viernes, 2 de marzo de 2018

Something from nothing


“Fuck it all! I came from nothing
I'm something 
From nothing!”
(Foo Fighters, Lyrics
"Something From Nothing")

“La Matemática no es real, pero «parece real». ¿Dónde está ese lugar?”
(Richard Feynman)

“Nuestro Sol es una estrella de segunda o tercera generación. Todo el material rocoso y metálico que pisamos, el hierro en nuestra sangre, el calcio de los dientes, el carbono en nuestros genes fueron producidos hace mil millones de años en el interior de una estrella gigante roja. Estamos hechos de materia estelar”
(Carl Sagan)


Sí, somos polvo de estrella, pero esa famosa frase de Carl Sagan se queda corta: en concreto se queda corta en el tiempo. Cada átomo de cada molécula de nuestro cuerpo es fruto sin duda de procesos estelares pasados; pero resulta además que cada partícula contenida en cada uno de dichos átomos tiene un origen mucho más exótico y sorprendente: literalmente, todas nuestras partículas constituyentes salieron en su momento de la nada (cuántica). Así pues, podemos decir con todas las de la ley que somos "algo" salido de la nada.

Polvo de estrellas.

Nuestros cuerpos están compuestos de trillones de células cuyos orgánulos lo conforman grandes macromoléculas que se componen a su vez en moléculas más pequeñas y sencillas. Estas moléculas sencillas son conglomerados (químicamente) estables de diversos tipos de átomos, y aquí viene lo interesante: toda esa variedad de átomos (la conocida tabla periódica) es resultado de la aglutinación de más o menos partículas (idénticas). Por lo tanto, la única diferencia entre los diferentes átomos de la tabla periódica es el número de partículas subatómicas que lo componen.

Existen también una gran cantidad de partículas subatómicas (hay también algo así como una especie de "tabla periódica" o zoo de partículas), pero sin embargo, únicamente 3 de todas estas partículas son responsables de la formación de todos los átomos que conforman la tabla periódica: se trata del electrón, el quark up (arriba) y el quark down (abajo).

Todo átomo está compuesto de un núcleo y una nube de electrones alrededor. El protón es un componente del núcleo de los átomos y está formado por dos quarks up y un quark down. El neutrón es el otro componente del núcleo y está formado por un quark up y dos quarks down.

Así pues, todo átomo conocido es un conglomerado de quarks up y down en el centro del mismo y una nube de electrones rodeando dichos quarks. El número de electrones y de quarks se balancean para mantenerse estables, y según sea el número de ellos hablaremos de un tipo de átomo u otro. Todo átomo de Litio, por ejemplo; resulta de la estabilidad de potenciales que supone aglutinar en el centro 3 protones y 4 neutrones mientras que alrededor "orbitan" 3 electrones. Hablamos pues de 21 quarks (entre up y down) y 3 electrones. Eso es el Litio. El Helio se compone de la misma naturaleza subatómica pero con distinto número de constituyentes estables: 12 quarks y 2 electrones. Y así con todos los demás.

Por lo tanto tu cuerpo (y el mio) constan de miles de billones de sólo 3 partículas conformando estructuras físicas de potenciales estables.

¿Y qué son esas partículas subatómicas?

Ahí es donde vamos. No son nada. Al menos nada que nuestro sentido común pueda entender como "algo". Te lo suelto a las bravas: una partícula, nos dicen los físicos, es una perturbación en el vacío cuántico de un campo. Si imaginas el campo cuántico como una especie de piscina en reposo, una partícula sería algo así como perturbar la superficie del agua de modo que se forme una ola muy pequeñita. Esa microscópica olita ondeando mientras se desplaza por el agua sería el equivalente a una partícula desplazándose por el espacio-tiempo. Punto.

Esas pequeñas olas se mueven con distinta velocidad (energía cinética) y estarán más o menos excitadas (lo que representa la "altura" de la ola, esto es, su energía potencial). Además estas ondulaciones del campo chocan unas con otras cambiando de tamaño y de forma en el proceso. Muy a grosso modo se puede decir que esta interacción entre distintas olas (de distintos campos) es lo que convierte un tipo de partícula en otro.

Pongamos el caso del electrón (e−). Esta partícula fundamental es una ondulación en el campo (en el "mar") electromagnético que se propaga con cierta velocidad y cierto estado excitado (altura y "forma" de la ola). Sin embargo ya hemos visto que esta partícula no es más que una perturbación en el campo electromagnético, habiendo varias formas de perturbar dicho campo.

Un ejemplo sería mediante la desintegración de otra partícula denominada fotón. Este fotón (γ) es también una pequeña ola dentro de un campo propio (un vacío cuántico de fotones) que se desplaza por el espacio-tiempo. Pues bien, en cierto momento esta perturbación se puede separar en dos. Es decir, que de una ola fotónica salen espontanea y literalmente dos nuevas ondulaciones esta vez en el campo electromagnético: un electrón y un positrón.

Los físicos esquematizan esto así: γ → e− + e+

Ondas de probabilidad.

Esto quiere decir que los electrones (y los quarks) que conforman nuestros cuerpos literalmente son "sacados" de la nada cuántica de su campo correspondiente. Puedes imaginar por ejemplo el proceso anterior como que existe un campo o un "mar" infinito en extensión donde en cierto momento-lugar x una ondulación de otro campo (el de fotones) choca y perturba creando en ese instante dos olas (electrón y positrón) en el campo electromagnético al mismo tiempo que la ondulación original (la del fotón en este caso) desaparece en la nada. Es decir, que en cierto lugar-momento x el campo cuántico del fotón estaba perturbado (había una "ola fotónica" en x) pero de algún modo esta ola interactuo y cedió (acopló) su energía y momento al campo electromagnético. En x entonces surgen dos olas con momentos y energías netas iguales a la de la ola original del fotón quedando el campo de fotones en x vacío -en reposo o estado fundamental-). Para más inri, todo este proceso de acoplamiento y "choques" entre campos es probabilista (mecánico cuántico) por lo que no hay modo de saber a priori si va a ocurrir o no ni cuándo ni donde.

En resumen: todas las partículas fundamentales, entre ellas los electrones y quarks de nuestros cuerpos son "entes" matemáticos: puras ondas de probabilidad que se desplazan por el espacio-tiempo. Así que nuestra base material más fundamental es algo tan abstracto como eso. Perturbaciones matemáticas que salen y entran de extraños campos cuánticos que no son realmente nada en el sentido estricto de la palabra.

El origen de los propios campos cuánticos.

A estas alturas nos podemos preguntar sobre qué son realmente estos campos cuánticos y por qué hay tantos de ellos (uno por cada partícula conocida). Para responder a esto primero hay que explicar lo que la moderna cosmología nos explica sobre el origen del propio Universo.

En el principio no había nada, nos dicen. Mejor dicho, había una nada cuántica, es decir; un campo cuántico (escalar) vacío de cualquier tipo de partícula. Un único campo escalar llamado inflatón que no contenía perturbaciones y estaba por tanto desocupado del todo (en en perfecto estado fundamental). Era lo más parecido a la nada que puedas imaginar. Había sin duda algo cuántico de fondo (fluctuaciones), pero de media matemáticamente todo se cancelaba y lo que quedaba era una diferencia de potencial nula (algo estático).

Por lo tanto había un único campo cuántico en reposo vacío de todo salvo de "potencial". Y este potencial no era ni más ni menos que un concepto matemático. Una descripción con la que venimos a decir que no había realmente nada (al menos nada material ni nada tangible, nada físico en realidad), pero que no obstante existía potencial para que "algo distinto" pudiese surgir de esa nada tan particular.

El proceso inflacionario.

En cierto momento, no se sabe cuándo ni cómo ni por qué, el potencial cambió. Pero cambió matemáticamente y no físicamente, porque en realidad como decimos no había nada "físico" en ese momento. Aún sin haber partículas y todavía en perfecto estado de vacío (fundamental), el campo escalar del inflatón empezó a ver descender muy poco a poco (slow roll down) el valor numérico de su potencial (el valor de su estado fundamental). Este proceso tuvo como respuesta automática natural un aumento exponencial del espacio ocupado por dicho campo escalar. Cada mil millonésima de segundo el potencial bajó numéricamente un poquitin, pero eso suponía no obstante un aumento exponencial del espacio ocupado por el campo (¡que seguía vacío de partículas!). Esta respuesta expansiva fue resultado de la "necesidad" que tiene la Naturaleza por mantener constante la energía total.  Si la energía potencial bajaba, pues la cinética debía aumentar para compensar, y eso se tradujo en una "anti-gravedad" que expandió como decimos de manera muy acelerada el espacio ocupado por el inflatón.

Por lo tanto un único campo escalar vacío de todo salvo de potencial (signifique eso lo que signifique), repentinamente vio decrecer dicho potencial (probablemente por una fluctuación cuántica espontánea) y la Naturaleza se vio "obligada" a expandir el propio campo (vació) como respuesta para mantener constante la energía total del mundo.

Este proceso exponencial extendió (unfolded) el espacio ocupado por el inflatón no menos de 75 órdenes de magnitud en una mil millonésima de segundo. Así pues, al cabo de esta cantidad minúscula de tiempo teníamos una gigantesca (y fría) nada cuántica. Un enorme "ente" matemático que había consumido parte de su potencial convirtiéndolo en expansión espacial. Es decir, que en un abrir y cerrar de ojo, pasamos de tener un microscópico vacío cuántico a tener un macroscópico vacío cuántico. La nada se hizo astronómica.

Reheating.

Cuando la función  matemática descrita por el potencial del campo cuántico del inflatón decayó hasta cierto valor umbral, se produjo súbitamente otro evento inexplicable: el proceso de suave slow roll down en el potencial cesa, y se produce en su lugar una repentina caída en picado del valor escalar de susodicho potencial. Esta gran caída en picado no pudo ser contrarrestada como antes por una expansión espacial, y la Naturaleza optó por otra solución capaz de mantener como debe ser la energía constante. Lo que hizo en concreto fue frenar en seco la expansión y convertir la energía de esta ENORME desaceleración en gigantescas perturbaciones por entre otros campos cuánticos que hasta ahora no habían participado en la "realidad".


Es decir, que cuando el potencial del inflatón cayó abruptamente, la diferencia de energía potencial se invirtió en alterar (cinéticamente) y perturbar esos nuevos campos cuánticos mundanos que acabarían dando forma con su ondulación a lo que todos entendemos hoy como las partículas de nuestro Universo. El enorme espacio vacío y frío ocupado por el inflatón sin partículas y en estado fundamental, de repente se vio lleno de diversos campos perturbados, excitados, que se acoplaban e interactuaban, y que por lo tanto estaban lleno de partículas (ondas de probabilidad) moviéndose a gran velocidad. Eso supuso un aumento gigantesco de la temperatura y de ahí el término reheating.

Something from nothing.

Llegados a este punto es probable que haya muchos lectores escépticos respecto a todo lo contado. Pues bien, para ellos aquí va esta maravillosa cita de Richard Feynman:
"[Hay muchos que afirman que seguro que] Hay otro tipo de cosas [algo más] que no entendéis, como queriendo decir: no me lo creo, es demasiado descabellado, es el tipo de cosa que simplemente no voy a aceptar. [...] [Pero] Si queremos saber el modo en que funciona la naturaleza, la miramos cuidadosamente, observándola y... ese es el aspecto que tiene. ¿Que no te gusta? Pues vete a otra parte, a otro universo donde las reglas sean más simples, filosóficamente más agradables, psicológicamente más fáciles. No puedo evitarlo ¿vale? Si voy a deciros honestamente como parece ser el mundo para los seres humanos que han luchado tan duro como han podido para entenderlo, sólo puedo deciros el aspecto que tiene."

Y el aspecto que tiene es el que os he intentado esquematizar arriba. Somos "algo" salido de una nada matemática. Nuestros cuerpos, sus átomos y moléculas, sólo son ecos ondulatorios y probabilistas de un pasado matemático completamente inmaterial. Una absoluta nada cuántica que sólo pasó a "aparentar" ser algo en un intento por mantener un íntimo y natural "deseo" esencial: conservar el concepto matemático de energía con un valor constante. Y por cierto que el responsable directo de que toda esa nada no se quedará en nada fue también obra de otra "necesidad" matemática esencial del mundo, el principio de Incertidumbre de Heisenberg:


Esta simple inecuación es la responsable directa de que nada en el mundo esté quieto, y que por contra todo esté rebosante siempre de fluctuaciones microscópicas...incluido el vacío.

El arquitecto matemático.

“El gran arquitecto parece ser un matemático; a aquellos que no saben matemáticas les resulta realmente difícil sentir la profunda belleza de la naturaleza.” (Richard Feynman).

El principio de incertidumbre, las simetrías con sus consiguientes leyes de conservación, y el principio de mínima acción y mínima energía son los pilares puramente matemáticos que determinan la realidad por completo. Y no es que exista algo real físico (de esencia material)  que se comporte como si siguiera estas reglas matemáticas descritas, es que parece ser que las propias reglas matemáticas son las que determinan y posibilitan como hemos visto antes que exista eso que nuestro cerebro de simio venido a más interpreta luego como la realidad física.

Visto lo visto parece que no es pues descabellado preguntarse sobre la posibilidad de que NO exista entonces nada de esencia independiente o distinta de la pura matemática. El formalismo matemático parece que es todo lo que existe de verdad (lo verdaderamente esencial); siendo lo demás simples representaciones subjetivas. Ya va siendo hora de que admitamos esta realidad: todo nuestro ser es "algo" que no hace tanto no era nada más que una función matemática de potencial. Un potencial matemático que se hizo "carne" en apariencia, pero que sigue siendo la misma nada que un día fue y que por cierto algún día será de nuevo cuando la evolución cósmica lo lleve todo a su "muerte" termodinámica: es decir, cuando toda esa perturbación originaria vuelva a la calma por completo.