En los años veinte gracias a los descubrimientos de varios científicos entre ellos el físico y matemático Alexander Friedmann y el astrónomo norteamericano Edwin Hubble, demostraron que el universo se está expandiendo, proporcionándonos una nueva imagen del universo, contrapuesta a la de un universo estático predominante hasta entonces, y que hoy es aceptada por la comunidad científica.
Si el universo se está expandiendo es lógico suponer que fue más pequeño en el pasado que en la actualidad y que en algún momento de ese distante pasado, comenzó como un denso núcleo de materia. Este núcleo denso de materia fue llamado por algunos científicos “huevo cósmico” el cual inicio su expansión con una violencia súper explosiva. Este instante inicial de la expansión del universo es el que conocemos como “big-bang”.
¿Qué sucedió antes del big-bang? Es algo que todavía no conocemos, pero ha sido motivo de especulación de la ciencia, la filosofía y la religión. Nosotros comenzaremos nuestra historia a partir de este instante llamado big-bang.
Hace unos diez o veinte mil millones de años la densidad era tan elevada que la materia cosmológica no estaba distribuida en galaxias separadas por espacio vacío como ahora, sino que estaba constituida por un fluido más o menos uniforme diseminado por todo el espacio. Este fluido estaba muy caliente – como todos los gases, la materia cosmológica se enfría al expansionarse, por lo que estaba más caliente en el pasado que en el presente – a esta temperatura la materia no existe en las formas habituales de solido, liquido o gas. Su estado es lo que los físicos llaman un plasma.
La fase crucial comenzó alrededor de un segundo después del big-bang, momento en que la temperatura era de unos diez mil millones de grados y la densidad de unas diez mil veces la del agua. Este estado del universo es conocido por los científicos como la era del plasma, en este momento el universo es una sopa formada por una veintena de tipos distintos de partículas elementales cargadas eléctricamente en completo caos, es decir sin ningún orden entre ellas. La era del plasma duró desde un segundo hasta 100.000 años después del big-bang; la era que la precedió (la era leptónica) duró desde más o menos un micro segundo hasta un segundo.
Para poder describir los detalles de estas primeras eras, debe explicarse algo acerca de la física de la materia altamente energética. Hace menos de un siglo cuando los físicos adivinaron la estructura del átomo, solo se conocían dos tipos de componentes sub atómicos: el protón de carga positiva y el electrón, de carga negativa, a partir de allí se descubrió que los protones se organizan formando núcleos alrededor de los cuales giran los electrones, se supo también que las corrientes eléctricas son causadas por los electrones, se detectaron también partículas eléctricas mucho más pesadas producidas por ciertos átomos radiactivos y las llamaron rayos alpha. Experimentando con estos rayos alpha se llego a la conclusión que se necesitaba otra partícula, eléctricamente neutra, el neutrón, para explicar cómo podían permanecer unidos en el núcleo los protones a pesar de su fuerza eléctrica de repulsión. El neutrón fue finalmente observado en 1932.
Por un tiempo pareció que estas tres partículas de materia eran los únicos bloques elementales constituyentes de todos los átomos. Pero el estudio de otro tipo de radiactividad, los rayos beta, llevo al físico Wolfang Pauli a sugerir la existencia de la más extraña de las partículas, el neutrino. Los neutrinos se diferencian de todas las demás partículas subatómicas, en que no pueden estar en reposo y de hecho se mueven a la velocidad de la luz y no hay forma de frenarlos, incluso el plomo es casi completamente transparente para los neutrinos; pueden incluso atravesar toda la tierra sin notarlo.
Antes de la segunda guerra mundial, el físico Hideki Yukawua, razonó que debía existir algún tipo de pegamento para mantener unidos los protones y neutrones del núcleo, y esta partícula podía ser emitida y absorbida por los protones y neutrones y el efecto pegajoso operaria por el mutuo intercambio continuo de estas partículas dentro del núcleo. Yukawa llamo a esta partícula mesón, porque estimó que debía tener una masa intermedia entre la del electrón y la del protón. Poco tiempo después se descubrió el mesón en una lluvia de rayos cósmicos, que son partículas que llegan a la tierra desde el espacio produciendo explosiones a nivel subatómico. Resultó que no era el mesón de Yukawa, sino una partícula como un electrón pesado y lo llamaron mesón mu o abreviadamente muón. Los muones como los electrones y los protones, están cargados eléctricamente e interaccionan con la luz y los neutrinos. La característica principal de los muones es que viven apenas durante una dos millonésimas de segundo, después de lo cual expulsa dos neutrinos y se transforma en un electrón. Diez años después en 1947 se descubrió el muón de Yukawa y fue llamado muón pi o pión, que solo vive un instante efímero y después expulsa un neutrino y se transforma en muón.
En los últimos años se han construido aceleradores de partículas cada vez más grandes y potentes como el CERN en Ginebra, que han permitido descubrir una gran cantidad de tipos de partículas, número que en la actualidad es de varios cientos, constituyendo un increíble conjunto de distintas especies de materia, muchas de las cuales solo existen durante una diminuta fracción de segundo antes de desintegrarse.
Algunos científicos piensan que existe un pequeño número de partículas verdaderamente elementales, enterradas en lo más profundo de la materia que quizás podrían ser liberados con la energía suficiente, mientras otros piensan que estas partículas no podrán ser separadas y se mantendrán siempre unidas unas con otras. A estas partículas elementales se les ha dado el nombre de quarks. Aun no se ha encontrado ninguno. Se supone que son indestructibles.
Otro concepto que nos acerca a la comprensión del origen y posterior ordenamiento del universo es la antimateria. Los físicos supusieron que por cada tipo de partícula cargada eléctricamente debía existir una partícula equivalente en masa pero de carga contraria. En efecto posteriormente se pudo demostrar en el laboratorio, gracias a los potentes aceleradores la existencia de estas partículas. Como ejemplo de estas antipartículas tenemos, El positrón que es el equivalente a un electrón pero de carga positiva y El antiprotón que es el equivalente de un protón pero de carga negativa. A la organización de estas partículas es lo que llamamos antimateria, la cual jugó un papel fundamental en el orden que hoy conocemos en el universo.
Además de las partículas ya mencionadas existen dos partículas, el fotón y el gravitón, cuyas características principales es que no poseen masa y su carga eléctrica es neutra.
Para concluir este apartado y regresar a nuestra historia del origen y orden del universo, nos falta mencionar las cuatro fuerzas fundamentales que actúan en el universo y que son consecuencia de la interacción de las partículas ya mencionadas.
La primera es la fuerza gravitatoria o gravedad, esta fuerza es universal, en el sentido que toda partícula la experimenta, de acuerdo con su masa o energía. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas, tan débil que no la notaríamos en absoluto si no fuera por dos propiedades especiales que posee: puede actuar a grandes distancias, y es siempre atractiva. Esto significa que las débiles fuerzas gravitatorias entre las partículas individuales de dos cuerpos grandes como la tierra y el sol, pueden sumarse todas y producir una fuerza total muy significativa. La fuerza gravitatoria entre la tierra y el sol se atribuye al intercambio de gravitones entre las partículas que forman estos cuerpos. Aunque las partículas intercambiadas son virtuales producen un efecto medible: ¡hacen girar a la tierra alrededor del sol¡ los gravitones reales constituyen lo que los físicos clásicos llamarían ondas gravitatorias, que son tan débiles y tan difíciles de detectar que aún no han sido observadas.
La fuerza electromagnética o magnetismo, es el resultado de la interacción de las partículas cargadas eléctricamente, la cual puede ser de atracción en caso de cargas contrarias o de repulsión en caso de cargas iguales. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria: la fuerza electromagnética entre dos electrones es aproximadamente (un uno con cuarenta ceros) de veces mayor que la fuerza gravitatoria. Un cuerpo grande como la tierra o el sol, contiene prácticamente la misma cantidad de cargas positivas y negativas, resultando una fuerza electromagnética muy débil. Sin embargo a distancias muy pequeñas como el átomo las fuerzas electromagnéticas dominan. La atracción electromagnética entre los electrones cargados negativamente y los protones del núcleo cargados positivamente hace girar a los electrones alrededor del núcleo, igual que la fuerza gravitatoria hace girar a la tierra alrededor del sol. La atracción electromagnética se presenta por el intercambio de partículas virtuales llamadas fotón.
La fuerza nuclear débil es la tercera de estas fuerzas, que es la responsable de la radioactividad y actúa sobre todas las partículas materiales, pero no sobre las partículas sin masa como los fotones y los gravitones.
La cuarta fuerza es la interacción nuclear fuerte, que mantiene a los quarks unidos en el protón y el neutrón, y a los protones y neutrones juntos en los núcleos de los átomos. Se cree que esta fuerza es transmitida por otra partícula llamada gluón, que solo interactúa consigo misma y con los quarks. A energías normales, la interacción fuerte es verdaderamente intensa y une a los quarks entre sí muy fuertemente.
En tiempos recientes los físicos han tratado de demostrar que a determinada energía muy alta, llamada Energía de la Gran Unificación (EGU). Estas tres fuerzas deberían tener todas, la misma intensidad y solo ser por tanto, aspectos diferentes de una única fuerza. También se le llama la gran energía universal o la energía universal, parece también corresponder con lo que los chinos intuyeron hace muchos siglos y denominaron el chi.
Hasta aquí hemos descrito someramente los ingredientes elementales de aquella sopa original, o plasma que se había formado en el primer segundo después del big-bang.
Regresando a nuestra historia. Recordemos que en el primer segundo de la creación la densidad de la materia se caracterizo por un nivel extraordinariamente alto, tanto que toda la materia que conforma el universo observable cabria en un tobo de tamaño normal.
En la medida en que la densidad y la temperatura descendían por efecto de la expansión del universo las partículas comenzaron a interactuar por efecto de las fuerzas ya mencionadas, las partículas y las antipartículas interactuaron aniquilándose mutuamente. La materia y la antimateria se atraen y se aniquilan mutuamente. Cuando esto sucede se produce una explosión de energía en forma de fotones. Como consecuencia de la diferencia en las cantidades toda la antimateria se aniquilo con la mayor parte de la materia dejando como resultado una pequeña parte de materia residual, que es la que hoy conforma el universo que conocemos. Esta aniquilación produjo una cantidad muy grande de fotones (partículas de luz) de forma que hoy día el universo contiene mil millones de veces más fotones que la cantidad de todas las partículas de materia junta.
Fue unos minutos después de esta gran explosión cuando la temperatura había descendido a unos pocos millones de grados cuando se produce lo que los científicos han denominado la nucleogénesis, en este momento los protones y los neutrones comenzaron a organizarse, casi todos los protones se combinaron con todos los neutrones formando núcleos de helio y el resto de los protones quedaron libres formando núcleos de hidrogeno. Se estima que el 7% de los núcleos formados son de helio y el restante de hidrogeno. El plasma continuo enfriándose durante miles de años
Hasta una temperatura que permitió que los electrones libres del plasma se combinaran formando átomos de helio y de hidrogeno, dando inicio a la estructura ordenada de la materia y la energía que conocemos hoy en día. La interacción de múltiples disciplinas científicas nos ha permitido la construcción de una imagen coherente de un universo en el que la organización y la actividad ordenada fueron creciendo durante miles de millones de años que siguieron a la edad del plasma.
Después de esta primera etapa, cuando la mayoría de las partículas disponibles ya se habían constituido en átomos de helio y de hidrogeno, las partículas residuales continuaron organizándose en átomos cada vez mas complejos y pesados, que hoy conocemos como Los Elementos. La forma como se dio este proceso, explica por qué los átomos pesados son tan escasos en el universo.
Las mayores organizaciones de la materia que existe son las galaxias. Se piensa que las galaxias se formaron a partir de concentraciones de gases que por efecto de la gravedad se fueron concentrando en unas esferas brillantes de gas que hoy son las estrellas.
Las estrellas son el signo más evidente de la organización cósmica y su estudio ha dominado la astronomía durante siglos. Actualmente los científicos están convencidos que las estrellas no se formaron de una sola vez, sino que constantemente se están formando, evolucionando y cambiando en escalas de tiempo enormes.
En la actualidad es posible explicar cómo se formaron las estrellas. Inicialmente, la lenta contracción de una gran bola de gas hidrogeno va calentando lentamente su interior hasta que alcanza varios millones de grados, proceso que dura aproximadamente unos 100 millones de años, hasta que finalmente se desencadenan las reacciones nucleares. Entonces la contracción se detiene y la estrella se estabiliza con un tamaño y una producción de energía más o menos constante.
Es muy probable que el Sol comenzara, como una gran bola de gas en lenta rotación, del tamaño aproximado del sistema solar, varios miles de veces su tamaño actual. Al contraerse, empezó progresivamente a girar más de prisa. Durante el proceso la rotación se volvió tan rápida que las regiones ecuatoriales de la superficie del protosol se desgajaron y se expulsó un disco de materia, similar a las chispas que se desprenden de una rueda de fuegos de artificio. Los elementos ligeros, como el hidrogeno se situaron en los bordes del disco, mientras que las pequeñas cantidades de elementos más pesados, como el hierro, carbono, silicio, níquel, uranio e incluso oro, se quedaron cerca del centro. Los efectos de acoplamiento magnético, provocaron una reducción gradual de la rotación del sol, mientras que el disco lo compenso girando más rápido y moviéndose hacia afuera.
Los planetas se formaron del disco giratorio. Los planetas grandes y ligeros como Júpiter y Saturno, surgieron del bloque de elementos ligeros situados cerca del borde del disco, mientras que las pequeñas cantidades de elementos pesados situados mas cerca del sol, originaron los planetas más pequeños como la Tierra y Marte.
El disco alrededor del sol, contenía todo tipo de materiales, condensándose lentamente en planetoides. El gas, el polvo, las rocas y otros fragmentos formaron aglomerados debido a los impactos y a la atracción gravitatoria. Gradualmente, estos cuerpos pequeños se fusionaron en otros mayores que a su vez, se unieron para formar planetas. Durante millones de años La Tierra, recién formada tuvo que sufrir terribles cataclismos al recibir sobre su superficie virgen el impacto de inmensos bloques rocosos. La energía de estos impactos mantuvo a la tierra en estado de fusión, permitiendo a las sustancias densas, como el hierro y el níquel, hundirse hacia el centro, mientras que los silicatos, más ligeros, progresar hacia la superficie para formar una corteza solida. Gases nocivos emanados de las rocas rodearon el planeta con una densa atmosfera, que era arrancada periódicamente por las erupciones y fulguraciones del sol, que aún se estaba formando. Finalmente cesaron las convulsiones solares y el sol alcanzo su fase estable, de combustión de hidrogeno.
Al formarse el sistema solar, con su avanzado nivel de organización astronómica: nueve planetas girando ordenadamente en orbitas casi circulares alrededor de una esfera estable y brillante de gas, cesaron los procesos gravitatorios en cuanto a estructurar y organizar la materia. Después de esto, cualquier desarrollo posterior solo puede tener lugar con ayuda de las fuerzas nucleares y la fuerza electromagnética y en particular, las que intervienen en los procesos químicos. Los procesos nucleares proporcionan la energía del sol.
El ingrediente esencial para el desarrollo posterior de la organización de la materia es un desequilibrio termodinámico, que en el caso del sistema solar, es alimentado por el calor producido en el interior del sol. Este flujo constante de calor controla casi todos los procesos y cambios que ocurren en la tierra. La proximidad de un sol caliente en un universo frio mantiene un desequilibrio térmico en la tierra que es la clave para la formación y mantenimiento de toda la vida en la tierra.
La materia está organizada a muchos niveles. A gran escala, el primer orden a partir del caos original fue establecido por la aparición de estrellas y galaxias. En la tierra, la química dio paso a la biología hace unos cuatro mil millones de años, cuando se desató el siguiente nivel de organización: la materia viva. Entonces, en el pasado muy reciente, se llego a un tercer nivel de organización, mucho más complejo y sofisticado que los dos primeros: el Ser Humano. La cultura humana es el nivel de organización más elaborado que se ha conocido hasta ahora. La tecnología representa el nivel máximo de actividad organizada que se conoce, y más que ninguna otra cosa determinará el destino final de las comunidades inteligentes en general y de los seres humanos en particular.
A lo largo de la historia de la humanidad, hay un tema persistente, la elaboración de la cultura material y social. El ser humano llega a este mundo provisto de muy pocas respuestas instintivas: mamar, llorar, sonreír y andar quizá sean las únicas cosas que los humanos hacen instintivamente. Lo que una persona llega a ser, tanto en términos de comportamiento, como de conocimientos y creencias, depende en gran medida de la cultura en que ese individuo está inmerso. En una escala global, la cultura humana es algo inmenso como el universo mismo. Además la cultura humana al igual que el universo se expande cada vez más rápido. Así como el universo, es el resultado de un proceso combinatorio infinito, de apenas unas decenas de partículas elementales, organizadas en aproximadamente algo más de cien elementos, cuyo resultado después de 15 mil millones de años de complejas interacciones, es todo lo que hoy conocemos.
Existe una correspondencia entre el universo material y el universo cultural?, si nos adentramos en la cultura para buscar las partículas elementales que la constituyen, encontraremos cada vez con más evidencia, que también la cultura es una complejísima estructura inmaterial resultado de la interacción de las mismas partículas y ondas que constituyen el universo.
Estamos tan inmersos en el universo cultural como en el universo material. Estamos vivos, y ciertamente la vida no es algo material, tampoco es algo cultural. Emerge en innumerables manifestaciones, desde un organismo de una sola célula, hasta un humano que tan solo en su cerebro tiene trillones de células interconectadas.
La vida es el más maravilloso resultado de todas las probabilidades del universo. La tierra es la casa de la vida y hasta donde sabemos, solo en este minúsculo rincón del universo emerge esta cualidad.
