lunes, 17 de julio de 2017

Utilizando el modelo de red neuronal de traducción de Google (GNMT)...¡para jugar al ajedrez!

Hace unos días, y para mi gran sorpresa, Google nos hizo el enorme regalo de hacer público el código fuente de su motor de traducción de lenguaje natural más moderno (GNMT): https://github.com/tensorflow/nmt

Así que decidí rápidamente hacer uso de esta maravilla, junto con las mejoras con la que la versión 1.2 de TensorFlow viene cargada, para programar las modificaciones necesarias para poder enfocar este modelo de Google a la traducción...¡de jugadas en el juego del ajedrez! Es decir; que el modelo (con modificaciones mínimas), en lugar de aprender a traducir por ejemplo de español a inglés, es también capaz de inferir movimientos de ajedrez válidos (usando la notación algebraica) dado un estado cualquiera de tablero.

El resultado final lo podéis ver (y usar) en el siguiente repositorio de mi cuenta personal en GitHub: https://github.com/Zeta36/Using-Google-Neural-Machine-Translation-for-chess-movements-inference-TensorFlow-.

Pero lo realmente importante de todo es sin duda el hecho de comprender la potencia que tiene el modelo de Google para poder ser generalizado a cualquier tarea de mapeo que pueda ser tratada y representada de manera adecuada y de modo que podamos generar pares de entrada (source-target) para el entrenamiento supervisado. En este sentido se puede decir que el mismo modelo neuronal que es capaz de traducir entre idiomas, es también capaz de aprender a inferir como realizar tareas que en principio parecen poco relacionadas con  la propia traducción de textos. 

Esto me hace pensar que con este hecho se está demostrando algo significativo pero ya a un nivel neuronal (humano). Es posible que resultados como el que se demuestran con este tipo de generalizaciones de aprendizaje (y memorización) bajo una misma estructura de red neuronal artificial, sean una pista del modo en que nuestro propio cerebro podría igualmente ser capaz de reutilizar una misma zona cerebral para realizar muy diversas tareas de procesamiento. En este sentido no es descabellado a la luz de lo observado que por ejemplo partes de nuestro cerebro que se utilicen para entender y traducir lenguaje natural, sea utilizado además para otras tareas de inferencias totalmente distintas de las lingüísticas (como aprender a jugar al ajedrez, o incluso comprender ciertas ideas matemáticas). Os dejo a continuación con un poco de más información técnica sobre el proyecto que he realizado:

Using (Google) Neural Machine Translation for chess movements inference

Somedays ago a free version of the source code of the GNMT (Google Neural Machine Translation) was release in: https://github.com/tensorflow/nmt by Thang Luong, Eugene Brevdo, Rui Zhao
 

Introduction

Sequence-to-sequence (seq2seq) models (Sutskever et al., 2014Cho et al., 2014) have enjoyed great success in a variety of tasks such as machine translation, speech recognition, and text summarization.
I've used the release of this seq2seq to show the power of the model. Using a vocabulary with just de numbers and letters (the symbols) used for the chess algebraic notation, I was able to train a model to infer the movement a human would do given a table state.
The supervised learning uses then source-target pairs of the form:
Source: rnq1kb1r/pp11ppp1/11p11n11/1111111p/11111111/11111NPb/PPPP1P1P/RNBQR1KB b
Target: Bg4
The source is the state of the board, and the target the movement a human would do in this situation.
In this way the source vocabulary was:
w
/
1
p
r
n
b
q
k
P
R
N
B
Q
K
and the target vocabulary:
p
r
n
b
q
k
P
R
N
B
Q
K
x
+
O
-
1
2
3
4
5
6
7
8
a
c
d
e
f
g
h
=

Results

Using a NMT + GNMT attention (2 layers) the model was able to reach a good result with:
eval dev: perplexity 2.83 eval test: perplexity 3.07 global training step 72100 lr 0.868126 step-time 0.51s wps 9.57K ppl 2.76 bleu 20.64
This means that, given a board state whatever, the model can predict in a seq2seq way a valid (and usually human) chess movement.

viernes, 14 de julio de 2017

Breve (y sencilla) explicación sobre el hecho de que el LHC ha sido un experimento fallido

El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), cerca de Ginebra.


Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99 % de la velocidad de la luz (0.999999991 veces para ser precisos), y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías a escalas subatómicas. El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo, y utiliza un túnel de 27 km de circunferencia.

La finalidad para la construcción del proyecto fue, a parte de encontrar experimentalmente al bosón de Higgs, lograr hallar nueva física más allá del modelo estándar. En concreto su costosa construcción se planificó para encontrar indicios de: los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético, la existencia de partículas supersimétricas, detectar la existencia de dimensiones extras  (tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de cuerdas), encontrar alguna pista sobre qué podría ser la materia oscura, encontrar nuevas violaciones de simetría entre la materia y la antimateria (y explicar por qué ocurren las que ya conocemos), intentar ayudar en el estudio de la teoría de la Gran Unificación entre la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte, e intentar explicar la causa de que la fuerza de la gravedad sea tan débil en comparación al resto de las fuerzas fundamentales. En resumen: hallar indicios experimentales de física más allá del modelo estándar (establecido).

Pues bien, hablando como promete el título de este artículo con brevedad, el multimillonario experimento del CERN ha sido un demoledor fracaso sencillamente porque NO ha logrado ninguno de sus objetivos a parte de encontrar el, por otra parte esperado, bosón de Higgs.

Se estima que el coste total del proyecto ha sido de alrededor de 7.000 millones de euros, y que requiere para su funcionamiento de un consumo eléctrico diario comparable al de una ciudad entera. Pero además del coste de construcción, el LHC requiere de un coste anual de mantenimiento y explotación cercano a los 1.000 millones de euros.

Se puede estimar que el proyecto en su conjunto desde su planificación y aprobación en los presupuestos de 1995, ha supuesto un coste total cercano a los 15.000 millones de euros. ¿Y sabéis para qué? Pues sí, como podéis imaginar todo ese dinero y esfuerzo han servido para muy poco.

El descubrimiento del (esperado y dado teóricamente casi por seguro) bosón de Higgs ha sido el único "retorno" de la gran lista de objetivos que enumeramos arriba. Así pues, la meta fundamental del LHC, que no era encontrar el Higgs -como muchos creen- sino ayudar a encontrar alguna pista experimental (cualquiera) de nueva física fuera del modelo estándar de partículas, no se ha cumplido en absoluto a fecha de 2017 y con la máquina funcionando ya a su máxima potencia de 14 TeV.

¿Y ahora qué?

Pues ahora probablemente nada. Es muy complicado que sin una mínima pista sobre las energías a las que se puedan hallar evidencias experimentales de esta esperada nueva física, ningún estado vaya a construir un nuevo acelerador más potente que requeriría de una inversión de dimensiones colosales y que no tendría ninguna garantía de retorno experimental (y mucho menos tecnológico).

Se habla mucho actualmente, por ejemplo, sobre la posible construcción también en Ginebra de un nuevo acelerador de partículas con ¡un túnel de 100 km! que rodearía la ciudad entera de Ginebra y la montaña de el Salève, que utilizando unos poderosos (y astronómicamente caros) imanes superconductores permitirían energías de colisión de unos 100 TeV.

Seamos serios, este proyecto no se va a aprobar.

Si los poco más de 25 Km de túneles del LHC han costado la friolera de 15.000 millones de euros entre construcción y explotación, siendo MUY generosos (proponiendo un crecimiento de coste lineal y no exponencial como posiblemente sea el caso), este nuevo acelerador 4 veces más grande y potente que el LHC costaría en total (insisto, tirando por lo bajo) no menos de 60.000 millones de euros. Y si desde la planificación y la aprobación de los presupuestos del LHC en 1995, se tardó casi 17 años en lograr hacer a éste operativo, probablemente este nuevo acelerador tardaría (si seguimos tirando de una extrapolación lineal) ¡no menos de 50 años en poder entrar en funcionamiento!


Y todo además sin la seguridad de que a esos 100 TeV se vaya a encontrar finalmente indicios de nueva física. Es decir, sin la seguridad de retorno alguno. Cosa que no ocurrió, por ejemplo, con la aprobación del LHC hace casi 20 años, puesto que en ese caso se sabía desde el principio que como poco se hallaría (casi seguro) el bosón de Higgs (una partícula encuadrada tan firmemente dentro del modelo estándar que su no aparición casi habría sido imposible): pero hoy por hoy no se podría asegurar ("vender") ni eso. Los físicos no tienen en estos momentos nada que "vender" para buscar el dinero necesario para construir esta monstruosidad planificada. Y dudo mucho que la clase política (ni los ciudadanos en general con dos dedos de frente) vayan a permitir semejante "inversión" casi billonaria (y sin garantía de retorno alguno) habiendo tantos problemas más "mundanos" que resolver antes.

Se puede decir, a modo de resumen y pese que a mucho les pese, que el rotundo fracaso del LHC ha supuesto el final del estudio experimental de la física teórica mediante cada vez más grandes y potentes aceleradores de partículas. Habrá que hallar otra manera de experimentar con la materia, o sencillamente abandonar el estudio experimental a estos niveles energéticos y buscar otras formas de hacer física.

Un saludo, compañeros.

miércoles, 12 de julio de 2017

La magnífica mejora en el sistema de traducción de Google (que ha pasado casi desapercibida)

"Alrededor de dos mil quinientos años atrás, un comerciante mesopotámico reunió arcilla, madera y juncos y cambió la humanidad para siempre. Con el tiempo, su ábaco permitiría a los comerciantes hacer un seguimiento de los bienes y reconciliar sus finanzas, permitiendo que la economía florezca.

Pero ese momento de inspiración también ilumina otra asombrosa habilidad humana: nuestra capacidad de recombinar conceptos existentes e imaginar algo completamente nuevo. El inventor desconocido habría tenido que pensar en el problema que querían resolver, el artefacto que podían construir y las materias primas que podían reunir para crearlo. La arcilla se podría moldear en una tableta, un palillo se podría utilizar para rasguñar las columnas y los juncos pueden actuar como contadores. Cada componente era familiar y distinto, pero juntos en esta nueva forma, formaron algo revolucionario.

Esta idea de "composicionalidad" está en el centro de las capacidades humanas como la creatividad, la imaginación y la comunicación basada en el lenguaje. Equipado con sólo un pequeño número de bloques de construcción conceptuales familiares, somos capaces de crear un gran número de nuevos sobre la marcha. Hacemos esto naturalmente colocando conceptos en jerarquías que van de específico a más general y luego recombinando diferentes partes de la jerarquía de maneras novedosas.

Pero lo que viene tan naturalmente a nosotros, sigue siendo un reto en la investigación de la IA.

En nuestro nuevo artículo , proponemos un nuevo enfoque teórico para abordar este problema. También se demuestra un nuevo componente de red neural denominado Symbol-Concept Association Network (SCAN), que puede, por primera vez, aprender una jerarquía de conceptos visuales conectados de manera que imita la visión humana y la adquisición de palabras, permitiéndole imaginar conceptos novedosos guiado por instrucciones de lenguaje.

Nuestro enfoque difiere de los trabajos previos en esta área, ya que está totalmente basado en los datos sensoriales y aprende de muy pocos pares de "imagen-palabra". Mientras que otros enfoques de aprendizaje profundo requieren miles de ejemplos de imágenes para aprender un concepto, SCAN aprende tanto las primitivas visuales como las abstracciones conceptuales principalmente de observaciones sin supervisión y con tan sólo cinco pares de una imagen y una etiqueta por concepto. Una vez entrenado, SCAN puede generar una lista diversa de conceptos que corresponden a una imagen en particular, e imaginar diversos ejemplos visuales que corresponden a un concepto particular, incluso si nunca ha experimentado el concepto antes.

Esta capacidad de aprender nuevos conceptos mediante la recombinación de los existentes a través de instrucciones simbólicas ha dado a los seres humanos capacidades asombrosas, lo que nos permite razonar sobre conceptos abstractos como el universo, el humanismo o - como fue el caso en Mesopotamia - economía. Mientras que nuestros algoritmos tienen un largo camino por recorrer antes de que puedan hacer tales saltos conceptuales, este trabajo demuestra un primer paso hacia tener algoritmos que pueden aprender de una manera en gran medida sin supervisión, y pensar en abstracciones conceptuales como las utilizadas por los seres humanos."

Este texto que acabo de pegar arriba es la asombrosa conclusión de un nuevo trabajo de Google DeepMind (publicado hoy). Se trata de una traducción parcial del siguiente artículo del blog oficial de la propia compañía de Google: https://deepmind.com/blog/imagine-creating-new-visual-concepts-recombining-familiar-ones/

Pero lo más destacado de todo esto no es quizás el trabajo comentado en sí mismo, sino el hecho de que el texto mostrado antes ha sido totalmente traducido de manera autónoma por el actual motor de IA de Google. No he necesitado hacer ni una sola modificación o corrección al texto devuelto, y si acaso lo que yo quizás pondría sería un "la" delante de donde dice "sobre conceptos abstractos como el universo, el humanismo o - como fue el caso en Mesopotamia - LA economía".

En fin, es evidente que rápidamente nos acostumbramos a lo bueno, y que pocos recuerdan ya las críticas hacia la traducción automática que hacíamos del traductor de Google hace apenas un año y pico. Pues bien, desde entonces Google ha mejorado MUCHO el sistema de traducción gracias a una innovación tecnológica que han denominado Neural Machine Translation:
https://research.googleblog.com/2016/09/a-neural-network-for-machine.html
https://research.googleblog.com/2016/11/zero-shot-translation-with-googles.html


El sistema aún no es perfecto (y su implantación tristemente casi ha pasado desapercibida en los medios de comunicación), pero si uno se fija y compara el tipo de traducciones automáticas de las que disponíamos hace apenas 5 años con las que tenemos hoy día, se puede ver claramente una mejora literalmente exponencial. Muy (muy) probablemente Google logrará una traducción con capacidades sobrehumanas en los próximos 5 años, amén de un sistema de reconocimiento de voz igualmente mejor que el del hombre medio. Vale unir a esto la síntesis autónoma de voz "end-to-end" de trabajos como los de WaveNet o Tacotron para poderse asegurar que en no más de un lustro dispondremos de aparatos (igual un simple móvil Android) capaces de oír (y transcribir el contenido de) una voz, detectar el lenguaje, traducir lo escuchado a otra lengua arbitraria, y dictar con una voz sintética indiferenciable de una humana dicho texto ya traducido. Esto de hecho ya hay dispositivos que "pueden" hacerlo, pero la cuestión es que en poco tiempo existirán proyectos capaces de realizar esta tarea siempre MEJOR (y más rápido) que cualquier persona.

Los traductores humanos serán posiblemente el primer gremio (mucho antes incluso que los taxistas y demás transportistas) en perder TODO su trabajo a manos de la automatización.

Un saludo, compañeros.

lunes, 10 de julio de 2017

Una Breve Historia del Universo

Tuve un sueño, que no era del todo un sueño.
El brillante sol se apagaba, y los astros
vagaban diluyéndose en el espacio eterno,
sin rayos, sin senderos, y la helada tierra
oscilaba ciega y oscureciéndose en el aire sin luna;
la mañana llegó, y se fue, y llegó, y no trajo
consigo el día.
Oscuridad, Lord Byron (1788-1824)

Una Breve Historia del Universo

Os ofrezco a continuación mi traducción personal de este interesante texto del profesor John Baez, matemático en la Universidad Riverside de California.

Fuente original: http://math.ucr.edu/home/baez/timeline.html (John Baez)

28 de agosto de 2012


Nota: ¡todas las cifras aquí son aproximadas! He dejado fuera muchos incidentes emocionantes en la historia del universo, pero aún sigue siendo un descripción bastante interesante. Puedes ver la historia desde tres puntos de vista:


Contando hacia atrás desde ahora


Hace 60 años - Invención de la computadora.

Hace 130 años - Invención del teléfono.

Hace 180 años - Revolución del combustible fósil: carbón, trenes.

Hace 540 años - Invención de la imprenta.

Hace 5,500 años - La invención de la rueda, la escritura.

Hace 7.600 años - El desierto del Sahara comienza a formarse en el norte de África.

Hace 8,800 años - Aparecen las primeras ciudades.

Hace 10.300 años - Fin del período glacial más reciente : la glaciación de Wisconsin.

Hace 12.700 - 11.500 años - Acontece el Dryas Reciente o Joven Dryas.

Hace 18.000 años - Cultivo de plantas, pastoreo de animales. El Homo sapiens llega a las Américas.

Hace 21.000 años - Último máximo glacial: capas de hielo hasta los Grandes Lagos, la desembocadura del Rin, y cubriendo las Islas Británicas.

Hace 32.000 años - Se crean las pinturas rupestres más antiguas conocidas hasta la fecha.

Hace 35.000 años - Invención del calendario, extinción del Homo neanderthalensis . El Homo sapiens llega a Europa.

Hace 50.000 años - El Homo sapiens llega a Asia central.

Hace 100.000 años - El Homo sapiens llega a Oriente Medio.

Hace 110.000 años - Comienzo del período glacial más reciente: la glaciación de Wisconsin.

Hace 130.000 años - Principio del interglacial Eemiana.

Hace 200.000 años - Comienzo del segundo período glacial más reciente: la glaciación wolstoniana.

Hace 250.000 años - Aparece el primer Homo sapiens.

Hace 350.000 años - Aparece el primer Homo neanderthalensis.

Hace 380.000 años - Comienzo del interglacial de Hoxnia.

Hace 450.000 años - Comienzo del tercer período glaciar más reciente: la glaciación de Kansan, durante la cual las capas de hielo alcanzaron su máxima extensión en el Pleistoceno, hasta Kansas y Eslovaquia.

Hace 620.000 años - Principio del interglacial Cromeriana.

Hace 1.4 millones de años - El género homo domina el fuego.

Hace 1,9 millones de años - Primer Homo erectus .

Hace 2,5 millones de años - Primer Homo habilis. Comienzo de un período de repetidas glaciaciones ("Edad de hielo").

3 millones de años - Una tendencia global de disminución de la temperatura hace que el hielo se forme en el Polo Norte durante todo el año.

Hace 3,9 millones de años - Primer Australopithecus afarensis .

Hace 5 millones de años - Los homínidos se separaran evolutivamente de otros simios (gorilas y chimpancés).

Hace 21 millones de años - Los simios se separaron de otros monos.

Hace 24 millones de años - La tendencia de enfriamiento causa la formación de pastizales: la Antártida se cubre con hielo.

Hace 34 millones de años - Gondwanaland termina de dividirse, con Australia y América del Sur separándose de la Antártida.

Hace 50 millones de años - La India comienza a chocar con Asia, formando eventualmente el Himalaya.

Hace 67 millones de años - Un gran asteroide golpea México causando la extinción Cretácico-Terciario. Fin de los dinosaurios. ¡El 50% de todas las especies se extinguen! Intensificación de la tendencia mundial hacia una bajada de temperaturas.

Hace 114 millones de años - Primeros mamíferos modernos. El mundo comienza a enfriarse.

Hace 150 millones de años - Primeras aves.

Hace 200 millones de años - Pangea comenzó a dividirse en continentes separados: Gondwana al sur y Laurasia al norte, separados por el Mar Tethys.


Hace 205 millones de años - La extinción triásico-jurásica. Supone el fin de la era de grandes anfibios y muchos reptiles.

Hace 235 millones de años - Primeros dinosaurios, flores.

Hace 250 millones de años - La extinción Pérmico-Triásico . ¡El 90% de todas las especies se extinguen! Formación del supercontinente Pangea, con el océano circundante Panthalassa.


Hace 313 millones de años - Primeros reptiles.

Hace 365 millones de años - La extinción del Devoniano. ¡El 70% de las especies marinas se extinguen! Primeros anfibios, árboles.

Hace 395 millones de años - Primeros insectos en tierra.
Hace 415 millones de años - Aparece el viejo continente conocido como Laurussia, está formado por la colisión de Baltica y Laurentia al principio del Devónico.

Hace 440 millones de años - La extinción Ordoviciano-Siluriana. La mayoría de las especies marinas se extinguieron.

Hace 670 millones de años - Primeros animales.

630-850 millones de años - Período criogeniano, también conocido como la Superglaciación -la peor edad de hielo en la historia de la Tierra.

800 millones de años - El supercontinente Rodinia comienza a romperse.

Hace mil millones de años - Formación del supercontinente Rodinia.

Hace 1.300 millones de años - Primeras plantas.

Hace 1.600 millones de años - Primeras algas verde-azuladas.

Hace 2.400 millones de años - El Gran Evento de Oxidación: la atmósfera de la Tierra se oxigena.

Hace 3.000 millones de años - Formación del primer continente conocido, Ur.

Entre 3.800 - 4.000 millones de años - Se produce el Bombardeo Intenso Tardío: un período durante el cual la Tierra, Luna, Venus y Marte fueron sometidos a muchos impactos de asteroides, después de un período relativamente tranquilo de varios millones de años.

Hace 4.000 millones de años - Primeras formas de vida en la Tierra.

Hace 4.450 millones de años - La formación de la Tierra se completa. Una tormenta de impactos de asteroides golpea continuamente al planeta.

Hace 4.500 millones de años - Formación de la Luna: según la Hipótesis del Gran Impacto, esto sucedió cuando Theia chocó con la proto-Tierra.

Hace 4.550 millones de años - Formación del Sistema Solar.

Hace 13.300 millones de años - Reionización: las primeras estrellas calientan e ionizan el gas de hidrógeno.

13.300 - 13.700 millones de años - La Edad Oscura, periodo posterior a la formación del hidrógeno y anterior a la formación de las primeras estrellas.

Hace 13.700 millones de años - Se produce el Big Bang : ¡el comienzo del universo tal como lo conocemos!

Contando hasta el Big Bang


En lo que sigue voy a ofrecer para cada periodo la temperatura del espacio exterior en grados Kelvin. Kelvin significa "grados Celsius por encima del cero absoluto". El punto de fusión del agua es 273 Kelvin. El punto de ebullición es 373 Kelvin.

13.700 millones de años después del Big Bang - Ahora.
Temperatura: 2.726 Kelvin


550 millones de años después del Big Bang - Reionización: las primeras estrellas calientan e ionizan el gas hidrógeno. 
Temperatura: aproximadamente 30 Kelvin.


380 mil años después del Big Bang - Recombinación: el gas de hidrógeno se enfría para formar moléculas.
Temperatura: 3000 Kelvin.


10 mil años después del Big Bang - Fin de la era dominada por la radiación.
Temperatura: 12.000 Kelvin.


1000 segundos después del Big Bang - Decaimiento de los neutrones solitarios.
Temperatura: aproximadamente 500 millones de Kelvin.


180 segundos después del Big Bang - Comienzo de la nucleosíntesis: formación del helio y otros elementos del hidrógeno
Temperatura: aproximadamente 1.000 millones Kelvin.


10 segundos después del Big Bang - Aniquilación de pares de electrones-positrones.
Temperatura: aproximadamente 5 mil millones Kelvin.


1 segundo después del Big Bang - Desacoplamiento de neutrinos.
Temperatura: aproximadamente 10 mil millones Kelvin


100 microsegundos después del Big Bang - Aniquilación de piones.
Temperatura: aproximadamente 1 billón Kelvin


50 microsegundos después del Big Bang - "Transición de fase QCD": los quarks se unen para formar neutrones y protones.
Temperatura: 1.7-2.1 billones de Kelvin


10 picosegundos después del Big Bang - "Transición de fase Electro-débil": la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil se vuelven diferentes.
Temperatura: 1-2 cuatrillones de Kelvin.

Nota: un picosegundo es una trillonésima parte de segundo. Antes de esto las temperaturas eran tan altas que nuestro conocimiento de la física es incapaz de decir con certeza qué pasó, aunque los expertos tienen algunas buenas suposiciones ;).

Contando hacia adelante en el futuro


50 mil años a partir de ahora - posible final de la Época Antropocena, el período de climas cálidos causado por la quema rápida de combustibles fósiles.

50 millones de años a partir de ahora - África choca con Europa, eliminando el mar Mediterráneo.

150 millones de años a partir de ahora - El Océano Atlántico comienza a cerrarse.

250 millones de años a partir de ahora - América del Norte y del Sur chocan con África, formando un nuevo supercontinente.

750 millones de años a partir de ahora - La galaxia Enana Elíptica de Sagitario pasa a través de la Vía Láctea, y tal vez se desintegra.

1.100 millones de años a partir de ahora - El Sol se hace un 10% más brillante que hoy . El efecto invernadero puede evaporar los océanos de la Tierra. Si es así, el agua en la atmósfera superior se fotodisociará y el hidrógeno escapará hacia el espacio exterior.

2.000 millones de años a partir de ahora - La galaxia de Andrómeda se acerca a nuestra galaxia, la Vía Láctea:


3.500 millones de años a partir de ahora - El Sol se vuelve un 40% más brillante que hoy. Las condiciones en la Tierra se parecerán a las del actual planeta Venus.

3.750 millones de años a partir de ahora - La Galaxia de Andrómeda casi toca ya a la Vía Láctea:


3.850 millones de años a partir de ahora - La Galaxia de Andrómeda hace finalmente su primer paso por la Vía Láctea, dando lugar a una explosión de formación estelar:


3.900 millones de años a partir de ahora - La formación de nuevas estrellas alcanza su pico como consecuencia del primer paso de la Galaxia de Andrómeda por la Vía Láctea:


4.000 millones de años a partir de ahora - la Galaxia de Andrómeda se extiende y la Vía Láctea se deforma después de su primera colisión:


5.100 millones de años a partir de ahora - los núcleos de la Galaxia de Andrómeda y la Vía Láctea serán visibles como lóbulos brillantes en el cielo durante su segundo paso. En esta ocasión habrá menos formación estelar porque gran parte del gas interestelar y el polvo fueron ya consumidos tras la primera coisión.


5.400 millones de años a partir de ahora - El núcleo del Sol se queda sin hidrógeno, y entrará en su primera fase gigante roja, convirtiéndose en 1,6 veces más grande y 2,2 veces más brillante que hoy.

6.500 millones de años a partir de ahora - El Sol se convierte en una estrella gigante roja de pleno derecho. Será 170 veces más grande y 2400 veces más brillante que hoy.

6.700 millones de años a partir de ahora - El Sol comienza a fundir helio y se encoge de nuevo hasta ser sólo 10 veces más grande y 40 veces más brillante que hoy.

6.800 millones de años a partir de ahora - El Sol se queda sin helio y, demasiado pequeño para comenzar a fundir el carbono y el oxígeno, entra en una segunda fase de gigante roja. Será 180 veces más grande y 3000 veces más brillante que hoy.

6.900 millones de años a partir de ahora - El Sol comienza a pulsar cada 100.000 años, eyectando más y más matreia en cada pulso, hasta que finalmente habrá arrojando al espacio toda su masa a excepción del núcleo caliente interno, convirtiéndose entonces en una enana blanca.

7.000 millones de años a partir de ahora - los núcleos de la Galaxia de Andrómeda y la Vía Láctea se fusionan para formar una gran galaxia elíptica. La población envejecida de las estrellas ya no se concentra a lo largo de un plano, sino que se extiende en un elipsoide. La formación de estrellas disminuye.


10 13 años a partir de ahora - Las estrellas más pequeñas y duraderas capaces de soportar la fusión (las estrellas enanas rojas con una masa alrededor de 0,08 veces la del Sol), se quedan sin hidrógeno.

10 14 años a partir de ahora - Todos los procesos normales de formación estelar cesan. El universo se establece con una población de estrellas que consta de alrededor de 55% de enanas blancas, 45% de enanas marrones y un pequeño número de estrellas de neutrones y agujeros negros. La formación de estrellas continúa a un ritmo muy lento debido a colisiones entre enanas marrones y / o blancas.

10 17 años a partir de ahora - Todas las estrellas enanas blancas actualmente existentes se enfrían como enanas negras con una temperatura máxima de 5 Kelvin.

10 19 años a partir de ahora - Todas las galaxias "se evaporan", perdiendo gradualmente sus estrellas muertas en el espacio intergaláctico.

3 × 10 22 años a partir de ahora - Todas las estrellas marrones binarias entran en espiral y chocan debido a la radiación gravitatoria.

10 23 años a partir de ahora - Todos los racimos galácticos (clusters) se evaporan.
Temperatura: 10 -13 Kelvin.

A partir de este momento (t > 10 23 años a partir de ahora): 

El Universo se expandirá exponencialmente y se enfriará hasta una temperatura de 10 -30 Kelvin. Todos los agujeros negros finalmente se evaporarán (debido a la radiacion de Hawking), y todas las demás formas de materia eventualmente se dispersarán en forma de partículas elementales individuales totalmente desconectadas unas de otras.

Nota: el futuro suena bastante aburrido en este momento final, pero eso es porque he tenido que omitir todos los giros emocionantes pero impredecibles que podrán (quizás) producir algunos descubrimientos futuros por parte de alguna forma de vida inteligente. ¡No podemos decir realmente qué sucederá!

Referencias:


- John D. Barrow and Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Oxford U. Press, Oxford, 1988.

- Freeman J. Dyson, Time without end: physics and biology in an open universe, Rev. Mod. Phys. 51 (1979), 447–460.

- Fred C. Adams and Gregory Laughlin, A dying universe: the long term fate and evolution of astrophysical objects, Rev. Mod. Phys. 69 (1997), 337-372.

- L. M. Krauss and G. D. Starkman, Life, the universe, and nothing: life and death in an ever-expanding universe, Astrophys. J. 531, (2000) 22-30.

- Katherine Freese and William Kinney, The ultimate fate of life in an accelerating universe.

- Milan M. Cirkovic, Physical eschatology, Am. J. Phys. 71 (2003), 122–133.

Pruebe también estos:

Allen Ginsberg © 2012 John Baez 

baez@math.removethis.ucr.andthis.eduhome

domingo, 9 de julio de 2017

El fin del Universo

Tuve un sueño, que no era del todo un sueño.
El brillante sol se apagaba, y los astros
vagaban diluyéndose en el espacio eterno,
sin rayos, sin senderos, y la helada tierra
oscilaba ciega y oscureciéndose en el aire sin luna;
la mañana llegó, y se fue, y llegó, y no trajo
consigo el día.
Oscuridad, Lord Byron (1788-1824)

El fin del universo

Os ofrezco a continuación mi traducción personal de este interesante texto del profesor John Baez, matemático en la Universidad Riverside de California.

Fuente original: http://math.ucr.edu/home/baez/end.html

- Nota de traducción:
Billón en español es un millón de millones (un uno seguido de 12 ceros: 1 000 000 000 000). "Billion" en el inglés americano tiene el sentido de mil millones (un uno seguido de 9 ceros: 1 000 000 000). He traducido literalmente "billion" como billón, por lo que el lector deberá tener en cuenta lo antes dicho.

7 de febrero de 2016

Es interesante reflexionar sobre el fin del universo. Y no estoy hablando a corto plazo, como la forma en que los continentes de la Tierra chocarán en 250 millones de años, o cómo en 1.1 billones de años el Sol será un 10% más brillante de lo que es hoy día comenzando un efecto invernadero desenfrenado que conducirá a la pérdida completa de los océanos de la Tierra; o a cómo la galaxia de Andrómeda chocará con la Vía Láctea en 3 mil millones de años, sacudiendo muchos planetas en muchos sistemas solares, o cómo el Sol se convertirá en una enana blanca en 7.800 millones de años. ¡Estoy hablando del futuro a largo plazo! En resumen: del final de todo el Universo conocido.

Durante mucho tiempo, la gran pregunta fue si había suficiente materia en el universo para que llegado el momento éste empezara a colapsar, o si el mismo se expandiría para siempre. Sin embargo a finales de la década de 1990 las observaciones astronómicas comenzaron a sugerir que ¡la expansión del universo en realidad se está acelerando!

Supongamos que esto sea cierto, y supongamos la explicación más popular para ello: a saber, que hay una constante cosmológica no nula. Una constante cosmológica con el signo correcto hace que la densidad de energía del vacío sea positiva, y que su presión sea negativa - y 3 veces más grande. Esto hace que el universo tienda a expandirse. Porque aunque la materia normal hace que el universo tienda a replegarse, si el efecto de la constante cosmológica supera el efecto de la materia normal el universo seguirá expandiéndose por siempre, haciendo que la densidad de la materia normal sea menor ... de modo que la constante cosmológica acabará por ganar la partida y el universo crecerá eternamente de manera casi exponencial.

Supongamos que esto suceda así: ¿cuál será entonces el destino final del universo?

Primero déjame preparar el escenario. ¿Qué ocurrirá en el Universo en el corto plazo, es decir, en los primeros próximos 1023 años aproximadamente?

En primer lugar, las galaxias seguirán colisionando. Estas colisiones parecen que destruirán las galaxias espirales -que se fusionarán en galaxias elípticas más grandes. Ya podemos ver esto sucediendo aquí y allá, y nuestra propia Vía Láctea podría chocar con Andrómeda en tan sólo 3 mil millones de años más o menos. Si esto sucede, un grupo de nuevas estrellas nacerán de las ondas de choque debido a la colisión del gas interestelar, y con el tiempo habitaremos en una gran galaxia elíptica. Por desgracia, las galaxias elípticas carecen de los brazos espirales que parecen ser una parte crucial del proceso de formación estelar, por lo que la formación estelar puede cesar incluso antes de que las materias primas necesarias se agoten.

Por supuesto, incluso si esto no sucede, el nacimiento de nuevas estrellas debe cesar finalmente, ya que hay una cantidad limitada de hidrógeno, helio y otros elementos que pueden sufrir fusión.

Esto significa que todas las estrellas eventualmente se quemarán. Las más longevas serán las estrellas enanas rojas, las estrellas más pequeñas capaces de soportar la fusión con una masa de aproximadamente 0,08 veces la del Sol. Estos astros se quedarán sin hidrógeno alrededor de 1013 años a partir de ahora, y poco a poco se enfriarán.

Las estrellas se convierten en enanas blancas -y eventualmente enanas negras cuando se enfrían- si tienen una masa menor a 1,4 masas solares. En este caso pueden ser frenadas por la presión de degeneración causada por el principio de exclusión de Pauli, que funciona incluso a la temperatura del cero absoluto. Pero si son más pesadas ​finalmente se derrumban: se convierten en estrellas de neutrones si están entre 1,4 y 2 masas solares, y se convierten en agujeros negros si son más masivos aún.

En aproximadamente 1014 años, todos los procesos normales de formación estelar habrán cesado, y el universo tendrá una población de estrellas que consistirá en alrededor de 55% de enanas blancas, 45% de enanas marrones y un pequeño número de estrellas de neutrones y agujeros negros. La formación de estrellas continuará a un ritmo muy lento debido a colisiones entre enanas marrones y/o blancas.

Los agujeros negros absorberán algunas de las estrellas que encuentren. Esto será especialmente cierto para los grandes agujeros negros en los centros galácticos,los cuales generan radio galaxias si tragan estrellas a una velocidad suficientemente rápida. Pero la mayoría de las estrellas, así como el gas interestelar y el polvo, eventualmente serán lanzados al espacio intergaláctico. Esto le sucede de hecho a una estrella cada vez que accidentalmente alcanza la velocidad de escape a través de sus encuentros (y choques) aleatorios con otras estrellas. Es un proceso lento, pero las simulaciones por computadora muestran que aproximadamente el 90% de la masa de las galaxias eventualmente "se esfumará" de esta manera -mientras que el resto se convertirá en grandes agujeros negros.

(Puede parecer extraño que primero las galaxias se formaran por atracción gravitacional de la materia y que luego se vayan a deshacer de nuevo al alcanzar sus partes constituyentes la velocidad de escape necesaria, pero el punto crucial es que la materia intergaláctica es menos densa ahora que cuando las galaxias se formaron. Debido a la expansión del Universo éstas están ahora esencialmente aisladas -el espacio intergaláctico está casi completamente vacío y se puede demostrar que en el muy largo plazo cualquier sistema aislado que contenga suficientes partículas puntuales interactuando gravitacionalmente -incluso en sistemas aparentemente "gravitacionalmente ligados"-  se "evaporan" a medida que las partículas individuales van al azar a adquiriendo suficiente energía cinética para alcanzar la velocidad de escape. Los cálculos por computadora ya sugieren incluso que nuestro sistema solar se desmorona en estos momentos de esta manera descrita. Y con las galaxias todo lo dicho es aún más probable que suceda, ya que hay más partículas involucradas, por lo que las cosas son más caóticas y propensas a ganar la energía cinética necesaria.)

¿Cuánto tiempo llevará todo esto?

Bueno, las enanas blancas se enfriarán en enanas negras con una temperatura de como máximo 5 grados Kelvin en unos 1017 años, y las galaxias se disolverán por completo en unos 1019 años. La mayoría de los planetas ya habrán sido barridos de sus órbitas para entonces, pero incluso los que todavía logren estar en órbita alrededor de sus estrellas caerán finalmente hacia éstas en espiral debido a la radiación gravitacional en aproximadamente 1020 años.

Entonces, ¿qué? Bueno, en aproximadamente 1023 años las estrellas muertas se "desmembrarán" también de los clusters galácticos (y no sólo de las galaxias) de modo que los propios clusters se desintegrarán por ese tiempo. En este punto además la radiación cósmica de fondo se habrá enfriado a unos  10-13 grados Kelvin, y la mayoría de las cosas en el Universo estarán a esa misma temperatura a menos que el (hipotético) decaimiento del protón o algún otro proceso similar los mantenga más cálidos.

Así que ahora tenemos un montón de enanas negras aisladas, estrellas de neutrones y agujeros negros junto con átomos y moléculas de gas, partículas de polvo y por supuesto planetas y otros desechos, todo a una temperatura muy cercana al cero absoluto.  Y la cuestión es que a medida que el universo continúa con su expanción, estos restos eventualmente se alejarán unos de otros hasta el punto que cada una de estas estructuras materiales estarán completamente solas y aisladas en la inmensidad del espacio.

¿Qué pasará después?

Pues bien, a todo el mundo le encanta hablar de cómo toda la materia eventualmente se convertirá en hierro gracias al efecto de túnel cuántico puesto que el hierro es el núcleo con la menor cantidad de energía en su estado fundamental; pero a diferencia de los procesos que he descrito hasta ahora, éste del efecto túnel tomará realmente mucho más tiempo. Aproximadamente 101500 años, para ser precisos.

Por lo tanto, es muy probable que el decaimiento del protón o alguna otra cosa ocurra mucho antes de que esto tenga la oportunidad de acontecer. Por ejemplo, todo excepto los agujeros negros tendrá una tendencia a "sublimarse" o a "ionizarse" perdiendo gradualmente átomos o incluso electrones y protones, a pesar de la baja temperatura circundante.

Para ser específicos, vamos a considerar la ionización del gas de hidrógeno -aunque el argumento es mucho más general. Si tomamos una caja de hidrógeno y hacemos la caja más grande manteniendo su temperatura fija, eventualmente se ionizará. Esto sucede no importa cuán baja sea la temperatura, siempre y cuando no sea exactamente el cero absoluto -lo que está prohibido por la 3ª ley de la termodinámica, de todos modos.

Esto puede parecer extraño, pero la razón es simple: en el equilibrio térmico cualquier tipo de material minimiza su energía libre, E - TS: es decir, la energía menos la temperatura veces la entropía. Esto significa que hay una competencia entre querer minimizar su energía y querer maximizar su entropía.

Maximizar la entropía se hace más importante a temperaturas más altas; minimizar la energía se hace más importante a temperaturas más bajas -pero ambos efectos importan mientras la temperatura no sea cero o infinita. Piense en lo que esto significa para nuestra caja de hidrógeno. Por un lado, el hidrógeno ionizado tiene más energía que los átomos o moléculas de hidrógeno. Esto hace que el hidrógeno quiera unirse en átomos y moléculas, especialmente a bajas temperaturas. Pero, por otra parte, el hidrógeno ionizado tiene más entropía, ya que los electrones y los protones son más libres de vagar. Y esta diferencia de entropía se hace más y más grande a medida que hacemos la caja más grande. Por lo tanto, no importa cuán baja sea la temperatura, mientras esté por encima de cero, el hidrógeno eventualmente se ionizará a medida que sigamos expandiendo la caja (de hecho, esto está relacionado con el proceso de "ebullición" que ya se mencionó antes: podemos usar la termodinámica para ver que las estrellas desmembrarán literalmente a las galaxias a medida que se acerquen al equilibrio térmico, siempre y cuando la densidad de las galaxias sea lo suficientemente baja.)

Sin embargo, hay una complicación: en un Universo en expansión, la temperatura no es constante:¡disminuye!

La pregunta es: ¿qué efecto gana a medida que el universo se expande: la densidad decreciente (que hace que la materia quiera ionizarse) o la temperatura decreciente (lo que hace que quiera quedarse unida)? A corto plazo, esta es una cuestión bastante complicada, A largo plazo, las cosas pueden simplificarse: si el universo se está expandiendo exponencialmente gracias a una constante cosmológica no nula, la densidad de la materia obviamente tiende a cero. Pero la temperatura no va a cero. ¡Se acerca a un valor distinto de cero y ahí permanece! Así que todas las formas de materia hechas de protones, neutrones y electrones eventualmente se ionizarán.

Pero, ¿por qué la temperatura se aproxima a un valor diferente de cero (sin bajar ya de ese valor posteriormente), y cuál es este valor? Pues bien, en un universo cuya expansión sigue acelerándose, cada par de "observadores" (cualquier par de objetos materiales independientes) vagando libremente llegará un momento en que no podrán literalmente verse el uno al otro. Este efecto es muy similar al horizonte de sucesos de un agujero negro -se trata de un "horizonte cosmológico". Y, del mismo modo que el horizonte de un agujero negro, un horizonte cosmológico también emite radiación térmica a una temperatura específica. Esta radiación se llama radiación de Hawking, y su temperatura depende del valor de la constante cosmológica. Y si hacemos una suposición aproximada (creíble) sobre este valor la temperatura que obtenemos es de unos 10-30 Kelvin. Esto es muy frío, pero dada una densidad suficientemente baja de materia, esta temperatura es suficiente para eventualmente ionizar ¡todas las formas de materia hecha de protones, neutrones y electrones! Incluso algo grande como una estrella de neutrones debe lentamente disiparse. (La corteza de una estrella de neutrones no está hecha de neutrónio: está hecha principalmente de hierro.)

Pero ¿qué pasará con los agujeros negros?

Bueno, probablemente se evaporan debido a la radiación de Hawking: un agujero negro de masa solar debería hacerlo en 1067 años, y uno más grande, comparable a la masa de una galaxia entera, debería tomar cerca de 1099 años. En realidad, un agujero negro sólo se encoge por evaporación cuando está en un ambiente más frío que la temperatura de su radiación de Hawking -de lo contrario, crecería al tragar nueva radiación térmica.

La temperatura Hawking de un agujero negro de masa solar es de unos 6 × 10-8 Kelvin, y en general, es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. El universo se enfriará por debajo de 10-8 grados Kelvin mucho antes de los 1067 años que tarda en evaporarse los agujeros negros de masa solar. Sin embargo, antes de ese tiempo, dicho agujero negro crecerá absorbiendo la radiación del fondo cósmico -lo que llevará a que su temperatura disminuya ¡y le ayudará a crecer aún más!

Si un agujero negro creciese más allá de las 1022 masas solares, su temperatura de Hawking bajaría de 10-30 Kelvin, lo que le permitiría en teoría seguir creciendo incluso cuando el universo se haya enfriado a su temperatura mínima. ¡Por supuesto, 1022 masas solares es una cantidad enorme -un valor más grande que el de la masa del universo actualmente observable! Pero a pesar de lo inmenso de este valor, se necesitaría de un cálculo no trivial para demostrar que los agujeros negros de tamaño razonable no tienen ninguna posibilidad de conseguir crecer hasta alcanzar este tamaño.

Y aunque no vayamos a mostrar ese complejo calculo aquí, supongamos que es cierto: todos los agujeros negros entonces eventualmente se encogerán y desaparecerán porque ninguno de ellos crecerá lo suficiente como para que su temperatura se enfríe hasta los 10-30 Kelvin.

Se evaporarán pues, y emitirán fotones y otras partículas en el proceso, por lo que por un tiempo habrá un poco de radiación como esta corriendo por lo que reste del Universo. Esto animará las cosas un poco -pero este proceso finalmente también cesará.

¿Qué pasa con las estrellas de neutrones?

Bueno, si no se ionizan en primer lugar, en última instancia deberían por efecto de tunelización cuántica convertirse en agujeros negros, que luego la radiación de Hawking se encargará de evaporar. Igualmente, si las enanas negras y los planetas y similares no se evaporan y sus protones no decaen, este mismo tunelaje cuántico las hará convertirse en hierro sólido -y como ya se mencionó, esto tomaría alrededor de 101500 años.

Por último, si todo este hierro no se evapora y nada más sucede, estas mismas bolas de hierro llegarán finalmente también a convertirse en agujeros negros (por el mismo proceso de tunelaje cuántico), los cuales luego se irradiarán y desaparecerán en forma de radiación de Hawking. Esto tomaría en total cerca de 1010000000000000000000000000 años -esto es 26 ceros. Este es un periodo de tiempo mucho más largo que cualquiera que he mencionado hasta ahora, así que no sería sorprendente si algún otro efecto que no hemos pensado sucede primero.

De hecho, toda esta discusión debe tomarse con mucho cuidado: los descubrimientos futuros en física podrían cambiar drásticamente el final de esta historia contada, y también es posible (aunque poco probable) que la intervención de la vida inteligente pueda cambiar de alguna manera las cosas. La cosmología ha estado llena de sorpresas últimamente y probablemente habrá más por venir.

Pero el panorama general parece inclinarse pesadamente hacia un futuro lejano donde todo consiste en partículas estables aisladas: electrones, neutrinos y protones (a menos que los protones se desintegren). Y si el escenario que estoy describiendo es correcto, la densidad de estas partículas irá a cero, y eventualmente cada una estará separada de todo lo demás por un horizonte cosmológico, haciéndolas incapaces de interactuar entre sí. 

Por supuesto que habrá también fotones, pero éstos llegarán eventualmente al equilibrio termal que forma la radiación del cuerpo negro a la temperatura del horizonte cosmológico -quizás cerca de los ya mencionados 10-30 grados Kelvin.

No obstante, cabe mencionar que el físico Leonard Susskind ha señalado recientemente en un trabajo que en el equilibrio térmico a cualquier temperatura diferente de cero, cualquier sistema presentará siempre fluctuaciones aleatorias. Cuanto menor sea la temperatura más pequeña serán las fluctuaciones, pero siempre estarán ahí. Y precisamente estas fluctuaciones exploran aleatoriamente el espacio de todos los estados posibles de un sistema.

Por lo tanto, eventualmente, si usted espera el tiempo suficiente, estas fluctuaciones aleatorias llevarán al sistema a cualquier estado que se desee. Bueno, esto es un poco exagerado de decir: estas fluctuaciones no podrán violar las leyes de conservación. Pero la conservación de la energía no cuenta aquí, ya que a una temperatura diferente de cero un sistema está realmente en un estado de todas las energías posibles. Por ejemplo, es posible en nuestro mundo macroscópico un cubo de hielo en el punto de congelación del agua se derrita o incluso que hierva debido a fluctuaciones aleatorias (caóticas). La razón por la que nunca vemos que esto suceda es que tales (enormes) fluctuaciones son increíblemente raras (poco probables).

Llevando finalmente este pensamiento a un extremo (casi) ridículo, podemos decir que incluso si con el tiempo el Universo consiste en no ser más que espacio vacío a una temperatura de 10-30 Kelvin, este proceso de fluctuaciones al azar podría llegar a crear átomos, moléculas ... ¡e incluso sistemas solares y galaxias! Y aunque cuanto más grande sea la fluctuación requerida, más rara vez sucederá...la eternidad futura disponible sigue siendo mucho tiempo.

Así que eventualmente (y dado este supuesto tiempo infinito futuro) surgirá finalmente mediante un simple acto de fluctuación aleatoria, pura y simplemente por casualidad, una persona como usted, con recuerdos como el suyo, leyendo una página web como esta. En resumen: ¡que tal vez el universo ya ha terminado! 

No obstante el tiempo que le llevaría a una gigantesca fluctuación como la comentada a ocurrir es realmente enorme. Dejaría pequeña todas las demás escalas de tiempo mencionadas hasta ahora. Por lo tanto, probablemente no vale la pena preocuparse por este tema demasiado: no sabemos bastante física para hacer predicciones confiables para tales periodos de tiempo.


Referencias:

- John D. Barrow and Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Oxford U. Press, Oxford, 1988.

- Freeman J. Dyson, Time without end: physics and biology in an open universe, Rev. Mod. Phys. 51 (1979), 447–460.

- Fred C. Adams and Gregory Laughlin, A dying universe: the long term fate and evolution of astrophysical objects, Rev. Mod. Phys. 69 (1997), 337-372.

- L. M. Krauss and G. D. Starkman, Life, the universe, and nothing: life and death in an ever-expanding universe, Astrophys. J. 531, (2000) 22-30.

- Katherine Freese and William Kinney, The ultimate fate of life in an accelerating universe.

- Milan M. Cirkovic, Physical eschatology, Am. J. Phys. 71 (2003), 122–133.

Allen Ginsberg © 2012 John Baez 

baez@math.removethis.ucr.andthis.eduhome

viernes, 7 de julio de 2017

Atrapados en el sistema solar (II)

"¿Qué cantidad de propelente (combustible + comburente) cree usted que sería necesaria para hacer llegar una sonda de 1 kg a Próxima b en 1.000 años? La respuesta le va a sorprender. La realidad es que la masa de propelente necesaria para hacer llegar una nave de 1 kg a Próxima b en 1.000 años usando un típico motor de propulsión química es muchos órdenes de magnitud superior a la masa que aglutina toda la materia contenida en el universo observable, la de todas sus galaxias con todas sus estrellas, planetas, agujeros negros y cualesquiera cuerpos y elementos contenidos en él." (Eduardo García Llama)

Atrapados en el sistema Solar

El sistema solar es el sistema planetario en el que se encuentran la Tierra y otros objetos astronómicos que giran directa o indirectamente en una órbita alrededor de nuestra estrella conocida como el Sol.

Muchos son los que tienen la idílica imagen de un futuro próximo donde los humanos colonicemos Marte, o alguna luna de Júpiter; dejados llevar quizás por esas románticas películas de Hollywood, sin ser conscientes de lo distante tecnológicamente que aún estamos de lograr tal proeza (y no hablemos ya del hito de hacer estos lugares habitables y hospitalarios para la vida humana).

No. La realidad es bien distinta. No sólo NO llegaremos a Marte en el 2030 (o 2035) como muchos medios sensacionalistas venden (mientras que las agencias espaciales se dejan querer para que no pare el flujo de dinero público), sino que posiblemente jamás llegue tal momento: de hecho, si volvemos a pisar nuestra luna antes de finales de siglo ya sería una gran sorpresa.

Pero no voy a entrar en debatir estas cuestiones que disgustará a más de uno, sino a mencionar el contenido de un artículo publicado en el diario El Mundo, escrito por el físico Eduardo García Llama, que me ha dejado de piedra. El artículo es este, y en él se trata el asunto concreto de cuánto propelente necesitaría una nave para viajar a Próxima b (el recientemente planeta descubierto orbitando la estrella más cercana a nosotros fuera del sistema solar: Próxima Centauri).

Y es que son muchos los que no sólo sueñan con la colonización humana de otros planetas y satélites del sistema solar, sino que incluso creen en lo asequible de que esta colonización se expanda fuera de estos límites; y que se adentre primero en otros sistemas colonizando sus planetas, y que posteriormente dicha colonización se expanda por toda la galaxia...y más allá :P. No es posible que tal cosa ocurra (al menos no con la física conocida). Y como muestra, este físico que trabaja de hecho en la NASA, nos habla con números (y no con palabras o buenas intenciones), de los problemas para poder realizar algún día semejante hazaña con los conocimientos técnicos de nuestra época. Copio directamente parte de las palabras del autor sobre el asunto:

"[...]la masa de propelente necesaria para hacer llegar una nave de 1 kg a Próxima b en 1.000 años usando un típico motor de propulsión química es muchos órdenes de magnitud superior a la masa que aglutina toda la materia contenida en el universo observable[...].

[por otra parte] Para una duración de 1.000 años, si el sistema de propulsión fuera uno de tipo iónico [...]la masa necesaria de propelente sería de alrededor de 5,5 trillones de kilos (un 55 seguido de 17 ceros); esto es, la masa de unas 13 billones (un 13 seguido de 12 ceros) de estaciones espaciales internacionales, equivalente a casi dos billones de cohetes Saturno V como los que llevaron seres humanos a la Luna.

Y recordemos que ninguno de estos casos tiene en cuenta el lanzamiento de todo ese propelente al espacio desde la Tierra y que solo nos serviría para hacer llegar en 1.000 años nuestra pequeña sonda de 1 kg a Próxima b, el planeta que orbita a nuestra estrella más cercana fuera del Sistema Solar, sin frenar en el planeta, solo para sobrevolarlo y pasarlo de largo."

Palabras demoledoras. Una constatación numérica del hecho de que muy (muy) probablemente el ser humano jamás llegará a pisar nada sólido que se encuentre fuera del sistema solar, a menos que se descubra una nueva física radicalmente distinta a la ya conocida (aunque de hecho, parece que poco más queda aún por descubrir). Es decir; que haría falta hallar algún método de esos inefables que muestran las películas de ciencia-ficción para salir de este atolladero, pero resulta evidente que eso hoy por hoy es pura ficción que posiblemente quede en puro cuento que no llegue a materializarse en la realidad.

Distancias al Sol en Unidades Astronómicas (UA). 1 UA = distancia de la Tierra al Sol.
Ojo, la escala es logarítmica, de forma que Voyager 1 no está 3 veces más lejos del Sol que la
Tierra sino más de 100 veces más lejos (136 veces). Fuente: NASA/JPL-Caltech.

Es más que probable que nunca hallemos el modo de acelerar un gran nave (de toneladas de peso) a una velocidad suficiente como para recorrer la distancia que nos separa de nuestra estrella más cercana en menos de cientos de miles de años; y eso sin contar con el resto de problemas técnicos (y económicos) que un viaje de este tipo conlleva (mantener la nave habitable tantos años, generar una gravedad artificial, evitar la exposición a la radiación, sacar ese tonelaje al espacio y frenarlo al llegar al destino, conseguir los recursos económicos y energéticos para hacer todo lo necesario, y muchos otros problemas espaciales todavía no resueltos que nos impiden incluso llegar al cercano Marte).

Es decir; que no importa el modo en que se pretenda construir una nave espacial puesto que las leyes de la física, nuestra breve y leve existencia orgánica, los limitados y finitos recursos materiales y energéticos disponibles en la Tierra, y las verdaderamente enormes distancias implicadas hacen que sea esta una tarea intratable. El hombre está atado y bien atado a la gran roca terrestre pero, ¿y la vida en sí?

La colonización bacterial

Ya comentamos en  una anterior entrada la importancia del microcosmos en nuestro mundo actual. Y lo hicimos precisamente comentando el libro llamado Microcosmos, escrito por Lynn Margulis y Dorion Sagan. En esta recomendable obra los autores hacen un repaso de los orígenes de la vida y del proceso natural (termodinámico) que llevó finalmente a las formas animadas que hoy vemos a nuestro alrededor.

De hecho, Lynn Margulis y Dorion Sagan en su libro postulan también con la idea de un futuro donde la vida abandonará finalmente los límites terrestres, expandiendo por todo el sistema solar primero y por la galaxia y el resto del Universo más tarde este mismo "ansia" natural por lograr devorar aceleradamente cuanta más energía libre mejor. A esta idea los autores del libro la denominan la teoría del Supercosmos, y no es tan descabellada como parece visto lo visto en nuestro planeta. Es bastante posible, e incluso probable, que la misma tendencia natural que lanzó a simples moléculas prebióticas a organizarse y reorganizarse durante millones de años hasta desarrollar nuestro cerebro humano capaz de desarrollar cohetes con los que vencer la fuerza de la gravedad; siga y persevere en esa tarea natural de consumo exponencial de modo que tarde o temprano la complejidad alcanzada (por el hombre o por cualquier especie futura que nos sustituya) logre finalmente colonizar otros planetas o satélites. De hecho, premonitoriamente estos autores terminan el libro con las siguientes palabras:

"[...] tanto si el ser humano consigue llevar el medio ambiente primitivo del microcosmos al espacio, como si muere en el intento, la vida perece sin duda tentada de ir en esa dirección. Y la vida, hasta el momento, lo ha resistido todo excepto la tentación."

Es la vida por tanto entendida como la esencia natural que empuja y mueve cualquier ente animado la que parece tentada de expandirse por el cosmos, siendo para ella en principio cualquier medio válido. Por lo tanto, y puesto que la complejidad estructural del ser humano (o de cualquier otro gran organismo multicelular) no es en absoluto como hemos visto arriba apto para tal viaje, probablemente la colonización de otros mundos, de llegar, sea en la forma de una especie de germinación bacterial sobre planetas habitables.

Y es que cuando uno lee y estudia con detenimiento la historia evolutiva de la vida desde sus principios, se ve claramente como la misma (en esencia) sí que parece después de todo (a pesar de la selección natural) perseguir algún tipo de "fin", y este fin se podría teorizar que no es otro que el de llegar a moldear con el tiempo estructuras "inteligentes" que puedan ingeniar artefactos con los que vencer la gravedad del planeta y lanzar productos al espacio. En este sentido, y mucho que nuestro egocentrismo se oponga, quizás el hombre no sea después de todo más que un medio temporal del que la propia vida en sí se valga para colonizar y comenzar una nueva etapa evolutiva en otros mundos habitables.

Visto de esta manera se puede entender en su conjunto a la vida en la Tierra como un ente (un meta-organismo) con identidad propia (que muchos denominan como Gaia), el cual va reaccionando  y ramificando su ser hasta conseguir la complejidad necesaria como para literalmente lanzar "semillas" con las que continuar y replicar el proceso evolutivo vital en otras partes del Universo. Y realmente es una hipótesis que tiene bastante sentido porque de hecho, vista las limitaciones biológicas ya comentadas de los organismos multicelulares para viajar en el espacio, lanzar y acelerar microscópicas células (en estado de espora quizás, o incluso células sintéticas hechas a medida) hacia esos planetas ya descubiertos en la zona habitable de sus estrellas para que lleguen allí tras decenas de miles o incluso millones de años, sea lo único que podamos hacer. ¿Quién dice, de hecho, que no fue la vida aquí en nuestro propio planeta fruto del "aterrizaje" de una semilla similar hace 4000 millones de años?

Y quizás muchos puedan creer que enviar estas "naves" germinales microscópicas no es algo que nos vaya a interesar demasiado como especie puesto que lo que nosotros queremos es colonizar el cosmos como especie humana y no como meros precursores de un nuevo ciclo evolutivo bacteriano; pero basta para rechazar esta idea con ver propuestas de actualidad como las del científico Stephen Hawking el cual sugiere crear nano-naves (artilugios microscópicos) interestelares para viajar a Alfa Centauri. Es fácil comprender que el hombre tiene un instinto colonizador y explorador tan fuerte que, ya sea a conciencia o por error (como cuando ciertas bacterias llegan a "colonizar" por error la estación espacial internacional), acabaremos minando todos o parte de esos planetas habitables extrasolares con vida bacteriana lista para iniciar un nuevo proceso vital natural. Esa es la verdadera "intención" de la vida y nosotros, como buenos orgánulos de Gaia que somos, actuaremos y cumpliremos finalmente con esta "tarea".

Un vistazo al futuro

Si pudiésemos echar un vistazo al futuro transcurridos unos pocos cientos de millones de años desde hoy, sin duda veríamos rastros de vida en muchos planetas en la zona habitable. Posiblemente un proceso de "siembra" bacterial similar al arriba descrito ya haya conseguido por esta época dar sus frutos, y un proceso evolutivo incluso haya podido dar lugar en muchos casos a estructuras multicelulares complejas. La vida en dichos mundos será sin duda muy similar a la vida de la Tierra, y se compartirá sin duda la misma esencia natural en todos ellos...pero indudablemente no habrá hombres por ninguna parte. El ser humano, precursor y medio quizás en parte de este proceso de "siembra" Universal, no se encontrará como tal en ninguno de esos planetas con nueva vida en proceso germinal; e incluso muy probablemente hará ya mucho tiempo que se habrá extinguido (o que habrá cambiado tanto que no seremos siquiera reconocibles como personas) en nuestro propio planeta. Pero este hecho no será importante o relevante cósmicamente en absoluto, puesto que el hombre es y será siempre un mero soma desechable, un producto del que el medio natural se suple para alcanzar un fin. Según la hipótesis defendida, se trataría de asegurar con el desarrollo del soma desechable la transmisión de la información con las instrucciones (ADN) para la construcción de nuevos somas cada vez más perfeccionados y complejos, en un proceso evolutivo que llegado el momento llevará a un soma (cuyo sistema nervioso central) sea capaz de ingeniar, producir y lanzar "semillas" con las que poder mandar la información vital necesaria para la construcción de un nuevo ciclo vital en otros medios ambientes estelares. Se podría decir metafóricamente que Gaia (la propia vida en su conjunto) sería algo así como un metaorganismo cuyo fin último sería su mantenimiento autopoyético, y su duplicación y reproducción; siendo nosotros como especie un apéndice u orgánulo del que Gaia se vale para alcanzar esta tendencia natural de conjunto.

Es más: ¿cómo se presentaría el Universo si pudiésemos echar un vistazo no ya a centenares de millones de años sino a miles de millones de años? Pues posiblemente el cosmos en esa época este ya lleno de vida por doquier y no sólo en unos pocos planetas en la zona habitable. Si la hipótesis de Gaia que hemos defendido hasta ahora es cierta, una de las consecuencias que se puede sacar de ella es que la vida en su conjunto podría replicarse por el cosmos al mismo ritmo de crecimiento exponencial visto aquí en la Tierra para cada organismo. En este sentido, cada nuevo planeta "sembrado" y germinado de algún modo hace miles de millones de años ya habrá tenido tiempo de producir por evolución complejos seres multicelulares, y en muchos de ellos ya se habrán "generado" seres lo suficientemente "inteligentes" como para que también ellos habrán "sembrado" a su vez de manera similar a como nosotros llegaremos a hacer otros muchos planetas y lunas. Este proceso de duplicación acabará como hemos dicho con el tiempo en un creciendo de ritmo exponencial; y más pronto que tarde (a escala temporal cósmica) la vida se habrá extendido por cualquier lugar del Universo cuya química ambiental así lo permita.

La finalidad esencial

"El mundo completo, el Universo, tiene una meta: el no-ser y logra ésta mediante el continuo debilitamiento de su suma de fuerzas."
(Philipp Mainländer)

Lo hasta ahora descrito parece ser una tendencia ("tentación" como dirían Lynn Margulis y Dorion Sagan) natural hacia la expansión Universal de eso que entendemos como vida pero, ¿por qué y para qué existe y aparece esta tendencia natural en el mundo? Este "deseo" natural replicativo y autopoyético de Gaia no es nada nuevo, y de hecho lo observamos en cada uno de los seres vivos que actualmente poblamos el planeta. Se trataría simplemente de extrapolar el modo en que cada organismo (y especie) individual se comporta hoy día al conjunto de todos los organismos: es decir, a Gaia. Pero del mismo modo, y en sentido contrario, podemos también reducir (y comparar) el porqué y el para qué de la "tentación" natural de este metaorganismo a la de cada uno de sus componentes individuales.

Así que: ¿por qué y para qué se replica y se esfuerza por mantenerse en la existencia cada estructura animada particular? Sin duda a altos niveles de abstracción explicativa el asunto es ambiguo y controvertido, pero a un nivel físico la cosa está muy clara: la vida persigue un único "fin" que podríamos llamar esencial; el origen más básico y Universal que gobierna en general toda la dinámica vital: maximizar en lo posible el consumo de energía según las circunstancias. Aumentar, en pocas palabras, al máximo ritmo posible la entropía del Universo. Esa es la verdadera esencia natural elemental, y la que explica en pocas palabras el para qué del mundo animado a cualquier nivel de complejidad anidada:  comportamientos inanimados complejos (huracanes, etc.), moléculas prebióticas, células procariotas, orgánulos, células eucariotas, organismos multicelulares, sociedades de organismos multicelulares, y finalmente de Gaia entero.

Pero, ¿por qué "querría" el Universo maximizar de una manera tan descarada la entropía que posee en su ser? Quizás sea por pura casualidad, o como fruto del principio antrópico fuerte (dentro de un Multiverso); pero también podría ser una pista para entender la propia esencia Universal (suprafenoménica). Porque es sin duda revelador el hecho de que el consumo de energía potencial y el aumento de entropía condena con seguridad al Universo a una futura "muerte" térmica. En este sentido quizás no sea descabellado suponer que este "ansia" natural en acelerar por todos los medios posibles (la vida entre ellos) el aumento entrópico no sea en el fondo más que una representación fenoménica de un "deseo" esencial (suprafenoménico) por dejar de ser (morir) tan pronto como sea posible: es decir; que quizás el mundo no sea después de todo otra cosa más que un proceso de suicidio cósmico

Una idea la del suicidio cósmico que, por cierto, no es nueva, y la cual tiene a su máximo y mayor exponente en Philipp Mainländer y su "Filosofía de la redención" http://www.casadellibro.com/libro-filosofia-de-la-redencion/9788494150555/2277755. En cierto sentido la obra de Mainländer se puede entender como una continuación de los argumentos naturales aquí expuestos llevando los mismos a terrenos metafísicos. Es fundamental para cualquier interesado en el tema leer el libro original de la "Filosofía de la redención", pero a modo de resumen merece la pena mencionar algunas palabras de Antonio Priante sobre dicha obra:
"En el principio era Dios, o sea, para decirlo con palabras de Spinoza, la sustancia divina originaria. Esa entidad absoluta, única, inmaterial, no estaba contenida ni en el tiempo ni en el espacio, si es que esto es pensable. Idéntica a sí misma, no siendo otra cosa que ser puro, eterno e indestructible, un buen día – y perdón por el uso, metafórico, del tiempo -, hastiada sin duda de su divina perfección, decidió echarlo todo a rodar y dejar de ser.
¿Pero cómo el Ser puede dejar de ser? ¿Cómo algo que no existe en el tiempo y el espacio, algo absolutamente inmaterial y trascendente puede morir? Y entonces inventó el mundo. Es decir, su sustancia divina segregó un mundo material con su tiempo, su espacio y su multiplicidad de seres inanimados y animados, que son – somos – partículas de aquella unidad originaria, llamadas todas a perecer. El fin del Universo es su muerte, su aniquilamiento, aunque sólo sea por cumplir con el segundo principio de la termodinámica (que Mainländer había aprendido de Clausius, quien la acababa de inventar) y su consiguiente entropía. Y es así cómo Dios cometió suicidio: convirtiéndose en un mundo destinado a morir.
Es decir, y a ver si queda claro, que el Universo no surgió de un deseo de creación sino de un deseo de autodestrucción. El Universo, la “creación” toda, es el largo proceso del suicidio de Dios, cuyo inicio fue una gran explosión que dio origen a la materia, al tiempo y el espacio." 
(https://antoniopriante.wordpress.com/2013/12/30/mainlander-ii-2/

Un saludo, compañeros.