubrir. ¿Qué pasaría si te dijeran que solo hemos explorado el 5 por ciento de la superficie de la Tierra? ¿O que solo has probado el 5 por ciento de todos los sabores de helado que existen en el mundo? El científico que hay en ti exigiría una explicación minuciosa —así como más cucharadas—, y sentiría una gran excitación ante la posibilidad de hacer nuevos descubrimientos.

Recuerda lo que pasaba en primaria, cuando estabas aprendiendo sobre las hazañas de los grandes exploradores de la historia. Navegaron hacia lo desconocido, descubrieron nuevas tierras y cartografiaron el planeta. Si eso te sonaba emocionante, quizá te entristezca un poco que ahora todos los continentes hayan sido descubiertos, y que todas las islitas ya tengan nombre, y que en esta época de satélites y GPS la era de la exploración parezca haber quedado atrás. La buena noticia es que no es así.

Hay muchísimo por explorar. De hecho, estamos en los primeros días de toda una nueva era de la exploración. Estamos entrando en una época que probablemente redefina nuestra comprensión del universo. Por un lado, sabemos que sabemos muy poco —el 5 por ciento, ¿recuerdas?—, así que tenemos algunas ideas sobre qué preguntas hacer. Y, por otro, estamos construyendo algunas herramientas asombrosas, como poderosísimos colisionadores de partículas y detectores de ondas gravitacionales y telescopios que nos ayudarán a obtener las respuestas. Todo esto está ocurriendo ahora mismo.

Lo más emocionante es que los grandes misterios científicos tienen respuestas rigurosas, solo que aún no las conocemos. Es posible que se resuelvan durante nuestras vidas. Por ejemplo, en este preciso instante o hay o no hay vida inteligente en algún otro punto del universo. La respuesta existe —Mulder[5] tenía razón: la verdad está ahí fuera—. Descubrirla cambiaría, a un nivel muy fundamental, la forma en la que pensamos sobre el mundo.

La historia de la ciencia está llena de revoluciones en las que descubrimos, una y otra vez, que nuestra visión del mundo estaba distorsionada por un enfoque particular. Una Tierra plana, un sistema solar geocéntrico, un universo dominado por estrellas y planetas…, todas eran ideas razonables si tienes en cuenta la información que teníamos en esas épocas, pero ahora nos parecen lastimosamente ingenuas. Es casi seguro que a la vuelta de la esquina hay más revoluciones, durante las cuales las ideas que aceptamos hoy, como la relatividad y la física cuántica, se harán añicos y serán reemplazadas con ideas nuevas y alucinantes. Seguramente dentro de doscientos años la gente pensará de nuestras ideas sobre cómo funciona el mundo lo mismo que nosotros pensamos de las ideas de los cavernícolas.

La odisea de la humanidad por entender nuestro universo está muy lejos de terminar, y tú puedes ser parte de ella. Te prometemos que el viaje va a ser más dulce que una porción de tarta.

[1]Esta última pregunta es el título de uno de los artículos filosóficos más citados de la historia, escrito por el filósofo estadounidense Thomas Nagel. Spoiler: la respuesta es: «Jamás lo sabremos».

[2]Sí, incluyendo esa vez en tercero de primaria cuando tu amigo lamió un lagarto.

[3]La ciencia en su forma moderna, con experimentos y datos y batas de laboratorio, solo tiene unos cuantos cientos de años, pero la historia de la reflexión sobre estos problemas tiene miles.

[4]Bueno, eso creemos. Nadie ha intentado hacer este experimento.

[5]El protagonista masculino de la serie Expediente X. (N. de la T.).

02

¿Qué es la materia oscura?

Estás nadando en ella

Aquí hay un gráfico de barras de la materia y la energía en el universo tal como lo conocemos:

Los físicos creen que un asombroso 27 por ciento de la materia y la energía en el universo conocido está hecho de algo llamado «materia oscura». Esto quiere decir que la mayor parte de la materia que hay en el universo no es del tipo que llevamos siglos estudiando. Hay cinco veces más de esta materia misteriosa que de la materia normal a la que estamos acostumbrados. De hecho, no es justo llamar «normal» a nuestra materia si en realidad es más bien escasa en el universo.

Entonces, ¿qué es esta materia oscura? ¿Es peligrosa? ¿Mancha la ropa? ¿Cómo sabemos que existe?

La materia oscura está en todos lados. Es más, probablemente estás nadando en ella ahora mismo. Su existencia se propuso en la década de 1920, y la tomaron en serio por primera vez en la de 1960, cuando los astrónomos notaron que había algo extraño en la forma en la que giran las galaxias y en lo que esto implicaba para la cantidad de masa que contienen.

Cómo sabemos que existe

la materia oscura

1. Galaxias giratorias

Para entender la relación entre la materia oscura y las galaxias que giran, imagínate un montón de pelotas de ping-pong en un tiovivo. Ahora ponlo a dar vueltas. Seguramente piensas que todas las pelotas de ping-pong saldrán disparadas del carrusel. Una galaxia que gira funciona casi igual.[6] Puesto que la galaxia gira, las estrellas que la forman tienden a salir disparadas. Lo único que las mantiene unidas es la fuerza de gravedad de toda la masa presente en la galaxia —la gravedad atrae las cosas con masa—. Cuanto más rápido giran las galaxias, más masa necesitas pa­ra mantener en su interior todas las estrellas. A la inversa, si conoces la masa de la galaxia puedes predecir cuán rápido puede girar.

Al principio, los astrónomos trataron de calcular la masa de las galaxias contando cuántas estrellas había en ellas. Pero cuando usaron esta cantidad para calcular qué tan rápido debían estar girando, algo no cuadraba. Las mediciones mostraban que las galaxias giraban más rápido de lo que podía predecirse mediante la cantidad de estrellas que contenían. En otras palabras, las estrellas tendrían que estar saliendo disparadas de las orillas de las galaxias, igual que las pelotas de ping-pong en el tiovivo. Para poder explicar la gran velocidad de rotación, en sus cálculos los astrónomos tenían que añadir a las galaxias una enorme cantidad de masa para que las estrellas se mantuvieran juntas. Pero no podían ver dónde estaba esta masa. Esta contradicción se resolvía al suponer que había una inmensa cantidad de cosas pesadas que eran invisibles, u «oscuras», en cada galaxia.

Era una afirmación bastante extraordinaria. Y como dijo una vez el gran astrónomo Carl Sagan: «Las afirmaciones extraordinarias requieren evidencias extraordinarias». Así que durante décadas la comunidad astronómica convivió con este extraño acertijo sin entenderlo. Conforme pasaron los años la existencia de estas misteriosas cosas pesadas —o materia oscura, como terminó por conocerse— fue aceptándose cada vez más.

2. Lentes gravitacionales

Otra pista importante que convenció a los científicos de que la materia oscura existe realmente fue la observación de que puede curvar la luz. Esto se llama lente gravitacional.

A veces los astrónomos miraban al cielo y detectaban algo extraño: veían la imagen de una galaxia que provenía de una dirección. Eso no tiene nada de raro, pero si movían un poquito el telescopio podían ver la imagen de otra galaxia muy parecida a la primera. La forma, el color y la luz que venían de estas galaxias eran tan parecidos que los astrónomos estaban seguros de que se trataba de la misma. Pero ¿cómo podía ocurrir esto? ¿Cómo puede aparecer la misma galaxia dos veces en el cielo?

Ver dos veces la misma galaxia es perfectamente posible si hay algo pesado —e invisible— que se interpone entre la galaxia y tú; este manchón pesado e invisible puede actuar como una lente gigante y desviar la luz de la galaxia para que parezca que viene de dos direcciones.

Imagina que la luz sale de la galaxia en todas direcciones. Ahora imagina dos partículas de luz, llamadas fotones, que vienen de esa galaxia, una hacia tu izquierda y la otra hacia tu derecha. Si hay algo pesado entre esta galaxia y tú, la gravedad de ese objeto deformará el espacio que lo rodea y provocará que ambas partículas de luz se dirijan hacia tu cuerpo.[7]

Lo que ves en tu telescopio terrestre son dos imágenes de la misma galaxia que vienen de diferentes direcciones del cielo. Este efecto se observó en cada rincón del cielo nocturno; esta cosa pesada e invisible parecía estar en todos lados. La materia oscura ya no era una idea loca. Dondequiera que mirásemos, encontrábamos pruebas de su existencia.

3. Colisiones de galaxias

La evidencia más convincente de que la materia oscura existe se obtuvo al observar una gigantesca colisión galáctica en el espacio. En un acontecimiento épico, dos cúmulos galácticos chocaron entre sí hace millones de años. Nos perdimos la colisión, pero como la luz de esas galaxias tarda millones de años en llegar hasta nosotros, podemos sentarnos cómodamente a ver las explosiones resultantes.

Cuando los dos cúmulos galácticos colisionaron, el gas y el polvo que contenían produjeron resultados espectaculares: ocurrieron enormes explosiones, se desgarraron gigantescas nubes de polvo. Fue un festival de efectos especiales. Si te ayuda, imagínate el choque de dos enormes montones de globos de agua que son arrojados unos contra otros a una velocidad delirante.

Pero los astrónomos notaron otra cosa. Cerca del lugar de la colisión había dos enormes cúmulos de materia oscura; por supuesto, esta materia oscura era invisible, pero podían detectarla de forma indirecta midiendo la desviación que los cúmulos provocaban en la luz de las galaxias tras ellos. Estos dos cúmulos de materia oscura parecían estarse moviendo a lo largo de la línea de colisión como si nada hubiera pasado.

Los astrónomos reconstruyeron el relato de lo que ocurrió: había dos cúmulos galácticos, cada uno con materia normal —básicamente gas y polvo, con algunas estrellas— y materia oscura. Cuando los cúmulos hicieron colisión, casi todo el gas y el polvo chocaron como uno espera que lo haga la materia normal. Pero ¿qué pasa cuando la materia oscura choca con otra materia oscura? ¡Nada que podamos detectar! Los cúmulos de materia oscura siguieron su camino y pasaron uno a través del otro, casi como si fueran invisibles entre sí. Las estrellas también pasaron unas junto a otras, porque estaban muy dispersas.

Esos enormes amasijos de materia, más grandes que muchas galaxias, se atravesaron sin más. La colisión básicamente despojó a las galaxias de todo su gas y su polvo.

Lo que sabemos sobre

la materia oscura

A estas alturas debe quedarte claro que la materia oscura existe y que es una cosa extraña y diferente de la materia a la que estamos acostumbrados. Esto es lo que sabemos sobre la materia oscura:

Tiene masa.

Es invisible.

Le gusta estar con las galaxias.

La materia normal no parece tocarla.

La otra materia oscura tampoco parece tocarla.[8]

Tiene un nombre genial.

Ya debes estar pensando: «Guau, me gustaría estar hecho de materia oscura. Sería un superhéroe increíble». ¿No? Bueno, tal vez solo seamos nosotros.

Una cosa que sabemos sobre la materia oscura es que no se esconde muy lejos. La materia oscura tiende a acumularse en enormes manchones que flotan en el espacio y que acompañan a las galaxias. Eso quiere decir que es muy probable que ahora mismo estés rodeado de materia oscura. Bien podría ser que mientras lees esta página haya materia oscura pasando entre el libro y tú. Pero si nos rodea, ¿por qué es tan misteriosa? ¿Por qué no podemos verla ni tocarla? ¿Cómo puede existir, pero ser imposible de ver?

Es muy difícil estudiar la materia oscura, porque no podemos interactuar gran cosa con ella. No podemos verla —por eso se llama «oscura»—, pero sabemos que tiene masa —por eso se llama «materia»—. Para explicar cómo es posible, primero tenemos que pensar cómo interactúa la materia normal.

Cómo interactúa la materia

La materia interactúa de cuatro formas principales:

Gravedad

Si dos cosas tienen masa sentirán una fuerza de atracción mutua.

Electromagnetismo

Esta es la fuerza que sienten dos partículas si tienen una carga eléctrica. Puede ser atractiva o repulsiva, dependiendo de si tienen la misma carga o cargas diferentes.

De hecho, sientes esta fuerza todos los días. Si empujas este libro la razón de que el papel no se rasgue y de que tu mano no atraviese el papel es que las moléculas que componen el libro se sujetan fuertemente entre sí mediante enlaces electromagnéticos y rechazan las moléculas de tu mano.

El electromagnetismo también es el responsable de que haya luz y, por supuesto, electricidad y magnetismo. Más adelante hablaremos sobre la luz y las profundas conexiones entre fuerzas y partículas.

Fuerza nuclear débil

Esta fuerza se parece mucho al electromagnetismo, pero es mucho mucho más débil. Por ejemplo, los neutrinos usan esta fuerza para interactuar —¡débilmente!— con otras partículas. Con energías muy altas, la fuerza débil se vuelve tan fuerte como el electromagnetismo, y se ha demostrado que es parte de una sola fuerza unificada llamada «electrodébil».

Fuerza nuclear fuerte

Es la fuerza que mantiene los protones y los neutrones juntos dentro del núcleo atómico. Sin ella todos los protones de carga positiva del núcleo se repelerían y se irían volando.

Cómo interactúa la

materia oscura

Es importante subrayar que esta lista de fuerzas solo es descriptiva. En ese sentido, la física a veces es como la botánica. No entendemos por qué existen estas fuerzas. Solo es una lista de las cosas que hemos observado; ni siquiera sabemos si está completa, pero hasta ahora podemos explicar todos los experimentos que se han hecho en física usando estas cuatro fuerzas.

Entonces, ¿por qué es tan oscura la materia oscura? Bueno, pues la materia oscura tiene masa, así que siente los efectos de la gravedad. Pero eso es casi todo lo que sabemos de cierto sobre sus interacciones. Creemos que no tiene interacciones electromagnéticas. Hasta donde sabemos, no refleja luz ni la emite, y es por eso que resulta tan difícil verla directamente. La materia oscura tampoco parece tener interacciones nucleares débiles o fuertes.

Así que, a menos que exista algún tipo de interacción que aún no hayamos descubierto, parece que la materia oscura no puede interactuar con nosotros, ni con nuestros telescopios o detectores, por medio de los mecanismos normales. Esto hace que sea muy difícil estudiarla.

De las cuatro formas fundamentales en las que sabemos que interactúan las cosas, la única que estamos seguros de que se puede aplicar a la materia oscura es la gravedad. De aquí viene la «materia» de la materia oscura. La materia oscura tiene sustancia. Tiene masa y, por lo tanto, siente la gravedad.

¿Cómo podemos estudiar

la materia oscura?

Esperamos haberte convencido de que la materia oscura existe. Definitivamente hay algo ahí fuera que evita que las estrellas salgan disparadas hacia el espacio, que desvía la luz de las galaxias y que se aleja de las gigantescas colisiones cósmicas igual que los héroes de acción se alejan de los coches que explotan, en cámara lenta… y sin mirar hacia atrás. La materia oscura es así de genial.

Pero la pregunta sigue en pie: ¿de qué está hecha la materia oscura? No podemos pretender que conocemos la respuesta a una pregunta aún mayor —de qué está hecho el universo— si solo estudiamos el 5 por ciento más fácil. No podemos ignorar el enorme 27 por ciento que representa la materia oscura. La respuesta corta es que aún no tenemos mucha idea de qué es la materia oscura. Sabemos que existe, cuánto hay y más o menos dónde está, pero no sabemos de qué clase de partículas está hecha, o incluso si está hecha de partículas. Recuerda que hay que tener cuidado al extrapolar a todo el universo lo que sabemos sobre un tipo de materia más bien infrecuente.[9] Es necesario mantener la mente abierta al tipo de descubrimientos que transforman la manera en que pensamos sobre el universo y nuestro lugar en él.

Para poder avanzar debemos estudiar algunas ideas específicas, explorar sus consecuencias y diseñar experimentos para probarlas. Es posible que la materia oscura esté hecha de elefantes bailarines morados conformados a partir de una extraña partícula nueva e indetectable, pero puesto que esa teoría es difícil de comprobar, no es una de las grandes prioridades de la ciencia.[10]

Una idea sencilla y concreta es que la materia oscura está hecha de un nuevo tipo de partícula que usa un nuevo tipo de fuerza para interactuar muy muy débilmente con la materia normal. ¿Por qué pensar en un solo tipo de partícula? Porque es la idea más sencilla, así que tiene sentido ocuparse primero de ella. Definitivamente es posible que la materia oscura esté hecha de varios tipos de partículas, como la materia normal; estas partículas oscuras podrían tener toda clase de interacciones interesantes, que darían origen a una química oscura y tal vez incluso a una biología oscura, una vida oscura y unos pavos oscuros —una idea aterradora—.

La candidata a partícula se conoce como WIMP, las siglas en inglés de weakly interacting massive particle —«partícula masiva débilmente interactiva», es decir, algo con masa que interactúa débilmente con la materia normal—.[11] Suponemos que podría usar una nueva fuerza hipotética para interactuar con nuestro tipo de materia más o menos con la intensidad con la que lo hacen los neutrinos, es decir, muy muy poca. Durante un tiempo hubo gente que consideró otras ideas, por ejemplo, que existían enormes esferas de materia normal del tamaño de Júpiter. Para distinguirlas de los WIMP las apodaron MACHO —massive astrophysical compact halo objects, «objetos astrofísicos masivos de halo compacto»—.

¿Cómo sabemos que las partículas de materia oscura interactúan con la materia normal mediante fuerzas distintas a la gravedad? No lo sabemos. Esperamos que sea el caso, porque eso las haría mucho más fáciles de detectar. Así que primero realizamos unos experimentos muy difíciles, y luego realizamos unos casi imposibles.

Los físicos han construido experimentos diseñados para detectar estas hipotéticas partículas de materia oscura. Una estrategia clásica es llenar un contenedor con un gas noble frío comprimido y rodear el contenedor con detectores que se activan cuando un átomo del gas es golpeado por materia oscura. Hasta ahora estos experimentos no han encontrado ninguna evidencia de materia oscura, pero apenas se están volviendo lo suficientemente grandes y sensibles como para que pueda esperarse que la detecten.

Otro enfoque es tratar de crear materia oscura usando un colisionador de partículas de alta energía, que acelera partículas normales —protones o electrones— a velocidades delirantes y las hace chocar entre sí. Esto de por sí es asombroso, pero además tiene la ventaja de que nos permite explorar el universo en busca de nuevas partículas. Y nos permite hacerlo porque puede convertir un tipo de materia en otros tipos. Cuando las partículas chocan entre sí, las partes que las conforman no solo se reacomodan en nuevas configuraciones; la vieja materia es aniquilada y surgen nuevas formas de materia. Es como alquimia —en serio— a nivel subatómico. Esto significa que, con algunas limitaciones, casi puedes hacer cualquier tipo de partícula que existe sin saber de antemano qué es lo que estás buscando. Los científicos están estudiando las colisiones en busca de evidencia de que algunas de ellas conducen a la creación de partículas de materia oscura.

Un tercer enfoque es apuntar nuestros telescopios hacia los lugares en los que creemos que hay altas concentraciones de materia oscura. El más cercano a nosotros está en el centro de la galaxia, y parece tener una gran concentración de materia oscura. La idea es que dos partículas de materia oscura podrían chocar al azar y aniquilarse entre sí. Si la materia oscura puede interactuar consigo misma de algún modo, las partículas de materia oscura que chocan podrían convertirse en partículas de materia normal, del mismo modo que dos partículas de materia normal pueden chocar para crear materia oscura.[12] Si esto ocurre con suficiente frecuencia, algunas de las partículas de materia normal resultantes tendrán una distribución de energía y una ubicación particulares que les permitirán a nuestros telescopios identificarlas como algo que probablemente tiene su origen en choques de materia oscura. Pero entender esto requiere que sepamos mucho sobre lo que ocurre en el centro de nuestra galaxia, que es un conjunto totalmente diferente de misterios.

Por qué nos interesa

esta materia

La materia oscura es un indicador muy importante de que, a pesar de todos nuestros descubrimientos y avances, aún estamos en la oscuridad en lo que se refiere a la naturaleza del universo. En términos de nuestra comprensión de las cosas nos encontramos al mismo nivel que los científicos de las cavernas Ook y Groog. La materia oscura ni siquiera aparece en nuestros actuales modelos físicos o matemáticos del universo. Hay una enorme cantidad de materia que nos atrae, y no sabemos qué es. No podemos decir que entendemos nuestro universo sin entender esta enorme fracción de él.

Ahora, antes de que te entre la paranoia de que hay una cosa rara, oscura y misteriosa que flota a tu alrededor, piensa en esto: ¿qué pasaría si la materia oscura fuera asombrosa?

La materia oscura está hecha de algo con lo que no tenemos ninguna experiencia directa. Es algo que no hemos visto antes, y puede comportarse de formas que no hemos imaginado.

Piensa en todas las increíbles posibilidades que existen.

¿Qué pasaría si la materia oscura estuviera hecha de algún nuevo tipo de partícula que podemos producir y aprovechar en los colisionadores de alta energía? ¿O si al descubrir qué es entendiéramos algo sobre las leyes de la física que no sabíamos, por ejemplo, una nueva interacción fundamental o una nueva forma en la que pueden funcionar las interacciones que existen? ¿Y qué tal si este descubrimiento nos permitiera manipular la materia ordinaria de nuevas maneras?

Imagínate que llevas toda la vida jugando un juego y de pronto te das cuenta de que hay reglas especiales o nuevas piezas especiales que podrías usar. ¿Qué conocimientos o qué tecnología increíbles podrían revelarse cuando descubramos qué es la materia oscura y cómo funciona?

No podemos quedarnos para siempre en la oscuridad. Que sea oscura no quiere decir que no sea materia de nuestro interés.

[6]Si bien las galaxias tienden a ser ligeramente más grandes que los tiovivos.

[7]La curvatura de la luz a causa de la gravedad fue algo que propuso y más adelante demostró Albert Einstein. Dicen que era un tipo bastante listo.

[8]Es posible que la materia oscura pueda sentirse ligeramente a sí misma mediante alguna nueva fuerza desconocida.

[9]Si hoy te comiste un sándwich de queso para almorzar, no quiere decir que todos los almuerzos consistan en sándwiches de queso.

[10]En el momento de escribir estas líneas, la financiación de la ciencia aún es impredecible.

[11]La palabra wimp significa «débil» o «cobarde» en inglés. (N. de la T.).

[12]Si dos partículas de materia normal pueden convertirse en dos partículas de materia oscura, el proceso también puede ocurrir a la inversa: dos partículas de materia oscura podrían convertirse en dos partículas de materia normal.

03

¿Qué es la energía oscura?

Donde nuestro universo en expansión

hace que se expanda tu mente

Quizá todavía te estés reponiendo de la revelación de que todo lo que creías que sabías sobre el universo apenas alcanzaría para responder al 5 por ciento de las preguntas en un examen aplicado por una especie de inteligentes viajeros estelares extraterrestres. Aceptémoslo: tus probabilidades de entrar en una universidad alienígena son bastante bajas.[13] Para recapitular lo que sabe la especie humana, aquí tienes un gráfico de columnas que muestra el universo —disculpa, se nos están acabando los tipos de gráficos—:

Imagínate que siempre has creído que vivías en una casa muy grande y fantástica, y que allí se encontraba todo lo que suponías que existía. Un día descubres que en realidad solo son los cinco pisos inferiores de un edificio de departamentos de lujo de cien pisos. De pronto tu situación inmobiliaria se vuelve más complicada. Veintisiete de esos otros pisos le pertenecen a algo pesado e invisible que llamamos materia oscura. Pueden ser unos vecinos agradables o unos medio raros. Por alguna razón, te evitan en los pasillos.

El resto de los sesenta y ocho pisos son un completo misterio. Este 68 por ciento restante del universo es lo que los físicos llaman «energía oscura». Es la porción más grande de la realidad, y casi no tenemos ni idea de qué es.

Quizá te preguntes, en primer lugar, por qué se llama energía oscura. La verdad, podríamos haberla llamado de cualquier modo.[14] ¿Por qué de cualquier modo? Porque no sabemos casi nada sobre ella, excepto que provoca que el universo se expanda a gran velocidad.

Tu segunda pregunta puede ser: ¿y cómo sabemos que existe? Y la respuesta es: por casualidad. Fue una sorpresa para los científicos, que de hecho procuraban responder una pregunta distinta: trataban de medir la velocidad a la que se estaba desacelerando la expansión del universo, y en cambio se toparon con el hecho de que no se estaba desacelerando para nada, sino que se estaba expandiendo cada vez más rápido. Es hora de subir las escaleras y descubrir qué hay en estos misteriosos pisos superiores.

Nuestro universo en expansión

Para entender lo asombroso y lo delirante que es que dos terceras partes del presupuesto energético del universo hayan sido descubiertas mientras se buscaba una cosa diferente, tenemos que empezar por contar la pregunta que llevó a este descubrimiento:

¿Nuestro universo tiene un principio o siempre ha existido en su forma actual?

Tal vez suene como una pregunta sencilla, pero en realidad es bastante profunda. Hace apenas cien años los científicos más sensatos pensaban que era obvio que el universo llevaba toda la eternidad siendo como es, y continuaría así para siempre. A casi nadie se le había ocurrido que el universo estaba cambiando. Para ellos, todas las estrellas y los planetas existían en un estado perpetuo de movimiento suspendido, como un móvil colgado del techo de un cuarto, lleno de relojes que nunca se detienen.

Pero un día los astrónomos empezaron a darse cuenta de algo extraño. Midieron la luz de las estrellas y las galaxias que nos rodean y llegaron a la conclusión de que todo está alejándose de todo lo demás. El universo no estaba ahí sentado…, estaba expandiéndose.

Y si el universo siempre se ha expandido quiere decir que es más grande de lo que solía ser. Y si sigues este razonamiento y te remontas en el tiempo, puedes imaginar que en algún momento el universo fue muy pequeño.

Muchos físicos pensaron que esto era ridículo, y para burlarse llamaron esta teoría el «Big Bang» —la gran explosión—. Si estuvieran vivos hoy, seguramente elevarían los dedos, pondrían los ojos en blanco y harían unas comillas en el aire cada vez que lo dijeran. Era un término que buscaba avergonzar a quienes propusieron la idea, pero por alguna razón cuajó. Cuando los físicos empiezan a ponerse sarcásticos quiere decir que hay algo que está cambiando por completo nuestra comprensión del universo.

Así que en 1931 los astrónomos descubrieron que el universo estaba en expansión, lo que significaba que posiblemente estaba creciendo a partir de un punto inicial muy muy denso.[15] —Nótese que este punto no estaba flotando en algún espacio mayor: era todo el espacio. En el capítulo 7 hay más sobre esta loca forma de pensar sobre el espacio—. Todavía existían algunas teorías de un universo no Big Bang que eran consistentes con la expansión recién descubierta, pero requerían que se creara nueva materia constantemente para conservar la densidad actual del universo.

Si el universo tuvo un principio, uno se pregunta de inmediato si tendrá un fin. ¿Qué podría provocar la desaparición de este enorme, majestuoso y extrañísimo lugar? Y, lo que es más importante, ¿tendrás tiempo para terminar esa novela que llevas escribiendo desde siempre?

¿Qué podría provocar que el universo llegara a su fin? La respuesta es: nuestra amiga la gravedad.

Recuerda que si bien todo lo que conforma el universo emana de la explosión cósmica del Big Bang, la gravedad trabaja en sentido contrario. Cada pedacito de materia en el universo siente la gravedad, que hace lo que puede por volver a reunir todo en el universo. ¿Qué implica esto para el destino del universo? La gente tenía distintas ideas:

Aquí viene la parte increíble. La respuesta, de hecho, es ¡ninguna de las anteriores! La verdad, por más extraña que parezca, es una cuarta opción secreta que solo consideraron unos pocos científicos —porque era muy loca—:

Hay una fuerza increíblemente poderosa y misteriosa que hace que se expanda el espacio mismo, así que el universo está creciendo cada vez más rápido.

Esta cuarta opción es la única consistente con lo que observamos sobre nuestro universo.

Cómo sabemos que

el universo se expande

Esta pregunta sobre el destino del universo parece ser muy importante, pero relájate. El futuro del que hablamos está a miles y miles de millones de años, sin importar lo que pase. Tienes tiempo de terminar de escribir tu best seller y hasta de publicar la secuela. Pero este tema es importante para nosotros porque cuando hallamos respuestas a grandes preguntas como estas, también entendemos más sobre el funcionamiento de nuestro universo. A veces, al hacer estas preguntas aprendemos algo sorprendente que puede afectar nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, ¿te gusta el GPS de tu teléfono? Si tenemos un sistema preciso de GPS es porque Einstein hacía preguntas sobre lo que ocurre cuando las cosas se mueven a la velocidad de la luz, lo que no ocurre con frecuencia aquí en la Tierra, pero esto condujo al desarrollo de la relatividad, sin la cual el GPS no sería preciso.

Para predecir el fin del universo, los científicos deben saber cuán rápido está expandiéndose. Lo hicieron midiendo la velocidad con la cual se alejan de nosotros las galaxias que nos rodean.

Para empezar, debes entender que en un universo en expansión todo se aleja de todo lo demás, no solo del centro. Imagínate que somos una pasa en una hogaza de pan de pasas del tamaño del universo. Cuando el pan se cuece y crece, todas las pasas se alejan de todas las demás, pero siguen siendo del mismo tamaño.

Pero para conocer el futuro del universo queremos saber si esta expansión está cambiando: ¿se alejan las galaxias de nosotros más despacio que hace unos miles de millones de años? ¿O se alejan de nosotros más rápido que hace unos miles de millones de años? Lo que queremos saber es cómo cambia la tasa de expansión en el tiempo. Para entenderla debemos saber cómo de rápido se alejaban las cosas de nosotros en el pasado y compararlo con lo rápidamente que se alejan ahora.

Es muy difícil ver el futuro, pero para los astrónomos es fácil ver el pasado. Puesto que el universo es tan grande y la luz tiene una velocidad finita, la luz que proviene de objetos lejanos tarda mucho tiempo en llegar a la Tierra. Esto quiere decir que la luz de las estrellas muy lejanas es una luz muy vieja, y la información que trae consigo también lo es. Observar esta luz es como ver el pasado.

Y también funciona en la otra dirección. Si los extraterrestres que viven en un planeta muy lejano miran hacia la Tierra con sus telescopios verán la luz que abandonó nuestro planeta hace mucho tiempo. Ahora mismo podrían estar observando ese incidente tan vergonzoso que te ocurrió hace años —tú sabes muy bien cuál—.

Así, cuanto más lejos esté un objeto, más vieja es la luz que observamos, y más atrás en el tiempo podemos ver. Esto quiere decir que si vemos objetos lejanos que se mueven a una velocidad, y luego vemos objetos más cercanos moviéndose a otra velocidad, podemos deducir que la velocidad de las cosas ha cambiado con el tiempo. Podemos medir la velocidad de una estrella lejana mediante el cambio en el espectro de frecuencia de su luz usando la misma técnica —el efecto Doppler— que la policía usa para ponerte multas. Cuanto más rápido se aleja una estrella de nosotros, más roja será su luz.

Saber cuán lejos están las cosas es indispensable para cienciar[16] correctamente. Por ejemplo, ¿cómo puedes saber la diferencia entre una estrella tenue que está cerca y una estrella brillante que está lejos? Por el telescopio se ven iguales: débiles puntitos de luz en la noche. Esto era así hasta que los científicos identificaron un tipo especial de estrella, una que hacía lo mismo en cualquier parte del universo de forma muy predecible. Gracias a su tamaño y composición estas estrellas especiales crecen a la misma velocidad, y cuando alcanzan cierto tamaño siempre hacen lo mismo: estallan. O, para ser más precisos, implosionan, pero la implosión es tan violenta que genera una explosión proporcionalmente grande.[17] Este tipo de explosión se conoce como supernova Ia. Lo útil de las supernovas es que, en términos generales, todas explotan de manera similar. Es decir que, con un poco de calibración, al ver una tenue sabes que está muy lejos, y si ves una brillante sabes que está cerca. Es como si el universo hubiera puesto faros idénticos en todos lados para que sepamos lo inmenso y maravilloso que es —el universo es misterioso pero no humilde—.

Los astrónomos llaman a este tipo de supernovas las «velas estándar» —son unos románticos—. Con ellas pudieron determinar lo lejos que están —y por lo tanto, lo viejos que son— los objetos lejanos, y usando el desplazamiento Doppler consiguieron saber a qué velocidad se mueven. Así, los astrónomos pudieron medir cómo estaba cambiando la expansión del universo.

Poco después de descubrir esto, dos equipos de científicos se enzarzaron en una carrera para medir la tasa de expansión del universo. Pero encontrar supernovas no es fácil, porque son explosiones que duran poco. Para atrapar una tienes que vigilar constantemente las estrellas en el cielo y encontrar las que de pronto se vuelven mucho más brillantes y luego más tenues, así que fue necesario un tiempo.

Los dos equipos suponían que la expansión del universo o bien iba frenándose o permanecía estable. Es una suposición muy razonable. Si el universo explotó, y la gravedad está tratando de volver a juntar todo, solo hay dos opciones: o la gravedad gana y las cosas vuelven a reunirse, o pierde y todo sigue expandiéndose de manera constante.

Cuando los científicos midieron estas supernovas y calcularon el ritmo al que se estaba expandiendo el universo, esperaban que ganara la gravedad. Es decir, esperaban encontrar que más estrellas lejanas —las del pasado más distante— se alejaban más rápidamente que las estrellas cercanas —las más cercanas al presente—. Sin embargo, se quedaron pasmados al descubrir lo opuesto: las estrellas parecen alejarse de nosotros más rápidamente hoy que en el pasado. En otras palabras, ahora el universo se está expandiendo más rápido que antes.

Tomémonos un momento para considerar lo inesperado que fue este resultado. En la cabeza de los astrónomos había dos cosas: un universo que explotó hace mucho tiempo y la gravedad, que trata de volver a juntar todo. En cambio, resulta que hay una tercera pieza, y que es fundamental: el tamaño del espacio mismo. Como discutiremos hasta con los detalles más escabrosos en el capítulo 7, el espacio no es un telón de fondo, vacío y estático, sobre el que se interpreta el teatro del universo. Es una cosa física que puede deformarse —en presencia de objetos masivos—, rizarse —se llaman ondas gravitacionales— o expandirse. Y parece estarse expandiendo, y rápido. El espacio está aumentando su tamaño a toda velocidad. Algo está creando más espacio al empujar hacia fuera todo lo que existe en el universo.

Hay que subrayar que los resultados mostraron que al principio las cosas sí se iban desacelerando, pero durante los últimos cinco mil millones de años algo ha estado alejando más y más rápido los restos del universo que explotó.

Esta fuerza propulsora que está haciendo crecer el universo a una velocidad cada vez mayor es lo que los físicos llaman energía oscura. No podemos verla —por eso es «oscura»— y está separándolo todo —así que la llaman «energía»—. Y es una fuerza tan descomunal que se calcula que representa el 68 por ciento de la masa y la energía del universo.