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La nebulosa planetaria, identificada como NGC 3132,llamada informalmente como la Nebulosa del Anillo Sur. /Foto NASA

Los misterios del universo, del Big Bang a la distancia cósmica, explicados por Frank Wilczek

Tras las imágenes fascinantes del cosmos, enviadas por el telescopio James Webb, publicamos un pasaje iluminador del reciente libro 'Diez claves para entender la realidad', del Nobel de Física estadounidense. Una clase magistral que ayuda a comprender la existencia visible y más allá del brillo de las estrellas

Presentación WMagazín «En comparación con el espacio interestelar, nuestro sistema solar es un pequeño y acogedor cubil». Uno de los físicos más brillantes y que explica mejor los misterios de su ciencia y del universo es Frank Wilczek. En 2004 obtuvo el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la interacción fuerte, junto a David Gross y David Politzer. Su reciente libro, Las diez claves para entender la realidad (Crítica), es un viaje fascinante por los orígenes de lo visible y una clase magistral que ayuda a comprender el milagro de la existencia y lo que hay más allá del brillo de las estrellas.

Su libro cobra una relevancia especial ahora que se han revelado las nuevas y poderosas imágenes del telescopio James Webb sobre el fondo del universo jamas vistas: fotos de belleza extraordinaria que escenifican el drama de la formación del propio universo. Esas mismas fotos son un viaje al pasado porque esa luz y lo que se ve ocurrió hace más de cuatro mil millones de años luz.

WMagazín publica un pasaje de Las diez claves para entender la realidad relacionado, precisamente, con las distancias en el cosmos y el brillo y la luz de sus estrellas. Con un lenguaje claro y sencillo, Frank Wilczek (Nueva York, 1951) recorre los conceptos esenciales que forman nuestra comprensión de lo que es el mundo y cómo funciona. Investiga las ideas que forman nuestra comprensión del universo: tiempo, espacio, materia, energía, complejidad y complementariedad.

Wilczek, físico teórico, ha contribuido de forma trascendental a la física de partículas fundamentales, la cosmología y la física de materiales. Su investigación teórica en la actualidad incluye el trabajo con axiones, anyones y cristales de espacio-tiempo. Es profesor de Física en el MIT, director fundador del T. D. Lee Institute y responsable científico en el Wilczek Quantum Center de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, profesor distinguido en la Universidad Estatal de Arizona y profesor en la Universidad de Estocolmo. Es autor de La ligereza del ser (Crítica, 2009) y El mundo como obra de arte (Crítica, 2016).

“La exploración de la belleza ha ayudado a descifrar el mundo”, afirmó Wilczek en una entrevista a WMagazín por la publicación de su anterior ensayo El mundo como obra de arte (Crítica).

Te invitamos a conocer un poco más el universo y la existencia y verlas con nuevos ojos gracias a la pasión y brillantez con que lo cuenta Frank Wilczek:

El Nobel de Física Frank Wilczek.

'Las diez claves de la realidad'

Por Frank Wilczek

El número de estrellas que podemos ver a simple vista en una noche sin luna y con el cielo claro es, en el mejor de los casos, de unos pocos millares. Diez mil cuatrillones — el número de átomos de nuestro cuerpo — es alrededor de un millón de veces el número de estrellas del universo visible. En este sentido tan concreto, albergamos en nuestro interior todo un universo.

Walt Whitman (1819-1892), el apasionado poeta estadounidense, sentía de manera instintiva la grandeza de nuestro interior. En su Canto de mí mismo escribió: «Soy inmenso, contengo multitudes». La gozosa celebración de la abundancia de Whitman está tan fundamentada en hechos objetivos como en la envidia cósmica de Pascal, y es mucho más relevante para nuestra verdadera experiencia.

El mundo es grande, pero nosotros no somos pequeños. Es más acertado decir que hay una gran abundancia de espacio tanto si miramos hacia fuera como si miramos hacia dentro. No debemos envidiar al universo solo porque sea grande. También lo somos nosotros. Lo bastante grandes, de hecho, para contener el universo exterior en nuestra mente. El propio Pascal se reconfortó con esta idea, pues a su lamento de que «el universo me comprende y devora como un punto» le sigue la consolación: «Pero, por el pensamiento, yo lo comprendo».

La prospección del universo

Habiendo tomado ya la medida del espacio cercano, podemos proceder a sondear el cosmos. Las principales herramientas para esta empresa son varios tipos de telescopios. Además de los telescopios más familiares, que utilizan la luz visible, los astrónomos utilizan otros que recogen «luz» de muchas otras regiones del espectro electromagnético, por ejemplo de ondas de radio, microondas, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Hay, además, ojos más extraños en el cielo que no se basan en la radiación electromagnética, y entre ellos destaca uno que se ha añadido hace muy poco: los detectores de ondas gravitatorias. Hablaremos más sobre ellos en capítulos posteriores.

Comenzaremos por resaltar las conclusiones, de una sorprendente simplicidad, que se desprenden de estos sondeos, y luego revisaremos cómo las alcanzaron los astrónomos. Esto último es más complicado, pero, dado el contexto, sorprendentemente sencillo.

La conclusión más fundamental es que encontramos el mismo tipo de material por todos lados. Además, observamos que en todos los lugares se aplican las mismas leyes.

En segundo lugar, encontramos que la materia está organizada en una jerarquía de estructuras. Miremos donde miremos, reconocemos estrellas. Estas tienden a agruparse en galaxias, que a menudo contienen desde unos pocos millones a miles de millones de estrellas. Nuestra propia estrella, el Sol, lleva un séquito de planetas y satélites (además de cometas, asteroides, los hermosos «anillos» de Saturno y otros restos de materia). Júpiter, el mayor de los planetas, tiene alrededor de una milésima parte de la masa del Sol, mientras que la de la Tierra es de tres millonésimas de la masa de nuestra estrella. Pese a su módica masa, los planetas y sus satélites deben ocupar un lugar especial en nuestro corazón. Habitamos uno de ellos, por supuesto, pero hay otras razones que nos llevan a sospechar que también otros podrían sustentar otras formas de vida, quizá no en nuestro sistema solar, pero sí en algún otro. Los astrónomos intuían desde hacía tiempo que otras estrellas podían tener planetas, pero solo en tiempos recientes hemos alcanzado la capacidad técnica que nos permite detectarlos. En la actualidad se han descubierto ya cientos de planetas extrasolares, y no paran de llegar nuevos descubrimientos.

En tercer lugar, encontramos que todo este material salpica el espacio de manera casi uniforme. En todas las direcciones y a todas las distancias medimos más o menos la misma densidad de galaxias.

Más tarde refinaremos y complementaremos estas tres conclusiones fundamentales, sobre todo para dar cabida al Big Bang, la «materia oscura» y la «energía oscura». Pero su mensaje central persiste: se encuentran los mismos tipos de sustancia, organizados de las mismas formas, distribuidos de manera uniforme por el universo visible y en enorme abundancia.

(…)

Las distancias cósmicas

En escalones más altos de la escalera de distancias cósmicas resulta más práctico medir las distancias en años luz en lugar de segundos luz. Para empezar, y para que nos sirva de referencia, el radio de la Tierra es de aproximadamente una mil millonésima de año luz.

Conviene conservar este valor en la memoria mientras ampliamos nuestra prospección del mundo. Pronto abarcaremos años luz enteros, y luego cientos, millones y, para acabar, miles de millones de años luz. Nuestro siguiente hito en la secuencia de distancias es la que se extiende entre la Tierra y el Sol, que es de unos 150 millones de kilómetros, lo que también podemos expresar como 8 minutos luz o como 15 millonésimas de año luz.

Merece la pena observar que la distancia entre la Tierra y el Sol es unas 24.000 veces el radio de nuestro planeta. Esta cifra tan descomunal nos hace ver que, incluso dentro del sistema solar, toda la Tierra, por no hablar de un humano, queda realmente «devorado como un punto».

No conviene dejar que eso nos atormente, pues la situación se pone mucho peor. Nuestro ascenso por la escalera de distancias cósmicas no ha hecho más que empezar.

Conociendo el tamaño de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, podemos usarla para determinar de manera directa, con la ayuda de la geometría euclidiana,la  distancia a algunas estrellas relativamente cercanas, aquellas que son lo bastante próximas a nosotros como para que su posición en el cielo cambie de forma perceptible en el curso de un año a causa del movimiento de nuestro planeta alrededor del Sol. Este efecto se conoce como paralaje. Nuestra visión binocular usa el paralaje para estimar nuestra distancia a objetos mucho más cercanos, que se presentan con ángulos distintos a cada uno de los dos ojos. La misión espacial Hipparcos, que se mantuvo activa entre 1989 y 1993, utilizó el paralaje para catalogar las distancias a unas cien mil estrellas (relativamente) cercanas.

La que se encuentra más cerca, Próxima Centauri, se encuentra a poco más de cuatro años luz. Tiene dos compañeras cercanas. La estrella de Barnard, la siguiente estrella independiente más cercana a nosotros, se encuentra a unos seis años luz de distancia. La comunicación con (hipotéticos) extraterrestres que habiten cualquiera de estos dos sistemas, o con sus futuros colonos cíborgs, nos exigirá muchísima paciencia.

En comparación con el espacio interestelar, nuestro sistema solar es un pequeño y acogedor cubil. La distancia del Sol a Próxima Centauri es aproximadamente medio millón de veces la distancia de la Tierra al Sol.

La técnica clave para extender la escalera de distancias cósmicas todavía más lejos aprovecha el hecho, que ya hemos mencionado antes, de que encontramos los mismos tipos de objetos y materiales allá donde miremos. Si podemos identificar una clase de objetos que presenten el mismo brillo intrínseco, diremos que estos objetos nos proporcionan una «candela estándar». Si conocemos la distancia a una de estas candelas estándar, podemos determinar la distancia a cualquier otra comparando el brillo que observamos. Por ejemplo, si una de estas fuentes está el doble de lejos que otra, su brillo aparente será una cuarta parte del de la primera.

Ahora bien, todo esto nos lleva a preguntarnos cómo podemos convencernos a nosotros mismos de que unos objetos que vemos en lugares distintos y muy lejanos tendrían el mismo brillo si nos acercásemos a ellos. La idea básica es que buscamos clases de objetos con muchas propiedades en común, confiamos en que funcione, y verificamos la coherencia de los resultados. Un ejemplo simple servirá para ilustrar la idea básica y sus problemas.

Las estrellas son, por lo general, demasiado diversas para servir de candelas estándar. La estrella blanca Sirio A es unas veinticinco veces más brillante que nuestro Sol, mientras que su cercana compañera, Sirio B, una enana, tiene solo una cuadragésima parte del brillo de nuestra estrella aunque, en términos astronómicos, ambas se encuentran más o menos a la misma distancia de la Tierra. Resulta mucho más práctico restringir nuestras comparaciones a estrellas que tienen el mismo color, o, para ser más precisos, que emiten el mismo espectro electromagnético. Cuando comparamos esas estrellas de aspecto idéntico, es razonable pensar que
las diferencias de brillo se deban a diferencias en sus distancias. Así lo predice la teoría física de las estrellas, que explica muchas de sus características observables, pero ¿cómo podemos comprobarlo? Una forma de hacerlo consiste en encontrar un grupo compacto que contenga muchas estrellas cercanas entre sí. El cúmulo de las Híades, que contiene muchos cientos de estrellas, es un ejemplo perfecto. Si las estrellas que tienen espectros parecidos tienen luminosidad intrínseca también parecida, entonces dos de esas estrellas situadas en el mismo cúmulo deberían mostrar el mismo brillo aparente. Y eso es básicamente lo que encontramos.

Los astrónomos profesionales tienen que tomar en cuenta otras complicaciones, como el efecto del polvo interestelar. Al absorber la luz, este polvo puede hacer que los objetos parezcan ser menos lejanos de lo que realmente son. Confío en que mis colegas me disculpen por explicar todo esto por encima, igual que muchos otros detalles técnicos que no modifican la idea central.

(…)

Rumbo al Big Bang

Hubble descubrió un patrón sorprendentemente simple en los corrimientos al rojo que observó: cuanto más lejos se encontraba una galaxia, mayor era el corrimiento. Al analizar sus datos con más detalle, se percató de que la magnitud del corrimiento era proporcional a la distancia. Eso implicaba que las galaxias más lejanas se alejaban a velocidades proporcionales a su distancia.

Si imaginamos que invertimos los movimientos de las galaxias para reconstruir el pasado, esa proporcionalidad adquiere un significado nuevo y dramático. Significa que, en el flujo invertido, las galaxias más lejanas se acercan a nosotros más deprisa, recorriendo la distancia del modo preciso para que todo se junte al mismo tiempo. Dicho de otro modo, nos lleva a sospechar que, en el pasado, toda la materia del universo se hallaba empaquetada a una densidad mucho mayor que en la actualidad. Si volvemos a la dirección natural del tiempo, todo adquiere el aspecto de una explosión cósmica.

¿Es posible que el universo proceda de una explosión? Cuando el sacerdote jesuita Georges Lemaître propuso por primera vez esta interpretación de las observaciones de Hubble, su «Big Bang» era una idea valiente y hermosa, pero sin apenas pruebas que la respaldasen ni un asiento sólido en la física. (Lemaître hablaba de un «átomo primigenio» o un «huevo cósmico». El nombre, menos poético, de «Big Bang» o «gran explosión» vendría más tarde.) Sin embargo, investigaciones posteriores nos han permitido entender mucho mejor el comportamiento de la materia en condiciones extremas. En la actualidad, las pruebas a favor del concepto del Big Bang son abrumadoras. En el capítulo 6 comentaremos la historia cósmica mucho más a fondo, y revisaremos toda esa evidencia.

De momento, para acabar de perfilar nuestra prospección del cosmos, utilizaremos la imagen que nos ofrece el Big Bang para definir el límite y extensión del universo visible. Si mentalmente corremos para atrás la película de la historia cósmica, encontramos que todas las galaxias se encuentran en un momento bien definido en el tiempo. ¿Cuándo? Para calcularlo, basta con dividir la distancia que debe recorrer una galaxia por la velocidad a la que se desplaza. (Como, de acuerdo con las observaciones de Hubble, la velocidad de una galaxia es proporcional a su distancia, obtendremos siempre el mismo resultado con independencia
de qué galaxia escojamos.) Al hacerlo, podemos estimar que las galaxias debieron estar todas juntas hace unos 20.000 millones de años. Los cálculos más precisos, que tienen en cuenta cómo cambian las velocidades con el tiempo a causa de la gravedad, arrojan un resultado ligeramente menor. En la actualidad, la mejor estimación es que desde el Big Bang hasta ahora han pasado 13.800 millones de años.

Cuando observamos objetos en el cosmos más distante, lo que hacemos es mirar al pasado. Como la luz viaja a una velocidad finita, la luz que recibimos hoy procedente de un objeto lejano debió emitirse hace mucho tiempo. Cuando miramos hacia atrás unos 13.800 millones de años, hasta el Big Bang, alcanzamos los límites de nuestra visión. Quedamos «cegados por la luz». La
explosión cósmica inicial fue tan brillante que no podemos ver más allá de ella. (O, por lo menos, nadie sabe cómo.)

E igual que no podemos mirar más allá de cierto tiempo, tampoco podemos ver más allá de cierta distancia: la que puede viajar la luz en el limitado tiempo de que ha dispuesto hasta día de hoy. Por muy grande que «realmente» sea el universo, el que hoy nos resulta visible es finito.

¿Y cómo es de grande? Aquí es donde de verdad resulta brillante la idea de medir la distancia en unidades de años luz. Como el tiempo limitante es de 13.800 millones de años, la distancia limitante es… ¡13.800 millones de años luz! Para acabar de comprender lo que esa inmensidad significa, recordemos que el radio de la Tierra es de una mil millonésima de año luz.

Con este brutal contraste damos por finalizada nuestra prospección del tamaño del universo. El mundo es grande. Hay mucho espacio para que prosperen los humanos, y mucho más todavía que podemos admirar a lo lejos.

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