HISTORIA DEL TIEMPO

 

Capítulo 1:  Nuestra imagen del universo    La tradición Aristotélica afirmaba que...        Si se observa el cielo en una noche clara y sin luna...        El éxito de las teorías científicas...       Por lo tanto la mecánica quántica...       Extraordinario, una sugerencia bastante común ...       El 14 de noviembre de 1970...       Las leyes de la física no distinguen entre el pasado y el futuro                         A lo largo de toda la Historia, el hombre se ha hecho preguntas sobre nuestro mundo y todo lo que rodea, llegando, aunque no siempre, a encontrar la respuesta. En el 340 a.C., Aristóteles en su obra De los Cielos, ya explicó sus argumentos para pensar que la Tierra era redonda en vez de plana. Pensó que era una esfera redonda, ya que la sombra que hacía sobre la Luna era redonda y no elíptica y alargada; y también porque la estrella Polar se observaba en diferentes posiciones si se estaba en el Polo Norte o en el Sur. En lo que se equivocó fue en que la Tierra era estacionaria, y el Sol, Luna, planetas y estrellas giraban a su alrededor. Ptolomeo en el siglo II d.C., aceptó la misma idea y la amplió. Aunque tuvo una gran contradicción al predecir las posiciones de cuerpos celestes, fue aceptada por la Iglesia ya que esta teoría geocéntrica estaba de acuerdo con lo que se decía en las Escrituras. Con Copérnico, en 1514, se introdujo la teoría heliocéntrica, por la que el Sol está en el centro y los planetas giran entorno a él. Un siglo después, Kepler y Galileo Galilei, apoyaron su teoría e incluso Kepler dijo que las órbitas de los planetas eran elípticas. En 1687, Isaac Newton publicó Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, donde explica como se mueven los cuerpos en el espacio y tiempo, con su matemática correspondiente; también expone la ley de la gravitación universal: "cada cuerpo en el universo es atraído por cualquier otro cuerpo con una fuerza que es tanto mayor cuanto más masivos sean los cuerpos y cuanto más cerca estén el uno del otro". Con esta ley, se explicó porqué los objetos caen y porqué los planetas tienen órbitas elípticas alrededor del Sol, y la Luna alrededor de la Tierra. Newton pensó según su teoría, que las estrellas al atraerse unas a otras, llegarían a aglutinarse en un punto; a no ser que éstas fueran infinitas en una región infinita de espacio, ya que en este caso no existiría un punto central de aglutinamiento. Lo correcto, sabemos hoy en día, es considerada una situación finita donde tienden a aglutinarse, e ir añadiendo más estrellas fuera de la región, viendo que no existe ningún cambio en las primeras, con lo que el universo no puede ser estático e infinito y con gravedad siempre atractiva. A pesar de conocer la ley de Newton, no se llegó a creer que el universo se expandiera o se contrajera. Pero esta teoría de que el universo es estático, fue rebatida por muchos después de Newton; por ejemplo, en 1823, Heinrich Olbers, demostró que esto no era posible, ya que sino todo el cielo nocturno debería ser tan brillante como la superficie del Sol, porque las estrellas habrían iluminado siempre. Ya desde la época de los filósofos griegos, en concreto de Aristóteles, se discutía sobre el principio del universo. Éstos pensaban que incluso la raza humana, había existido y existiría siempre. Sin embargo, San Agustín (La ciudad de Dios) opinaba que había sido creado en un momento de un pasado no muy lejano. Posteriormente, en 1781, Kant propuso sus cuestiones antinomias, en las que decía que era tan convincente creer que el universo tenía un principio como que había existido siempre. En cualquier caso habría habido un período de tiempo infinito anterior a cualquier hecho. En 1929, Edwin Hubble, con sus estudios, nos hizo ver que el universo se está expandiendo, por lo que en algún momento los objetos estaban más cerca; hasta estar en el mismo punto, llegando a la conclusión de que hubo un principio, el BIG BANG, con un universo infinitésimamente pequeño e infinitamente denso. Esta idea no tiene porque excluir la idea de un creador. ¿Qué es una teoría científica? Una teoría es buena si tiene estas características: - Describir con precisión un amplio conjunto de observaciones sobre la base de un modelo que contenga sólo unos pocos parámetros arbitrarios. - Ser capaz de predecir positivamente los resultados de observaciones futuras. Una teoría física, es una hipótesis, no se puede probar. Si encontramos una observación que la contradiga, podemos rechazar la teoría o modificarla. Lo que pretende la ciencia es encontrar una teoría que describa todo el universo, aunque algunos opinan que no hay que estudiar el estado inicial, porque Dios lo creó como quiso. Esto es muy complicado (crear una teoría general), por lo que se optó por inventar teorías parciales. Hoy en día el estudio del universo se divide en dos teorías parciales; que no pueden ser correctas a la vez: - Relatividad general: basada en la fuerza de la gravedad, y en la estructura a gran escala del universo (hasta un billón de billones). - Mecánica cuántica: estructuras a escalas muy pequeñas (una billonésima de centímetro). El objetivo de la física es buscar una nueva teoría; la teoría cuántica de la gravedad.                             Capítulo 2: Espacio y tiempo La opinión de Aristóteles sobre el movimiento consistía en que el estado natural de un cuerpo era el reposo, y que se movía si lo empujaba una fuerza o impulso; por lo que cuanto más pesado era un cuerpo, más rápido caía. Esta idea se mantuvo sin discusión hasta que llegó Galileo Galilei y la negó, después de experimentar en un plano inclinado. Llegó a la conclusión de que la masa no influía, sino que la velocidad dependía de la resistencia que pone el aire en la bajada. Estas ideas de Galileo, le sirvieron a Newton para formular sus leyes del movimiento: a) Primera ley de Newton: si no actúa ninguna fuerza sobre un cuerpo, éste se mantiene moviéndose en una línea recta con la misma velocidad. b) Segunda ley de Newton: un cuerpo se acelera a un ritmo proporcional a la fuerza, y la aceleración disminuirá al aumentar la masa del cuerpo. * También descubrió la ley de la gravedad: "todo cuerpo atrae a los demás con una fuerza proporcional a la masa de cada uno de ellos; por lo que la aceleración en la caída es igual para todos los cuerpos. También dice que cuanto más separados estén los cuerpos, menor será la fuerza gravitatoria entre ellos. La gran diferencia que hay entre Newton y Aristóteles, es que este último creía que en un estado de reposo; que en realidad no existe, ya que no hay un estándar absoluto. Pero ambos creían en el tiempo absoluto, y que éste estaba separado del espacio. Hoy en día, sabemos que esto no es cierto, porque no se cumple cuando hablamos de velocidades como la de la luz, descubierta en 1676 por Ole Christensen Roemer. En 1865, Maxwell unificó las reorías de la fuerza de la electricidad y el magnetismo. Predijo que existían unas ondas de campo electromagnético combinado, que tenían una velocidad constante. Dependiendo de su longitud de onda, serían: ondas de radio (un metro o más), microondas (unos pocos centímetros), infrarrojas (más de una diezmilésima de centímetro), radiación ultravioleta, rayos X, rayos gamma. Según Maxwell, las ondas de radio y las luminosas viajarían con una velocidad fija determinada. Se sabía que la luz tenía una velocidad finita, y en el caso de que fuera fija, tenía que serlo respecto a un sistema de referencia. Por ello, se escogió una sustancia, el "éter", que estaba presente incluso en el espacio vacío. En 1887, Albert Michelson y Edward Morley, compararon la velocidad de la luz en la dirección del movimiento de la Tierra; con la velocidad de la luz en dirección perpendicular a dicho movimiento. Supuestamente, tendría que ser mayor la primera, pero en sus cálculos encontraron que ambas velocidades eran iguales. En 1905, llegó Albert Einstein con su teoría de la relatividad, revolucionando la física. Lo que nos quiere decir con su teoría, es que las leyes de la ciencia deben ser las mismas para todos los observadores en movimiento libre, independientemente de su velocidad. De esta idea, sacó su famosa ecuación: E= mc2 (E - energía, m – masa, c – velocidad de la luz). Por esta ecuación, sabemos que ningún objeto puede viajar a la velocidad de la luz, ni mayor. Esta nueva teoría, acabó con la idea de tiempo absoluto de Newton; ya que ahora ambos, espacio y tiempo, eran relativos. Con la teoría de la relatividad, tampoco es preciso introducir la idea de un éter, ya que tampoco se detecta; y debemos aceptar la idea del objeto espacio – tiempo, ya que ambos no son tan independientes. Sabemos que la posición en el espacio de un punto se determina por tres coordenadas. Un suceso es algo que ocurre en un punto particular del espacio y en un instante específico de tiempo; por lo que en este caso se utilizan cuatro coordenadas. Estas cuatro coordenadas originan un espacio cuadridimensional, que es imposible de imaginar, por lo que se dibujan diagramas bidimensionales, en los que interviene el tiempo, y una de las dimensiones espaciales; las otras dos se ignoran o se ponen en perspectiva. Cuando la luz se expande desde un suceso, forma un cono tridimensional en el espacio – tiempo cuadridimensional. Este cono se llama cono de luz futuro del suceso. También puede aparecer el cono de luz pasado, que es el conjunto de sucesos desde los que un pulso de luz es capaz de alcanzar el suceso dado. Estos conos de luz de suceso P, dividen al espacio – tiempo en regiones: 1) Región interna del cono de luz futuro de P: futuro absoluto (sucesos que pueden ser afectados por lo que sucede en P). 2) Región interna del cono de luz pasado: pasado absoluto (sucesos que pueden afectar a lo que sucede en P). 3) Región del espacio – tiempo fuera de los conos de luz: resto (estos sucesos no pueden ni afectar ni ser afectados por los sucesos de P). Esta idea de los conos de luz, nos indica que lo que nosotros vemos cuando miramos al universo,es en realidad su pasado. Einstein y Poincaré ignoraron los efectos gravitatorios, llegando a la teoría de la relatividad especial, con la que se puede construir un cono de luz para cada suceso en el espacio – tiempo, y serán todos iguales en la misma dirección. Todo objeto se representa como una línea que cae en el cono de luz, ya que nada puede viajar a mayor velocidad que la luz. Pero con esta teoría, no se podían explicar los efectos gravitatorios, ya que éstos viajarían con velocidad infinita, y no cuadraba con la teoría. Por ello, Einstein, después de muchos estudios, propuso la teoría de la relatividad general. Dijo que la gravedad es una consecuencia de que el espacio – tiempo no sea plano. Los cuerpos no se mueven en órbitas curvas por la fuerza de la gravedad, sino que siguen una trayectoria más o menos recta en el espacio curvo; una geodésica. Esta idea, concuerda con las órbitas de los planetas. También nos indica que los rayos de luz no viajan en líneas rectas en el espacio, sino que es desviada, cambiando la posición, por ejemplo de las estrellas cercanas al Sol. También la teoría de la relatividad general predijo que el tiempo transcurre más lentamente cerca de un cuerpo de gran masa, debido a la relación entre la energía de la luz y su frecuencia (cuanta más energía, más frecuencia).En la relatividad general, el espacio y el tiempo afectan, y son afectados por lo que sucede en el universo, en contra de lo que se pensaba en las teorías anteriores. Este concepto, implicaba que el universo tuvo un principio y posiblemente tendrá un final. Capítulo 3: El universo en expansión La mayoría de las estrellas que vemos en nuestro cielo concentradas en una banda, las llamamos Vía Láctea. Estas estrellas se encuentran a varios años luz de nosotros. Esta Vía Láctea, es una galaxia supuesta espiral, pero no es la única, sino que Edwin Hubble demostró que existían muchas otras con espacio vacío entre ellas.

Para clasificar a las estrellas, sólo lo podemos hacer por el color de su luz, ya que no apreciamos ni la forma ni el tamaño, debido a la gran distancia que nos separa. Para ello, se utilizó el método de Newton para observar el ESPECTRO de una luz al pasar por un prisma. También, gracias a este método, podemos averiguar la temperatura y los elementos de la atmósfera de la estrella, por los colores que adopta el espectro. Las estrellas de otras galaxias tenían los mismos conjuntos característicos de colores ausentes que las de la nuestra, aunque desplazados en la misma cantidad relativa hacia el extremo del espectro correspondiente al color rojo. Esto se explica por el efecto Doppler; cuanto más se estén alejando de nosotros las estrellas, más tendrán su espectro desplazado hacia el extremo rojo; y cuanto más se acerquen, más estarán desplazados al extremo azul; debido a la frecuencia de la luz.   En 1929, el mismo Hubble, después de seguir experimentando con los espectros, llegó a la conclusión de que la mayoría de las galaxias se alejaban de nosotros (corrimiento hacia el rojo), y que además lo hacían de una forma proporcional a la distancia que nos separa de ellas. Esta idea revolucionó la física, ya que implicaba que el universo se expande y aumenta. Si el universo se expande lentamente, la fuerza de la gravedad lo frenaría, y comenzaría a contraerse; pero si se expande con una velocidad mayor a un valor crítico, la gravedad no lo pararía y seguiría expandiéndose por siempre. Ni Newton, ni Einstein se dieron cuenta de esto; incluso Einstein introdujo una fuerza "antigravitatoria" en sus ecuaciones para demostrar que el universo era estático. Mientras Einstein continuaba con su idea de un universo estático, Friedmann en 1922 predijo la idea de Hubble con sus suposiciones: "El universo parece el mismo desde cualquier dirección desde que se le observe, y desde cualquier otro lugar que se le observe". Estas suposiciones se confirmaban en 1965 con Penzias y Wilson mientras realizaban un experimento con un microondas. Por la misma época, Dicke y Peebles, siguiendo la idea de Gamow, (el universo en un principio fue muy caliente y denso, acabando blanco e incandescente), supusieron que deberíamos ver el resplandor del inicio desplazada hacia el rojo como radiación de microondas. Esto era lo que habían descubierto Penzias y Wilson y por lo que se llevaron el Nobel en 1978. La suposición de Friedmann de que el universo parece el mismo en cualquier dirección desde la que lo miremos, nos hace creer que somos el centro del universo, o lo más probable, que es igual en todas las direcciones. Existen tres tipos de modelo que obedecen a las suposiciones de Friedmann. En el primero, el universo se expande lentamente, y la atracción gravitatoria frena y detiene la expansión; las galaxias se acercan y el universo se contrae. En el segundo, la atracción gravitatoria no consigue detener la expansión, sólo frenarla un poco. Y en el tercero, el universo se expande con una velocidad justa para no colapsarse, pero sin llegar a ser nula. En el primer tipo de modelo, el espacio es finito; al contrario que en los otros dos, que es infinito. Sabemos que nuestro universo se está expandiendo, y que debe contener gran cantidad de "materia oscura"; y también es probable que exista alguna otra forma de materia desconocida por nosotros que sea capaz de detener la expansión. Por tanto, por los datos que hoy tenemos, se supone que el universo seguirá expandiéndose por siempre, y que si se colapsa algún día, será dentro de miles de millones de años. Todas las soluciones de Friedmann, opinan que en un pasado, la distancia entre galaxias fue cero; en el big bang, teniendo el universo densidad y curvatura del espacio – tiempo, infinitas. Como no se pueden manejar números infinitos realmente, la teoría de la relatividad general predice un punto en el universo donde la teoría se colapsa. Este punto será una singularidad.Se dijo que el tiempo empezaba en el big bang, ya que lo que sucedió anteriormente no influye. Pero esta idea no gustó mucho, y por ello Bondi, Gold y Hoyle, propusieron en 1948 la teoría del estado estacionario (mientras las galaxias se alejaban, nuevas galaxias se formaban); pero después de muchas investigaciones, esta teoría quedó abandonada. Lifshitz y Khalatnikov tampoco estaban de acuerdo con la idea del big bang y del principio del tiempo, así que argumentaron que las galaxias también tienen velocidades laterales, por lo que no tuvieron porque estar totalmente juntas, sino simplemente muy cercanas. Después de sus estudios, ellos mismos rechazaron su teoría. En 1965, Penrose, demostró que una estrella que se colapsa en su propia gravedad, queda atrapada en una región cuya superficie se reduce a tamaño y volumen cero con el tiempo; siendo su densidad y curvatura espacio – tiempo infinitas; esto será una singularidad llamada agujero negro.Utilizado este teorema, Hawking dedujo que si invertimos el tiempo, cualquier universo en expansión, del tipo de Friedmann, comenzó en una singularidad. Ya en 1970, entre Hawking y Penrose, llegaron a la conclusión de que debió haber una singularidad como el big bang, si la teoría de la relatividad general era correcta y si el universo tuviera tanta materia como vemos. Capítulo 4: El principio de incertidumbre A principios del siglo XIX, Laplace dijo que el universo era determinista (se podía predecir todo lo que sucediera en el universo al conocer unas leyes científicas). Esta idea comenzó a ser rechazada después de los estudios de lord Rayleigh y sir James Jeans, en los que sugirieron que un cuerpo caliente debería irradiar energía a un ritmo infinito; y esto iba en contra de lo que se pensaba en la época. Planck, en 1900, para evitar el resultado anterior (infinito), creó los "CUANTOS". Cada cuanto posee una cantidad de energía (cuanta más alta la frecuencia de ondas, más energía). En 1926, Heisenberg, formuló su principio de incertidumbre, que dice que cuanto con mayor precisión se trate de medir la posición de la partícula, con menor exactitud se podrá medir su velocidad. A partir de sus estudios relacionados con este principio, introdujo la constante de Planck. En 1920, Heisenberg, Schrödinger y Dirac, formularon la teoría llamada la mecánica cuántica, en la que las partículas están en un estado cuántico (combinación de posición y velocidad). La mecánica cuántica, predice un número de resultados posibles con sus probabilidades, existiendo una incapacidad de predicción. La mayoría de los científicos aceptaron esta teoría, hoy en día la base de nuestra tecnología; a excepción de Einstein, que llegó a decir: "Dios no juega a los dados". En la mecánica cuántica, al hablar de las ondas y partículas de la luz, a veces se piensa en las partículas como ondas, y otras en las ondas como partículas; observándose el fenómeno de interferencia entre dos conjuntos de ondas o partículas. Este fenómeno de interferencia, nos ha servido para comprender la estructura de los átomos.

 

Al principio se pensaba que los electrones cargados negativamente, giraban entorno al núcleo cargado positivamente, pero lo que sucedería era que los electrones perderían su energía y caerían en espiral al núcleo. Entonces, Bohr en 1913, propuso que los electrones sólo podían girar a ciertas distancias del núcleo, y que sólo uno o dos electrones pudieran orbitar a cada una de esas distancias. Esto explicó la estructura del átomo de hidrógeno, que es muy sencilla; pero no de otros más complicados. La mecánica cuántica resolvió este problema: un electrón girando alrededor del núcleo, podría imaginarse como una onda, con una longitud de onda que dependía de su velocidad. Hay algunas órbitas, cuya longitud de onda del electrón es un número entero, cuyas crestas de las ondas estarían en la misma posición en cada giro; sumándose las ondas. En aquellas órbitas cuya longitud de onda no es un número entero, cada cresta sería cancelada por un valle; no estando permitidas las órbitas cuando el electrón pasara de nuevo. Según Feynman, la partícula sigue varios caminos posibles en el espacio – tiempo; no sólo uno.

MODELO DE BOHR

 

En 1929, el mismo Hubble, después de seguir experimentando con los espectros, llegó a la conclusión de que la mayoría de las galaxias se alejaban de nosotros (corrimiento hacia el rojo), y que además lo hacían de una forma proporcional a la distancia que nos separa de ellas. Esta idea revolucionó la física, ya que implicaba que el universo se expande y aumenta. Si el universo se expande lentamente, la fuerza de la gravedad lo frenaría, y comenzaría a contraerse; pero si se expande con una velocidad mayor a un valor crítico, la gravedad no lo pararía y seguiría expandiéndose por siempre. Ni Newton, ni Einstein se dieron cuenta de esto; incluso Einstein introdujo una fuerza "antigravitatoria" en sus ecuaciones para demostrar que el universo era estático. Mientras Einstein continuaba con su idea de un universo estático, Friedmann en 1922 predijo la idea de Hubble con sus suposiciones: "El universo parece el mismo desde cualquier dirección desde que se le observe, y desde cualquier otro lugar que se le observe". Estas suposiciones se confirmaban en 1965 con Penzias y Wilson mientras realizaban un experimento con un microondas. Por la misma época, Dicke y Peebles, siguiendo la idea de Gamow, (el universo en un principio fue muy caliente y denso, acabando blanco e incandescente), supusieron que deberíamos ver el resplandor del inicio desplazada hacia el rojo como radiación de microondas. Esto era lo que habían descubierto Penzias y Wilson y por lo que se llevaron el Nobel en 1978. La suposición de Friedmann de que el universo parece el mismo en cualquier dirección desde la que lo miremos, nos hace creer que somos el centro del universo, o lo más probable, que es igual en todas las direcciones. Existen tres tipos de modelo que obedecen a las suposiciones de Friedmann. En el primero, el universo se expande lentamente, y la atracción gravitatoria frena y detiene la expansión; las galaxias se acercan y el universo se contrae. En el segundo, la atracción gravitatoria no consigue detener la expansión, sólo frenarla un poco. Y en el tercero, el universo se expande con una velocidad justa para no colapsarse, pero sin llegar a ser nula. En el primer tipo de modelo, el espacio es finito; al contrario que en los otros dos, que es infinito. Sabemos que nuestro universo se está expandiendo, y que debe contener gran cantidad de "materia oscura"; y también es probable que exista alguna otra forma de materia desconocida por nosotros que sea capaz de detener la expansión. Por tanto, por los datos que hoy tenemos, se supone que el universo seguirá expandiéndose por siempre, y que si se colapsa algún día, será dentro de miles de millones de años. Todas las soluciones de Friedmann, opinan que en un pasado, la distancia entre galaxias fue cero; en el big bang, teniendo el universo densidad y curvatura del espacio – tiempo, infinitas. Como no se pueden manejar números infinitos realmente, la teoría de la relatividad general predice un punto en el universo donde la teoría se colapsa. Este punto será una singularidad.Se dijo que el tiempo empezaba en el big bang, ya que lo que sucedió anteriormente no influye. Pero esta idea no gustó mucho, y por ello Bondi, Gold y Hoyle, propusieron en 1948 la teoría del estado estacionario (mientras las galaxias se alejaban, nuevas galaxias se formaban); pero después de muchas investigaciones, esta teoría quedó abandonada. Lifshitz y Khalatnikov tampoco estaban de acuerdo con la idea del big bang y del principio del tiempo, así que argumentaron que las galaxias también tienen velocidades laterales, por lo que no tuvieron porque estar totalmente juntas, sino simplemente muy cercanas. Después de sus estudios, ellos mismos rechazaron su teoría. En 1965, Penrose, demostró que una estrella que se colapsa en su propia gravedad, queda atrapada en una región cuya superficie se reduce a tamaño y volumen cero con el tiempo; siendo su densidad y curvatura espacio – tiempo infinitas; esto será una singularidad llamada agujero negro.Utilizado este teorema, Hawking dedujo que si invertimos el tiempo, cualquier universo en expansión, del tipo de Friedmann, comenzó en una singularidad. Ya en 1970, entre Hawking y Penrose, llegaron a la conclusión de que debió haber una singularidad como el big bang, si la teoría de la relatividad general era correcta y si el universo tuviera tanta materia como vemos.

 

1)	La fuerza gravitatoria: es universal. Esta gravedad es la más débil, actúa a grandes distancias y siempre es atractiva. Hay que destacar a la partícula de espín 2, el gravitón.
2)	La fuerza electromagnética: interactúa con partículas cargadas eléctricamente (electrones, quarks), no con las que están sin carga (gravitón). Mucho más intensa que la gravitatoria. Al existir dos cargas, la positiva y la negativa; la fuerza puede ser repulsiva (entre cargas del mismo signo), o atractiva (entre diferentes cargas). Las partículas virtuales de espín 1, que se intercambian se denominan fotones.
3)	La fuerza nuclear débil: actúa sobre las partículas materiales de espín ½, pero no sobre las de espín 0, 1 y 2. En 1967, Abdus Salam y Steven Weinberg, sugirieron que además del fotón, había otras tres partículas de espín 1, los bosones vectoriales masivos; que son W+, W- y Z0 y cada uno tiene una masa de 100GeV (gigaelectrón – voltio). Esta teoría que propusieron, también incluye una propiedad, la ruptura de simetría espontánea, que dice que a bajas energías, lo que parece un determinado número de partículas diferentes, es en realidad, el mismo tipo de ellas sólo que en estados diferentes. Y a altas energías, las partículas actúan de una forma parecida.
4)	La fuerza de la interacción nuclear fuerte: mantiene a los quarks unidos en el protón y el neutrón, y éstos, juntos en los núcleos de los átomos. Se piensa que es el gluón, de espín 1, que sólo actúa consigo misma y con los quarks, la que transmite esta fuerza. Esta interacción posee una propiedad, la confinación; por la que liga a al partículas en combinaciones, que no tiene color. La combinación de un quark con un antiquark, es un mesón, y es inestable porque se pueden aniquilar. La colección de gluones que unen para dar el color blanco, se denomina glueball (bola de gluones). La interacción posee otra propiedad, la libertad asintótica.

 

 

Se ha intentado unificar la teoría de la interacción nuclear fuerte, con las ya unificadas, fuerzas electromagnéticas y nucleares débiles, llegando a las TGU (teorías de gran unificación). Estas teorías predicen que a una determinada energía, las partículas materiales de espín ½, serían esencialmente iguales. Estas teorías de gran unificación es imposible comprobarlas en un laboratorio. Sabemos que existe un mayor número quarks que de antiquarks, ya que si no fuese así se habrían aniquilado la mayoría, y suponemos que las galaxias están compuestas por quarks; ya que también nos lo demuestran estas teorías, basándose en las simetrías independientes (C, P y T).   Capítulo 6: Los agujeros negros En 1969, John Wheeler introdujo el término de agujero negro. Se sabía que si la luz estaba formada por partículas, sería afectada por la gravedad; pero si estaba formada por ondas, no se conocía como actuaría la gravedad sobre ella. Hoy en día sabemos que ambas afirmaciones son ciertas. Roemer descubrió que la luz viaja a una velocidad finita, por lo que la gravedad afectaría a la luz. John Michell, explicó que si una estrella es muy compacta, tendría un campo gravitatorio muy intenso, donde la luz no podría escapar, siendo arrastrada al centro por la gravedad. A estas estrellas no las vemos, pero sí que sentimos su atracción gravitatoria. Laplace, también sugirió posteriormente una teoría parecida.

 

¿Qué es una estrella? Se forma cuando una cantidad de gas (hidrógeno) que se colapsa sobre sí mismo por la atracción gravitatoria. El gas entonces se calienta, contrayéndose, los átomos colisionan entre sí cada vez a mayor velocidad. Llega un momento en el que está tan caliente que cuando los átomos de hidrógeno choquen, ya no rebotarán, formando así el helio. Se desprenderá calor, que hará que brille. Este calor también hará aumentar la presión del gas, hasta que equilibra la atracción gravitatoria, dejando de contraerse el gas. Después de un largo período en el que permanece estable, la estrella consume todo el hidrógeno y los combustibles nucleares, y comienza a enfriarse y contraerse.	MASA DE GAS
	ESTRELLA BRILLANDO
	EXPLOSIÓN DE LA ESTRELLA

Chandrasekhar después de diversos estudios sobre las estrellas, introdujo el límite de Chandrasekhar. Este límite es la masa aproximada de une vez y media la del Sol; la cual al estar la estrella fría, no sería capaz de soportar su propia gravedad. Entonces si una estrella tiene una masa menor que el límite de Chandrasekhar, no se contrae más en un estado final, por ejemplo una "enana blanca". Ésta se sostiene por el principio de exclusión entre los electrones de su materia.

 

Landau, dijo que había otro estado final para una estrella, con una masa una o dos veces la del Sol, pero más pequeña que una enana blanca. Éstas estrellas se mantienen por el principio de exclusión de neutrones y protones; son estrellas de neutrones.

Aquellas estrellas cuya masa es mayor al límite de Chandrasekhar, cuando se les acaba el combustible, o explotan o desprenden materia y reducen su peso por debajo del límite, evitando el colapso gravitatorio.

	Oppenheimer después de diversos estudios, llegó a la conclusión de que los conos de luz de la estrella se van inclinando hacia dentro por el campo gravitatorio, mientras se contrae; hasta que llega un momento en el que la luz no puede escapar. Como ésta, ningún objeto puede escapar, todo es arrastrado por su campo gravitatorio. La frontera es el horizonte de sucesos, que coincide con el camino de los rayos de luz que están a punto de escapar, sin conseguirlo. Esto es lo que llamamos un agujero negro. Si observamos una estrella que se colapsa, y forma un agujero negro; tenemos que tener en cuenta que no hay un tiempo absoluto y que la gravedad disminuye cuanto más se aleja uno de la estrella.	REPRESENTACIÓN DE UN AGUJERO NEGRO

 

Según los estudios de Penrose y Hawking, cuando un cuerpo se colapsa, llega al final del tiempo, fallando las leyes y nuestra capacidad de predecir el futuro. Por esto, Penrose propuso la hipótesis de la censura cósmica; por la que las singularidades de un colapso gravitatorio ocurren solamente en sitios (agujeros negros), ocultos por un horizonte de sucesos que no son vistos desde fuera. La versión de la hipótesis de la censura nos dice que las singularidades de un colapso gravitatorio estarán siempre en su futuro o en su pasado (big bang).   Cuando una estrella se colapsa para formar un agujero negro, cada vez los movimientos son más rápidos y la emisión de energía mayor; llegando pronto a un estado estacionario. En 1967, Werner Israel, señaló que según la relatividad general, los agujeros negros sin rotación eran esféricos y que su tamaño dependía de su masa; y que sólo podía ser el resultado de una estrella esférica colapsada. Penrose y Wheeler interpretaron esto de otra forma. Ellos dijeron que los rápidos movimientos en el colapso, hacen que la estrella se haga más esférica debido a las ondas gravitatorias hasta que llega a un estado estacionario, siendo una esfera perfecta. Esta teoría es la aceptada hoy en día, por la que todo agujero negro, independientemente de su forma y estructura, es esférico, y con un tamaño que depende de su masa. En 1963, Roy Kerr, estudió los agujeros negros en rotación. Argumentó que éstos giran a un ritmo constante, y que el tamaño y la forma dependen de la velocidad de rotación y de la masa. El agujero negro es redondo sino existe rotación, y si existe, éste se deforma hacia fuera cerca de su ecuador. Cuanto más rápido gira, más se deforma. En 1970, Carter demostró esta idea de Kerr, con la condición de que el agujero negro tuviera un eje de simetría. En 1971, Hawking, demostró que un agujero negro siempre tiene un eje de simetría. En 1973, Robinson, juntó ambas demostraciones para llegar a la solución de Kerr. Probó que después del colapso gravitatorio, un agujero negro puede rotar, pero no tener pulsaciones. Su tamaño y forma dependen de la velocidad y la masa (teorema de la "no existencia de pelo"). En 1963, Maarten Schmidt, estudiando el corrimiento hacia el rojo de un objeto parecido a una estrella, llegó a la conclusión, de que éste había sido causado por la expansión del universo (no por la gravedad), lo que implicaba que el objeto estaba muy lejos, que tenía que ser muy brillante emitiendo una gran cantidad de energía. Y todo esto sólo podía ser el colapso gravitatorio de toda una región de una galaxia ("objetos cuasi – estelares" o quasars). En 1967, Jocelyn Bell, encontró objetos celestes que emitían pulsos regulares de ondas de radio, a los que llamó pulsars, que al final resultaron ser estrellas de neutrones en rotación. Sólo podemos detectar un agujero negro por la fuerza gravitatoria que ejerce sobre los objetos, ya que no emite luz. Existen algunos sistemas que sólo están formados por una estrella visible que está girando entorno a algo invisible. Ese algo, puede ser una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro. El número de agujeros negros puede ser mayor que el de estrellas visibles y esto podría explicar por qué nuestra galaxia gira a esta velocidad. Se cree que en el centro de nuestra galaxia hay un gran agujero negro. También se cree que los quasars emiten tanta energía porque en su centro existen agujeros negros. Agujeros negros de poca masa, no se pudieron haber formado por el colapso de una masa por debajo del límite de Chandrasekhar; sino que sólo si la materia hubiera sido comprimida a enorme densidad por grandes presiones externas. Estos agujeros se podrían haber formado en una fase muy inicial del universo   Capítulo 7: Los agujeros negros no son tan negros   El horizonte de sucesos, está formado por los caminos en el espacio - tiempo de los rayos de luz que no consiguen escapar del agujero negro. Estos caminos de los rayos nunca pueden acercarse entre sí; por lo que se tienen que mover en paralelo o alejándose entre ellos. El área del horizonte de sucesos puede permanecer constante o aumentar con el tiempo, nunca disminuir. La segunda ley de la termodinámica (la entropía o desorden de un sistema aislado aumenta siempre, y si se juntan dos sistemas, la entropía del sistema combinado es mayor que la suma de las individuales. Esta ley se verifica la mayoría de las veces, pero en un agujero negro se puede violar fácilmente, por ejemplo, lanzando gran cantidad de entropía al agujero. Bekenstein, dijo que el área del horizonte de sucesos era una medida de su entropía, ya que cuanta más materia con entropía cae en el agujero negro, más aumenta su área de horizonte de sucesos. Pero en el caso de que un agujero negro tuviera entropía, también tendría que tener una temperatura, y por lo tanto emitir radiación. En 1973, Zeldovich y Starobinsky, argumentaron que según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, los agujeros negros en rotación tenían que crear y emitir partículas. Entonces, Hawking, estudió estos argumentos, y llegó a la conclusión de que incluso los agujeros negros sin rotación tienen que emitir partículas a un ritmo estacionario, debido a que el espectro de las partículas emitidas era el mismo que emitiría un cuerpo caliente, y que el agujero emitía las partículas al ritmo justo para evitar las violaciones de la segunda ley. Cuanto mayor sea la masa, menor será la temperatura. La pregunta que nos hacemos es cómo es posible que el agujero negro emita partículas si nada puede escapar de él. La respuesta nos la da la teoría cuántica. Esas partículas no provienen del agujero, sino del espacio "vacío", justo fuera del horizonte de sucesos. Pero este espacio vacío no puede estar vacío como su nombre indica. Existen unas partículas virtuales, que no pueden ser observadas directamente son un detector, pero si se observan sus efectos indirectos. También hay, según el principio de incertidumbre, pares de partículas (partícula/antipartícula). Un componente del par tiene energía negativa, y su vida como partícula virtual es muy corta, y tiene que buscar a su pareja y aniquilarse; y otro componente, energía positiva. La partícula virtual de energía negativa puede caer en un agujero negro y convertirse en una partícula o antipartícula real, sin necesidad de destruirse con su compañera. Ésta puede caer también en el agujero, o como tiene energía positiva, escapar de las cercanías del agujero, pareciendo así para un observador, que ha sido emitida desde el agujero negro. Si aplicamos la ecuación de Einstein E= mc2 , sabemos que la masa de un agujero negro se reduce si se introduce un flujo de energía negativa. También sabemos de los agujeros negros, que cuanto más pequeños en masa, mayor temperatura tendrán. Los agujeros negros primitivos con masas iniciales menores que mil millones de toneladas, ya se habrán evaporado, pero aquellos con masas un poco superiores, aún estarán irradiando en forma de rayos X y gamma. Estos agujeros son blancos incandescentes y emiten gran cantidad de energía. Para observarlos podríamos buscar los rayos gamma que emiten. El fondo de rayos gamma, nos dice que no puede haber más de 300 agujeros negros primitivos por año – luz cúbico. La atmósfera terrestre detecta los rayos gamma de los agujeros negros primitivos. Si un cuanto de rayos gamma de gran energía choca con la atmósfera, se crean pares de electrones y positrones, obteniendo una lluvia de electrones, llamada radiación de Cherenkov. La ausencia de una cantidad de agujeros negros primitivos sólo se puede explicar si el universo primitivo fue muy regular y uniforme. La radiación que proviene de los agujeros negros, implica que el colapso gravitatorio no es definitivo e irreversible, sino que la masa de un objeto que caiga en el agujero, se transformará en energía. Al final de la vida de un agujero negro, lo más probable es que desaparezca, llevándose con él a cualquier singularidad que contenga, si hay alguna.   Capítulo 8: El origen y el destino del universo   Einstein predijo en su teoría, que el universo tendría un final en una singularidad, el big crunch, o bien en una singularidad dentro de un agujero negro; ya que su inicio fue la singularidad del big bang. Hawking, pensó en la posibilidad de que el espacio – tiempo fuese finito, que no tuviese ninguna frontera, por lo que no habrá ningún principio. Existe un "modelo de big bang caliente", basado en un modelo de Friedmann, que dice que conforme el universo se expande, toda la materia o radiación existente en él se enfría. A temperaturas muy altas, las partículas se moverían muy deprisa, por lo que serían capaces de vencer cualquier atracción entre ellas debida a las fuerzas nucleares o electromagnéticas. Las partículas comenzarían a agruparse, a medida que se enfriasen. En el momento del big bang, se cree que el tamaño del universo era nulo, estando infinitamente caliente; y a medida que se iba expandiendo, la temperatura disminuía. El universo contendría entonces, fotones, electrones, neutrinos, sus antipartículas y algunos protones y neutrones. La mayoría de los electrones y los antielectrones se habrían aniquilado, produciendo más fotones. Los neutrinos y los antineutrinos, no se habrían aniquilado; por lo que si pudiéramos, deberíamos verlos. Pueden ser una forma de "materia oscura". Unos cien segundos después del big bang, habrá una temperatura a la que los protones y neutrones no podrían vencer la atracción de la interacción nuclear fuerte, produciendo átomos de deuterio. Éstos se combinarían con más protones y neutrones, dando núcleos de helio, y también berilio y litio. George Gamow, fue el que hizo esta imagen del universo en su inicio. En un artículo, dijo que la radiación, en forma de fotones, de las etapas tempranas del universo caliente, debían permanecer hoy en día; lo que podría explicar la gran existencia de helio en nuestro universo. La producción de helio y más elementos se habría detenido después de unas horas del big bang. Sin grandes cambios, el universo se expandiría durante un millón de años. Cuando la temperatura bajase, y los electrones y núcleos no pudiesen vencer la atracción electromagnética, se combinarían dando átomos. Se seguiría expandiendo y enfriándose, aunque algunas regiones serían frenadas y en algunos casos comenzarían a colapsarse. Ésta región se haría más pequeña y aumentaría su velocidad, hasta que llegara a alcanzar la velocidad suficiente para compensar la atracción de la gravedad, y se formarían las galaxias giratorias en forma de disco. Aquellas que no adquirieran rotación, serían galaxias elípticas. Entonces el gas de hidrógeno y el de helio de éstas, formaría nubes más pequeñas que comenzarían a colapsarse por su gravedad. La temperatura del gas aumentaría, iniciándose reacciones de fusión nuclear; convirtiéndose el hidrógeno en helio; aumentaría la presión, impidiendo la contracción de las nubes. Esas nubes serían estables cierto tiempo, como estrellas parecidas a nuestro Sol. Aquellas estrellas de una masa mayor, consumirán su hidrógeno más rápidamente, contrayéndose y calentándose, convirtiendo el helio en carbono u oxígeno. Sus regiones centrales colapsarían en un estado muy denso, como una estrella de neutrones o un agujero negro. Sus regiones externas podrían desprenderse en una explosión, supernova, de un gran brillo. Algunos de los elementos de esa estrella volverían a ser arrojados a la galaxia, para formar parte de próximas estrellas. La Tierra, estaba muy caliente en un principio y no tenía atmósfera. Poco a poco se enfrió, adquiriendo una atmósfera primitiva que contenía gases venenosos para los humanos. Entonces surgieron unas formas de vida, probablemente por casualidad, que se fueron combinando, para dar cada vez organismos más complicados. Finalmente, estas formas de vida consumirían los gases venenosos y expulsarían oxígeno, cambiando así la atmósfera, llegando a la composición de hoy en día; apareciendo seres como los que conocemos. Existen algunas preguntas a las que no hemos encontrado respuesta, referentes al universo:

 

1)	¿Por qué el universo primitivo estaba tan caliente?
2)	¿Por qué el universo es tan uniforme a gran escala? ¿Por qué parece el mismo en todos los puntos del espacio y en todas direcciones?
3)	¿Por qué comenzó el universo con una velocidad de expansión tan próxima a la velocidad crítica?
4)	¿Cuál fue el origen de las fluctuaciones de densidad?

 

La teoría de la relatividad no puede responder a estas preguntas. Se conocen unas leyes, dentro del principio de incertidumbre, que nos dicen cómo evoluciona el universo en el tiempo si conocemos su estado en cualquier momento. Estas leyes pudieron haber sido dictadas por Dios, y que ahora Éste ya no interviene. Pero los hechos no ocurren de una forma arbitraria, ya que reflejan un orden subyacente que puede estar divinamente inspirado o no. Existen las llamadas condiciones de contorno caóticas, que suponen que el universo es espacialmente infinito o que hay infinitos universos. El estado inicial del universo sería puramente al azar, y sería muy caótico e irregular, ya que hay más configuraciones caóticas y desordenadas que lo contrario. Si esta afirmación sobre el universo fuese cierta, existirían, probablemente, algunas grandes regiones que habrían comenzado de una forma suave y uniforme; y nosotros podríamos estar en una de esas regiones. Surge entonces el principio antrópico, por el que "vemos el universo en la forma que es porque nosotros existimos". Hay dos versiones de este principio: la débil (en un universo infinito o grande, en el espacio y /o tiempo, las condiciones necesarias para la existencia de seres inteligentes, se darán sólo en ciertas regiones limitadas en el tiempo y en el espacio), y la fuerte (o hay muchos universos diferentes, o muchas regiones diferentes en un único universo, cada uno/a con su propia configuración inicial y, tal vez, con su propio conjunto de leyes de la ciencia). Esta última versión, va en contra de la corriente de toda la historia de la ciencia; y además se acaba reduciendo al débil. Si aceptamos el modelo del big bang caliente, tenemos que tener en cuenta de que no hubo tiempo suficiente para que el calor fluyese de una región a otra del universo primitivo. Por ello, sería muy difícil explicar por qué comenzó así, a no ser que se piense en la intervención de un Dios. Alan Guth, propuso que el universo primitivo pudo haber pasado por un una etapa de expansión rápida, llamada "inflacionaria", expandiéndose de una forma creciente, en contra de cómo lo hace hoy en día. Sugirió que el inicio del universo, fue un estado muy caliente y caótico. Las partículas se movían rápidamente debido a las altas energías. El universo se iba expandiendo, y se enfriaba; produciéndose la transición de fase, y se rompía la simetría entre fuerzas; aunque la temperatura podría estar por debajo del valor crítico, que la simetría no se rompería, provocando un estado inestable, con más energía que produciría un efecto antigravitatorio. En este universo la expansión sería acelerada, y habría tiempo suficiente para que la luz viajase de una región a otra en el primitivo. La idea de inflación, nos dice que todas las partículas del universo, se crean a partir de energía. La energía del universo es cero. La materia está hecha de energía positiva, que se atrae a sí misma por la gravedad; y el campo gravitatorio, puede decirse que tiene energía negativa que anula a la anterior. El universo actualmente no está expandiendo de una forma inflacionaria, ya que lo observamos hoy en día no corresponde con lo que deberíamos ver. En 1981, Linde propuso otro modelo del universo, también basado en "burbujas", sólo que la ruptura de simetría era lente. Esta teoría tuvo un fallo, y más tarde, Steinhardt y Albrecht la utilizaron como base para "el nuevo modelo inflacionario". Éste tampoco estaba de acuerdo con lo que se observaba. En 1983, Linde propuso otro modelo inflacionario caótico, que fue mejor que los anteriores y que se adaptaba a lo que se ve. El universo se pudo haber formado a partir de un gran número de configuraciones, pero no todas éstas nos llevaría al universo que actualmente vemos. Si es correcta la teoría de la relatividad general clásica, los teoremas de singularidad de Penrose y Hawking, demostrarían que el principio del universo fue un punto de densidad y de curvatura del espacio – tiempo infinitas, y allí las leyes de la naturaleza fallarían, y el campo gravitatorio sería tan fuerte que los efectos gravitatorios cuánticos se hacen importantes; por lo que podemos utilizar una teoría cuántica de la gravedad. Aún no se tiene una teoría completa, pero lo que sí sabemos es lo que debe estar incluido en dicha teoría:

- La idea de Feynman de formular la teoría cuántica en términos de una suma sobre historias, debe estar incluida. En esta suma de historias hay que utilizar valores imaginarios, porque el tiempo se toma como imaginario.

- La idea de Einstein de que el campo gravitatorio se representa mediante un espacio – tiempo curvo. Los espacios – tiempos deben ser euclídeos.

Existen tres maneras de las que se puede comportar el universo en la teoría cuántica de la gravedad; las dos primeras comunes con la teoría clásica de la gravedad:

- Ha existido durante un tiempo infinito

- Tuvo un principio en una singularidad dentro de algún tiempo finito en el pasado

- El espacio – tiempo es finito en extensión, y no tiene ninguna singularidad que forme una frontera o un borde. Esta propuesta nos indica que no existiría ninguna singularidad. El universo no sería ni creado ni destruido, simplemente sería.

Basándose en esta última propuesta, Hartle y Hawking, calcularon las condiciones que debería cumplir el universo para que fuera cierta. El universo comienza en un único punto, y se va expandiendo en un tiempo imaginario, hasta alcanzar un tamaño máximo, y empieza a contraerse, hasta un único punto. Aunque el tamaño es nulo en esos puntos, no hay singularidades; pero si lo vemos en el tiempo real, sí que existirían estas singularidades. Puede ser que el tiempo imaginario sea el más básico, y que el real es algo que nos hemos inventado para ayudarnos a comprender el universo.

Capítulo 9: La flecha del tiempo

Las leyes de la ciencia no distinguen entre pasado y futuro.

Las leyes de la ciencia no se modifican bajo la combinación de las operaciones conocidas como C, P y T:

• C: cambiar partículas por antipartículas.

• P: tomar la imagen especular.

• T: invertir la dirección del movimiento de las partículas.

No se modifican si combino C, P y T, por lo que tampoco debería cambiar bajo la operación T sola. Pero existe una gran diferencia entre las direcciones hacia delante y hacia atrás del tiempo real. Que nosotros no veamos los actos en el tiempo hacia atrás se debe a que lo prohibe la segunda ley de la termodinámica (en cualquier sistema cerrado, el desorden aumenta siempre con el tiempo). Este hecho es lo llamado una flecha del tiempo, algo que distingue el pasado del futuro dando una dirección al tiempo. Existen tres flechas del tiempo por lo menos:

 

1) Flecha termodinámica	dirección del tiempo en la que el desorden aumenta.
2) Flecha psicológica	dirección en la que recordamos el pasado pero no el futuro.
3) Flecha cosmológica	dirección del tiempo, en la que el universo se está expandiendo y no contrayendo.

 

La flecha termodinámica se basa en la segunda ley de termodinámica, de la que obtenemos que hay muchos más estados desordenados que ordenados. Si un sistema empezara en un estado ordenado, con el paso del tiempo cambiará debido a la influencia de las leyes de la ciencia, y lo más probable es que pase a un estado desordenado.

Si Dios decidió que el universo tiene que terminar en un estado ordenado, éste habría partido probablemente de un estado desordenado, y los seres recordarían sucesos en el futuro y no en el pasado; su flecha psicológica apuntaría hacia atrás.

Para explicar esto, ponemos un ejemplo con un ordenador. Antes de introducir ningún dato en él, se encuentra en un estado desordenado. Después de introducir algo, pasa de ese estado a uno ordenado; pero la energía que utilizó se disipa en forma de calor, que va a aumentar el desorden en el universo, que siempre va a ser mayor que el aumento de orden. Por lo tanto, la dirección del tiempo en la que un ordenador recuerda el pasado es la misma que aquella en la que el desorden aumenta. Esto también pasa con nosotros.

La flecha psicológica está determinada por la termodinámica.

Con la teoría clásica de la relatividad general, no podemos saber cómo comenzó el universo, ya que las leyes habrían fallado en la singularidad del big bang. Por ello, debemos utilizar una teoría cuántica de la gravedad.

Si empleamos esta teoría, tendríamos la dificultad de decir cómo se comportarían las historias posibles del universo en la frontera del espacio – tiempo (algo imposible de saber); a no ser que no haya frontera (finitas en extensión, pero sin fronteras). En este caso, el universo habría empezado en un estado ordenado, aunque no totalmente uniforme, para mantener el principio de incertidumbre.

Entonces el universo habría comenzado en un período de expansión inflacionaria, en el que habría aumentado su tamaño. Las fluctuaciones de densidad serían pequeñas al principio, pero comenzarían a crecer. La atracción gravitatoria frenaría la expansión de aquellas regiones con una densidad mayor que la media, para finalmente colapsarse y formar galaxias, estrellas y seres. El universo pasa de un estado ordenado a uno desordenado con el paso del tiempo, explicando así la existencia de la flecha termodinámica.

La pregunta que nos hacemos, es que cuando el universo comience a contraerse, ¿se invertirá la flecha termodinámica?. Para encontrar una respuesta, podemos fijarnos en un agujero negro, ya que es muy parecido al colapso del universo.

En un principio, se creía que el desorden disminuiría al colapsarse el universo, siendo la fase de contracción la inversión temporal de la de expansión. Pero luego, el propio Hawking admitió su error, y dijo que el desorden seguiría aumentando durante la contracción debido a que no hay frontera, por lo que las flechas termodinámica y psicológica no se invertirán cuando se contraiga el universo o en los agujeros negros.

Las condiciones en la fase de contracción no serían adecuadas para la existencia de seres inteligentes por el principio antrópico débil. Por ello se cree que estamos en la fase expansiva. En el momento del colapso, las estrellas ya se habrán quemado, y protones y neutrones se habrán desintegrado; estando el universo en un estado de desorden, donde no habría ninguna flecha termodinámica clara, condición necesaria para la existencia de seres como nosotros. Esto es el por qué las flechas termodinámicas y cosmológicas señalan en la misma dirección.

Las leyes de la ciencia no distinguen entre el pasado y el futuro, pero sí lo hacen las tres flechas del tiempo que acabamos de ver.

Capítulo 10: La unificación de la física

A lo que hoy en día se conoce con el nombre de la "unificación de la física", es a la búsqueda de una teoría unificada, que incluya todas las teorías parciales que conocemos. Una de las dificultades que se encuentran es la de introducir la gravedad con las demás teorías, ya que la relatividad general es una teoría clásica, por lo que no incluye el principio de incertidumbre; mientras que todas las demás teorías sí que dependen de la mecánica cuántica.

Cuando intentamos incorporar el principio de incertidumbre a la relatividad general, sólo encontramos dos cantidades que se pueden ajustar: la intensidad de la gravedad y el valor de la constante cosmológica. Pero éstos no son suficientes para ajustar todos los infinitos. Por ello, para determinar ciertas cosas, como la curvatura del espacio – tiempo, se tomaron como infinitas, aunque pueden ser medidas como finitas.

Se introdujo el término supergravedad, que consistía en combinar la partícula con espín 2 (gravitón), con otras partículas nuevas de espín 3/2, 1, ½ y 0. Pero todo el proceso y dificultad que conllevaba esta idea, hizo que se dejara un poco de lado; sobre todo a partir de 1984, con las teorías de cuerdas. Los objetos básicos de estas teorías poseen una única dimensión, la longitud. Estas cuerdas pueden ser de dos tipos: abiertas (con extremos) y cerradas (unidas consigo mismas). La historia de una cuerda en el espacio – tiempo, es una superficie bidimensional, llamada "hoja del mundo". En una cuerda abierta, la hoja del mundo es una cinta y en una cerrada, es un cilindro. La unión de cuerdas abiertas se realiza por sus extremos, y de cuerdas cerradas, similar a las dos piernas de un pantalón juntándose. También una cuerda se puede dividir. La emisión o absorción de una partícula por otra, es lo que se corresponde en la teoría de cuerdas con la división o reunión de dichas cuerdas.

En 1974, Scherk y Schwarz, hablaron de la teoría de cuerdas describiendo la fuerza gravitatoria. A escalas de longitudes normales, los resultados serían los mismos, pero no lo serían a distancias muy pequeñas. La mayoría de la gente abandonó la teoría de cuerdas original, pasándose a la basada en los quarks y los gluones.

De nuevo, en 1984, la teoría de cuerdas vuelve a aparecer, ya que no se demostraba que la supergravedad era finita, y porque esta teoría podría explicar la existencia de partículas con carácter levógiro. Entonces surgió una nueva versión, la teoría de cuerdas heteróticas. Pero estas teorías, implican diez o veintiséis dimensiones, y no las cuatro conocidas. Por ello, nos surge la pregunta de por qué no vemos esas otras dimensiones. Una posibilidad sería que éstas son tan curvadas en un espacio tan pequeño, que no lo notamos.

Según el principio antrópico, dos dimensiones no habrían sido suficientes para que surgieran seres como nosotros; y tampoco sería adecuado más de las tres dimensiones espaciales, ya que la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos disminuiría con la distancia más rápidamente.

Todavía no se sabe si la teoría de cuerdas elimina todos los infinitos, por ello se sigue estudiando sobre ella, y sobre otros muchos problemas que surgen de ella.

Al hablar de la teoría unificada, existen tres posibilidades:

- Que realmente exista tal teoría, que algún día podremos descubrir

- Que no existe tal teoría, sino una sucesión infinita de teorías que describen el universo

- Que no hay ninguna teoría del universo

La última posibilidad sería aceptada por aquellos que creen en la intervención de Dios en el universo, aunque en nuestra época se ha eliminado esta posibilidad.

La segunda posibilidad, está de acuerdo con lo que conocemos hasta el momento. Pero la sucesión de teorías y más teorías cada vez más refinadas, debe tener algún límite cada vez que nos acercamos a energías más altas; lo que implica que debe existir una teoría única del universo. En el caso de que encontráramos dicha teoría, nunca estaremos seguros de que es realmente correcta porque simplemente es una teoría. Incluso no podremos predecir acontecimientos, con lo que vemos que encontrar esa teoría simplemente es un primer paso para comprender todo lo que ocurre a nuestro alrededor.

 

Capítulo 11

 Conclusión

 

En los comienzos de la humanidad para explicar el origen y el funcionamiento del universo, se creía que existían unos dioses y espíritus que gobernaban todo, y por eso los adoraban. Pero con el paso del tiempo, nos empezamos a dar cuenta de que existían regularidades, por ejemplo que el Sol salía por el este y se ponía por el oeste; y que incluso se podían predecir dichas regularidades.

En los últimos 300 años, los hombres hemos descubierto cientos de regularidades y leyes que rigen el universo.

Laplace introdujo en el siglo XIX, su teoría determinista, en la Dios eligió como comenzó el universo y las leyes que lo regirían. Hoy sabemos que esta teoría no es cierta, ya que existen cantidades que no se pueden predecir (mecánica cuántica). En la mecánica cuántica, las partículas no tienen ni velocidades ni posiciones bien definidas, por lo que están representadas por una onda. Tienen algo de deterministas, desde el punto de vista de que si conocemos la onda en un instante podemos conocerla en cualquier otro.

A lo largo del libro, aparece varias veces la ley de la gravedad, ya que determina el universo a gran escala. Estas leyes no concordaban con la idea de que el tiempo no cambia, ya que al ser atractiva, el universo tiene que estar expandiéndose o contrayéndose. En el pasado, tuvo que haber un principio del tiempo, el big bang, según la teoría de la relatividad; por lo que también debería haber un final del tiempo, un Big Crunch.

La idea de formar un espacio – tiempo finito cuadridimensional, surge a partir de la combinación de la mecánica cuántica con la relatividad general. Esto puede explicar la estructura del universo, e incluso la flecha del tiempo que vemos. Si en realidad existe una teoría unificada, ¿cuál es el papel de Dios como Creador?.

Esta última pregunta acerca de Dios en el universo es una de las tantas que nos hacemos relacionadas con ÉL y el universo.

Los científicos se han dedicado simplemente a estudiar cómo es el universo; mientras que los que se han encargado de buscar el por qué, han sido los filósofos hasta el siglo XIX, cuando la ciencia se hizo demasiado técnica.

Hawking opina que si algún día encontramos la teoría unificada, entonces conoceríamos el pensamiento de Dios.