VIAJE A TRAVÉS DEL TIEMPO

Los avances tecnológicos y la magnitud creciente de las instalaciones utilizadas en la investigación en Física de Altas Energías nos están proporcionando un aluvión de datos que sirven a los físicos teóricos para perfeccionar el modelo estándar que trata de interpretar la constitución de la materia a escalas subatómicas cada vez más pequeñas y las interacciones entre las partículas.

En esos experimentos, que se tardan semanas e incluso meses en diseñar y que requieren fuertes inversiones económicas y de personal altamente especializado, se realizan colisiones entre partículas, como protones o electrones, a altísimas velocidades, cercanas a la de la luz, por lo que necesitan desarrollar enormes cantidades de energía, que se concentran en el punto y en el instante de la colisión. Tras ella, los detectores muestran el conjunto de partículas creadas y sus trayectorias además de las ulteriores transformaciones de unas en otras, así como las energías y tiempos de existencia todas ellas. Este conjunto de información nos permite establecer un claro paralelismo entre las condiciones del lugar donde se provoca el experimento y los primeros momentos de existencia del universo y nos faculta para realizar un interesante “viaje a través del tiempo”.

Pero, ¿cómo podemos afirmar que lo que hoy estudiamos en un acelerador-colisionador de partículas es un reflejo de la situación “vivida” por nuestro universo hace miles de millones de años? Intentaremos dar respuesta a este interrogante basándonos en dos consideraciones.

En primer lugar, la termodinámica nos ofrece una respuesta muy simple, ya que la energía de una cantidad determinada de materia depende de su temperatura. Y no sólo es posible correlacionar materia y energía a través de la temperatura, sino también la radiación. Los estudios de Wien, Stefan y Boltzmann acerca de la radiación del cuerpo negro han cristalizado en dos leyes experimentales conocidas desde finales del siglo XIX que establecen una sencilla relación entre la energía y la longitud de onda de la radiación emitida por un cuerpo y su temperatura, y que luego han encontrado justificación teórica con la ley de Planck en loa albores del siglo XX.

En segundo lugar, conforme retrocedemos en la edad del universo, sabemos que la temperatura media aumenta, desde pocos grados por encima del cero absoluto en regiones relativamente distanciadas de las estrellas, como es el caso de los planetas exteriores del sistema solar, es decir, con órbitas mayores que la Tierra, hasta los miles de millones de grados que poseía en sus primeros instantes de vida. Por lo que es perfectamente posible recrear las diversas etapas evolutivas del universo atendiendo al incremento de la temperatura y a los procesos permitidos por la cantidad de energía correspondiente.

Por lo tanto, es muy interesante destacar que conforme se alcanzan niveles de energía mayores se observan más analogías entre el microcosmos subatómico y el macrocosmos que constituye nuestro Universo, de manera que la Cosmología y la Física de Partículas no son más que dos ramas de un mismo tronco, produciéndose un continuo trasvase de los avances logrados de una a otra disciplina.

Iniciamos, pues, nuestro imaginario viaje a través del tiempo usando como hilo conductor la temperatura, que nos sirve como medida de la energía de cualquier sistema físico, tanto si nos referimos a un gas encerrado en un recipiente como a una estrella.

Para indicar la temperatura donde tiene lugar el rango de existencia de los organismos biológicos que actualmente pueblan la Tierra, ya sea con signo positivo o negativo si utilizamos la escala centígrada o Celsius, encontramos, salvo rarísimas excepciones, que nos basta con dos dígitos. Así pues, el momento presente, donde el universo nos ofrece el variado panorama que podemos contemplar cada día, con sus estrellas, nebulosas y galaxias lejanas, muchas de las cuales ya no existirán a pesar de que aún a nosotros nos alcance la luz que emitieron, será el instante en que dé comienzo nuestro viaje en el tiempo en busca del pasado remoto.

Por otro lado, no debemos ignorar que el panorama que nos ofrece el resto del universo al ser observado y estudiado desde la Tierra ha sido el mismo, a grandes rasgos, con el mismo tipo de astros, hasta hace unos trece mil quinientos millones de años, edad estimada para el universo. Lógicamente, la Tierra no siempre estuvo aquí, pues el sistema solar cuenta con unos cuatro mil seiscientos millones de años de antigüedad, pero si no nos dejamos arrastrar por nuestros intereses subjetivos y consideramos nuestro mundo como un planeta más de los incontables sistemas estelares de los millones de galaxias que existen o han existido alguna vez, tendremos que reconocer que la situación no ha cambiado. Eso sí, con la salvedad de que ahora el tamaño del universo es mucho mayor y que se irá haciendo más pequeño en el transcurso de nuestro viaje de retroceso en el tiempo, porque ya demostró Hubble en los años veinte del pasado siglo, al observar la velocidad de alejamiento de las galaxias que, desde su nacimiento, el universo siempre ha estado en expansión.

Hemos de retroceder hasta aproximadamente un millón de años del principio, menos del 0,008 % de la edad actual, para encontrar el nacimiento de las primeras estrellas y galaxias, debido a la acumulación de los átomos formados antes y que habían vagado lejos unos de otros hasta que la atracción gravitatoria hizo posible que se concentraran y se transformaran mediante reacciones nucleares originado las estrellas cuando la temperatura debida a estas colisiones, alcanzaba millones de grados.

Retrocediendo otro medio millón de años, la temperatura ya era lo bastante “baja” como para que la materia y la radiación se desacoplaran, de modo que se estaba produciendo la formación de los átomos más pesados que empezó unos doscientos mil años atrás.

Algo más de diez minutos antes del principio, la temperatura del universo era de unos trescientos millones de grados. Los núcleos ligeros de hidrógeno y helio, con carga positiva, coexistían con electrones libres y, debido a su carga eléctrica, todos ellos seguían interaccionando con los fotones. La materia se encontraba en un estado denominado plasma, similar al que presenta en la actualidad en el interior del Sol.

Continuamos nuestro viaje en el tiempo aumentado la temperatura y reproduciendo en nuestros colisionadores lo que sucedió en el comienzo. Ahora, cuando alcanzamos los mil millones de grados y el universo apenas contaba con tres o cuatro minutos de existencia, tuvie­ron lu­gar una serie de reacciones nucleares que convirtieron algunos de los protones y núcleos de deu­terio en núcleos de helio, junto con trazas de otros núcleos ligeros, en un proceso cono­ci­do co­mo nucleosíntesis.

Aumentando la temperatura hasta unos tres mil millones de grados, lo que sucedió unos catorce segundos después del principio observamos que los protones y neutrones individuales empezaron a permanecer unidos al colisionar, formando un núcleo de deuterio antes de separarse por efecto de nuevos choques y que un poco antes, cuando apenas tenía un segundo de edad el universo, la agitación térmica les impedía unirse.

Mientras retrocedemos desde este segundo inicial hasta poco después de una diezmilésima de segundo tras el principio y la temperatura alcanza más de seis mil millones de grados, veremos la formación de los electrones y otras partículas similares conocidas como leptones a partir de los fotones de esa radiación primitiva en unos procesos análogos a la creación de parejas electrón-positrón que se han verificado en nuestros modernos aceleradores.

Cuando el universo tenía una diezmilésima de segundo de vida, aproximadamente, tuvo lugar la formación de los hadrones, partículas cuyos principales integrantes son los protones y neutrones, pues a unos diez billones de grados la energía de los fotones era suficiente para crear parejas protón-antiprotón y neutrón-antineutrón.

Finalmente, entre esa diezmilésima de segundo y el tiempo de Planck, que son los primeros 10-43 segundos del universo y el horizonte límite de nuestro viaje, porque las enormes energías para llegar a las temperaturas reinantes son, de momento, inalcanzables para nuestros medios e instalaciones experimentales, tuvo lugar la era inflacionaria.

Podemos afirmar que la teoría inflacionaria de Alan Guth es la teoría estándar del origen del universo. En esencia, implica un proceso denominado inflación, basado en una combinación de las ideas cosmológicas con la teoría cuántica y la física de las partículas elementales. Es una síntesis que correlaciona el comportamiento de lo muy grande (macrocosmos) a la luz de los procesos subatómicos (microcosmos).

Si tomamos como tiempo cero el momento en que todo surgió a partir de una singularidad que hemos convenido en llamar Big Bang o Gran Explosión, y dejando claro que no poseemos datos sobre los primeros 10-43s, ya que ninguna teoría hasta ahora ha podido justificar el origen del espacio, el tiempo y la materia, la inflación explica cómo una semilla extremadamente densa y caliente que contenía toda la masa y energía del Universo, pero de un tamaño mucho menor que un protón, salió despedida hacia afuera en una expansión que ha continuado desde entonces. Según la teoría inflacionaria, este empuje inicial fue debido a procesos en los que una sola fuerza unificada de la naturaleza se dividió en las cuatro fuerzas fundamentales que existen hoy: la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones nucleares fuerte y débil.

La fuerza inflacionaria sólo actuó durante una minúscula fracción de segundo, pero en ese tiempo duplicó el tamaño del universo más de cien veces, haciendo que una esfera de energía trillones de veces menor que un protón se convirtiera en una zona de unos diez centímetros de extensión en sólo 1,5·10-32 segundos. El empuje hacia afuera fue tan violento que, a pesar de que la gravedad está frenando las galaxias desde entonces, la expansión del universo continúa en la actualidad.

Después del viaje nos queda pendiente una duda: ¿Qué pasó antes del tiempo de Planck? Ahora mismo es imposible decirlo, pues las energías que podemos alcanzar actualmente superan ligeramente la frontera del Teraelectrón-voltio (TeV), mientras que la barrera que es necesario superar se sitúa en los miles de millones de TeV. Por eso, y a pesar de que la ciencia nunca dejará de sorprendernos, ante la magnitud de estas cifras no es extraño que seamos pesimistas al decir que será muy difícil responder a esta cuestión, al menos en las próximas décadas. El desierto que debemos recorrer desde los TeV hasta los trillones de TeV únicamente puede afrontarse con las teorías de unificación de las interacciones, que son el caballo de batalla de la física actual, que pretenden lograr un tratamiento matemático que permita reunir en una sola las cuatro fuerzas fundamentales, porque existe el convencimiento de que ése era el estado primitivo del universo, un instante de tiempo de inconcebible pequeñez justo después de la Gran Explosión.