¿Fantasmas en el universo?

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El modelo cosmológico estándar ha introducido en la física dos conceptos nuevos, que no existían antes:

• La materia oscura: Parece ser cinco veces más abundante que la materia ordinaria, pero no sabemos lo que es, qué la compone. Sólo sabemos que parece estar sujeta a la gravedad, y hasta ahora se ha llegado a la conclusión de su existencia por dos caminos diferentes: a) Analizando el movimiento de rotación de las galaxias, que parece exigir que haya en ellas más masa de la que podemos ver. b) Estudiando la radiación cósmica de fondo de microondas, que ha servido de base para ajustar el modelo cosmológico estándar.
• La energía oscura: No tenemos ni idea de lo que es. Algunos hablan de una quinta interacción (o fuerza) fundamental, la quintaesencia, que se uniría a las cuatro que conocemos: gravitación, electromagnética, fuerte y débil. Otros ofrecen otras explicaciones, ninguna de las cuales ha recibido confirmación experimental. La hipótesis de su existencia se apoya también en dos observaciones: a) Analizando la velocidad de expansión del universo, tras el descubrimiento, en 1998, de que dicha velocidad se está acelerando. b) Estudiando la radiación cósmica de fondo de microondas, que ha servido de base para ajustar el modelo cosmológico estándar.

Un universo en evolución: Divulciencia en forma de libro

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CEU Ediciones ha publicado en forma de libro, bajo el título Un universo en evolución, una recopilación de un centenar de artículos publicados en este blog a lo largo de nueve años y ordenados temáticamente. Estos son los títulos de los quince capítulos:

1. Introducción (3 artículos)
2. El principio (5 artículos)
3. El modelo cosmológico estándar (9 artículos)
4. El problema del ajuste fino y las teorías del multiverso (7 artículos)
5. El problema del tiempo (7 artículos)
6. La vida en la Tierra y en otros mundos (3 artículos)
7. La evolución de la vida (7 artículos)
8. El hombre (5 artículos)
9. Inteligencia natural y artificial (7 artículos)
10. Vida sintética y vida artificial (3 artículos)
11. El futuro del hombre (8 artículos)
12. El fin del hombre y del universo (4 artículos)
13. Ciencia, fe y ateísmo (14 artículos)
14. Sobre la ciencia en general (17 artículos)
15. Conclusión (1 artículo)

Una conversación con ChatGPT

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El pasado mes de enero decidí poner a prueba la Inteligencia Artificial de moda, ChatGPT de OpenAI. Para ello realicé dos sesiones independientes (ignoro si el programa las conectó entre sí), en las que mis preguntas se dirigieron a los siguientes temas científicos:

• La primera sesión la enfoqué con una serie de preguntas sobre la teoría general de la relatividad, las teorías cosmológicas, y el modelo cosmológico estándar.
• La segunda la dediqué a la teoría especial de la relatividad, el límite de la velocidad de la luz en el vacío, y la posibilidad de viajar en el tiempo.

Después de la primera sesión, mis conclusiones son las siguientes:

¿Ciencia o imaginación?

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Una gran parte de la investigación “científica” que se está desarrollando actualmente, más que en ciencia, consiste en el ejercicio de la imaginación de los “científicos”. Parece que, para que a alguien se le considere científico, basta con que se dedique a hacer elucubraciones matemáticas que poco o nada tienen que ver con la realidad. Y naturalmente, todo lo que hace un científico tiene que ser “ciencia”. Al menos, las revistas científicas y los medios de alta divulgación lo consideran como tal.

Cuáles fueron los mayores avances científicos del siglo

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La revista de divulgación científica Science News ha cumplido en 2021 cien años (un siglo) de existencia. Para celebrar esta efeméride, la revista ha publicado una lista de los que, según el autor, son los diez mayores avances científicos realizados entre 1921 y 2021. Esta es la lista, ordenada según la importancia del descubrimiento para el autor del artículo (de mayor a menor):

El fin del universo

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¿Seguirá el cosmos dilatándose indefinidamente o se detendrá la expansión algún día? ¿Qué fuerza sería capaz de conseguirlo? Es evidente que la única que podría hacerlo es la gravedad. La expansión del universo, que provoca la fuga de las galaxias, va en contra de la atracción gravitatoria, que trata de mantener todos los cuerpos unidos entre sí.

Si se mira la ecuación cósmica de la relatividad general de Einstein, la cuestión de si la gravedad conseguirá detener la expansión del universo depende de los valores relativos y de los signos de los tres términos de la ecuación. Según cuáles sean, pueden ocurrir tres cosas:

Modelos científicos: ¿ajuste o validación?

Leonard Nimoy
como el Sr. Spock

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Una de las formas en que avanza la ciencia es construyendo modelos, que a menudo están formados por conjuntos más o menos complejos de ecuaciones matemáticas, y tratando de comprobar si dichos modelos se adaptan o no al funcionamiento del mundo real, tal como nos lo describen nuestros sentidos y nuestros instrumentos.

Al construir y utilizar un modelo tenemos que distinguir dos fases:

• Ajuste del modelo: consiste en asignar valores a los parámetros del modelo para conseguir que este se ajuste a los datos que ya tenemos sobre el mundo real. Un modelo que no esté ajustado a dicho conocimiento previo sería totalmente inútil.
• Validación del modelo: consiste en utilizar el modelo para realizar predicciones sorprendentes que nadie habría podido prever sin ayuda del modelo. Si dichas predicciones se confirman, se transforman en predicciones acertadas sorprendentes, que validan el modelo. Sin embargo, la validación nunca es definitiva, porque una nueva predicción sorprendente desacertada podría invalidarlo en el futuro.

Veamos algunos ejemplos:

El problema de la constante de Hubble

Radiación cósmica de fondo de microondas
NASA-WMAP

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La constante de Hubble, que mide la velocidad de expansión del espacio en el universo, tiene propiedades muy curiosas. Por ejemplo, aunque la llamamos constante,  resulta que no lo es, sino que varía con el tiempo. Por eso su valor actual se representa con el símbolo H₀, pero como su valor en otros momentos era diferente, se representa con otros símbolos, como H_CMBR, que se refiere a su valor en el momento en que se produjo la radiación cósmica de fondo de microondas, hace unos 13.700 millones de años.

El modelo cosmológico estándar

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Mapa de la Radiación Cósmica de Fondo

En 1927, el sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître descubrió la ley de Hubble.

Sí, es correcto. Hubble no descubrió la ley hasta 1929. Lo que pasó fue que Lemaître lo publicó en francés en una revista de poco impacto (Annales de la Société Scientifique de Bruxelles), mientras Hubble, que lo publicó dos años más tarde en inglés en los Proceedings of the National Academy of Sciences, recibió mucha más publicidad y su nombre quedó asociado al descubrimiento.

Combinada con la ecuación cosmológica de Einstein, la ley de Lemaître-Hubble implica que el universo está en expansión. En un artículo publicado en 1931 en Nature, Lemaître sacó las consecuencias de esto proponiendo la teoría del Big Bang, así llamada en burla por su opositor Fred Hoyle en 1950. El nombre cuajó.

En 1948, Ralph Alpher, George Gamow y Robert Herman hicieron dos predicciones sorprendentes, partiendo de la teoría del Big Bang: la composición media de la masa del cosmos (tres cuartas partes de hidrógeno y una de helio), y la existencia de la radiación cósmica de fondo. Ambas fueron comprobadas durante los años sesenta. A partir de ahí, la teoría del Big Bang se convirtió en la teoría cosmológica estándar.

A vueltas con la energía oscura

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Albert Einstein

En un artículo anterior mencioné que Einstein introdujo un tercer término en el segundo miembro de su ecuación cosmológica, para intentar que dicha ecuación tuviera como solución un cosmos estacionario, que no se expandiera ni se contrajera. El intento no consiguió su objetivo, porque dicho cosmos estacionario habría estado en equilibrio inestable, y la menor variación le habría empujado a expandirse o a contraerse. El término en cuestión depende de una constante (L, la constante cosmológica), que fue introducida por las buenas y en realidad no sabemos lo que es.

Ecuación cosmológica de Einstein

Durante la mayor parte del siglo XX, se dio por supuesto que el valor de la constante cosmológica debía ser cero. Con otras palabras, que el tercer término de la ecuación de Einstein no existía, que no era necesario. Sin embargo, en 1998 se descubrió que el universo parece estar en expansión acelerada. Al menos, eso parece indicar el estudio de las supernovas que aparecen en galaxias muy lejanas, a unos 1000 millones de años-luz de nosotros. Para explicarlo se resucitó el término de la constante cosmológica, pero dando a esta un valor de signo contrario al que propuso Einstein, para que en vez de contrarrestar la expansión, la acelerase. Esta propuesta se ha convertido en el modelo cosmológico estándar, en el que el primer término de la ecuación, que representa el efecto de la masa, cuenta actualmente como un 31%, mientras el tercero, el de la constante cosmológica, cuenta como un 69%. En este modelo, el segundo se considera nulo. Dejo aparte la cuestión de que el término de la masa tampoco cuadra, y ha sido preciso suponer que existe una materia oscura, que tampoco sabemos lo que es.

Problemas pendientes en el modelo cosmológico estándar

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El modelo cosmológico estándar, que se impuso hacia 1998, recibe el nombre de LCDM y se basa en las siguientes afirmaciones:

• El universo empezó con un Big Bang, tras el cual hubo una etapa de expansión acelerada (la inflación), que después se redujo hasta niveles próximos a los actuales. Más tarde apareció la materia ordinaria, formada esencialmente por hidrógeno y helio.
• La curvatura media del cosmos es próxima a cero (universo plano): el espacio tridimensional es aproximadamente euclídeo.
• La densidad media de materia del cosmos equivale a alrededor del 30% de la densidad crítica (la que separa un cosmos abierto, en expansión ilimitada, de un cosmos cerrado, que volvería a contraerse). Como la densidad de materia ordinaria que se ha detectado hasta ahora representa menos de un 5% de la densidad crítica, el resto (más del 25%) tendría que ser una forma desconocida (la materia oscura). De hecho, sería lo que se llama materia oscura fría, lo que explica las siglas CDM en el nombre del modelo (Cold Dark Matter). En un artículo anterior hablé sobre la materia oscura.