¿Se nos Acabará el Universo?

por Rodrigo Mundaca Contreras

[…] El Mundo es tan exquisito, posee tanto amor y tal hondura moral, que no hay motivo para engañarnos con bellas historias respaldadas con escasas evidencias. Me parece mucho mejor mirar cara a cara la Muerte en nuestra vulnerabilidad y agradecer cada día las oportunidades breves y magníficas que brinda la vida […]
–Carl Sagan–

¿Cuál es el destino último de nuestro Universo? La reflexión sobre este tema, al igual que las interrogantes fundamentales (¿Cuál es mi lugar en el universo? ¿De dónde vengo? ¿Hacia donde voy?), normalmente es desechada por considerarse algo fuera del entendimiento, una inquietud sin importancia en la rutina diaria (después de todo, el tener la respuesta a este tipo de preguntas no sube el sueldo).
En otros casos la respuesta se obtiene de algún sistema de creencias religiosas o sectarias. Pero en esta situación no hay reflexión, sino simple aceptación de las ideas consignadas en libros considerados sagrados o provistas por personas iluminadas… y en otros muchos casos la respuesta es un simple, irreflexivo y desdeñoso encogimiento de hombros.
Pero la ciencia también tiene algo que decir al respecto. No ofrece “la respuesta última” a la interrogante ni proporciona la buscada “paz espiritual” (no es su labor). Lo que sí otorga es una respuesta (que puede ir evolucionado en la medida que el Conocimiento aumente) con la que se puede construir un sistema de referencia sobre la cual se pueden cimentar ulteriores reflexiones, sean éstas tranquilizadoras o no.
Basándose únicamente en argumentos matemáticos y físicos que conforman las teorías vigentes en la actualidad (2004 AD), se ha logrado construir el escenario que le espera al universo en un futuro lejanísimo.

Gravedad: La Gran Protagonista

La teoría aceptada en forma general para la aparición y evolución del universo es la del Big Bang. Según esta teoría el universo comenzó en una explosión inconmensurablemente grande hace unos 10 mil millones de años. A partir de entonces, el universo se expande en todas direcciones, creando el espacio a medida que crece. Por diversos procesos físicos se crearon las galaxias, estrellas, planetas… ¡y nosotros mismos!
Cabe destacar que la tasa de expansión del universo está determinada por la fuerza de gravedad. La fuerza de gravedad es la interacción que se produce entre los cuerpos materiales, esto es, que estén compuesto de átomos (por ejemplo, el planeta Tierra está compuesto por átomos, y la suma de las fuerzas ejercidas por todos ellos sobre los átomos de nuestro cuerpo es lo que causa que estemos pegados al suelo).
La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales (las otras tres son: fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y fuerza electromagnética), pero sus efectos son acumulativos a gran escala. Esta curiosa propiedad es la que la convierte en la protagonista principal de esta historia.
El destino final de nuestro universo depende de la cantidad de materia que éste posee. Para determinar esto es necesario “pesar” el universo, o sea, determinar cuanta materia tiene. Si tiene el peso suficiente, entonces en algún momento la expansión cósmica se detendrá y comenzará a contraerse (de forma análoga a cuando se lanza una piedra hacia el cielo, esta se va frenando, se detiene, y comienza a caer de vuelta). Por el contrario, si la materia en el universo no es suficiente, la expansión continuará por toda la eternidad (a un cohete que va hacia la luna no le sucede lo mismo que a la piedra: logra huir de la gravedad terrestre).
¿Cuales son los posibles destinos últimos del Universo? Son dos:
Universo Abierto. El universo se expandirá por toda la eternidad.
Universo Cerrado. El universo frenará su expansión en algún momento para comenzar a contraerse hasta alcanzar tamaño nulo en el evento llamado Big Crunch.

Universo Abierto: Universo por los siglos de los siglos… y más
Para construir una imagen de un universo que se expande para siempre, es imprescindible centrar la atención en las estructuras más estables conocidas. No se sabe dónde estarán los humanos en mil años, pero sí se sabe la respuesta cuando se trata de nuestro sol, por ejemplo.
Se analizarán los siguientes eventos:
* Muerte de Estrellas
* Muerte de los Agujeros Negros
* Decaimiento de la materia
* Muerte Energética del Universo

Colapso de Estrellas: El advenimiento de las Tinieblas

Las estrellas, aquellos puntitos luminosos en el cielo nocturno, son gigantescas bolas de gas en combustión. El origen de esta combustión consiste en, básicamente, reacciones de fusión nuclear entre los átomos ligeros de hidrógeno, en donde dos de ellos se fusionan para dar origen a un átomo de helio más energía que se transmite en forma de radiación electromagnética al espacio estelar.
Pero sucede que la cantidad de hidrogeno en una estrella no es infinita, de modo que, tarde o temprano, la estrella tiene que agotar el combustible que mantiene vivo el fuego estelar, con lo cual la estrella se apaga. Las estrellas se mueren en gigantescas explosiones conocidas como supernovas, se transforman en enanas blancas, estrellas de neutrones o colapsan en agujeros negros. Se forman nebulosas de polvo debido a la explosión y es posible (si se dan las condiciones adecuadas) que las estrellas vuelvan a crearse… y a morir. Este ciclo de creación-muerte tiene un tope cuando los elementos creados por las reacciones de fusión nuclear avanzan en la tabla periódica y se sintetiza un elemento estable como es el fierro. En este caso la producción de estrellas finaliza y ya no vuelve a encenderse ningún astro.
Cuando esta situación suceda para todas las estrellas del universo, éste se sumirá en la más oscura de las tinieblas.
Gran parte de la materia, no obstante, seguirá estando allí. Los agujeros negros absorberán mucha de esta materia, pero tal vez no toda, de modo que existirán cuerpos opacos como planetas, asteroides y cometas junto con agujeros negros que no pudieron capturarlos.
Ahora bien, se sabe que los agujeros negros emiten un tipo de radiación que eventualmente es capaz de evaporarlo. Para que esto ocurra hace falta una cantidad de tiempo inimaginablemente grande, pero ciertamente finita, de modo que en un universo en eterna expansión, hasta los agujeros negros mueren.

Evaporación de Agujeros Negros: La derrota del Asesino Cósmico

Stephen Hawking y Roger Penrose determinaron hacia 1970 una propiedad en los agujeros negros que implicaba que éstos no sólo podían “tragar”” materia, sino que también podían “vomitarla” de vuelta hacia el universo.
Este “vómito” ahora se conoce como “Radiación Hawking” y consiste en una radiación de origen cuántico.
¿Cómo es posible eso si se sabe que nada, ni siquiera la luz con toda su rapidez, puede escapar de un agujero negro?
El Principio de Incertidumbre de Heisenberg señala que no se puede conocer con absoluta precisión la posición y velocidad de una partícula. Cuanto con mayor precisión se conoce una de estas magnitudes, con menor precisión se conoce la otra. Este principio, aplicado a los agujeros negros, implica que el espacio “vacío” justo fuera del horizonte de sucesos de uno de estos objetos estelares, no está totalmente vacío. Tiene que existir fluctuaciones de algún tipo. Dichas fluctuaciones se manifiestan como pares de partículas-antipartículas virtuales de luz o de gravedad, de energía opuesta, que aparecen juntas en un instante determinado justo fuera del horizonte de sucesos, se separan, y luego se vuelven a reunir, aniquilándose entre sí, o siendo tragadas por el agujero negro. Puede suceder que sólo una de las partículas del par sea digerida por el agujero negro, dejando a la otra con libertad para escapar. Desde el punto de vista de un observador externo, el origen de esta partícula virtual sería el agujero negro.
El detalle es que las partículas que el agujero traga poseen, en algunos casos, energía negativa. Para compensar esto, la partícula que escapa tiene que tener energía positiva (de modo que la suma de ambas sea cero y así cumplir con la ley de conservación de la energía). Entonces, un flujo de partículas de energía negativas siendo tragadas por el agujero negro tiene como resultado una disminución de masa y entropía de éste.
Con el tiempo suficiente (recordemos que la Eternidad es un periodo de tiempo muuuuy largo) el agujero negro se encoge, se evapora y “muere” (asumiendo que el flujo de masa hacia dentro del agujero es nula o menor que la tasa de emisión de radiación Hawking).

Decaimiento de la Materia: ¿Es la materia 100% estable?

¿Y que ocurre con la materia que no cae en los agujeros negros?
La materia está compuesta por átomos, y éstos por protones, neutrones y electrones. Los protones son considerados como las partículas más estables que se conocen.
Un protón está compuesto por tres quarks. Estas partículas no pueden tener sus posiciones completamente definidas (estáticas) en la estructura del protón, pues violarían el Principio de Incertidumbre. En vez de ello su posición está dada por una “distribución de probabilidades”, de manera que se alejan y se acercan de modo completamente aleatorio. Por puro azar, en algún momento de la eternidad, los quarks pueden encontrarse más cerca que de costumbre, tan cerca que la fuerza de gravedad entre ellos predomine por sobre la fuerza nuclear fuerte. Si ese es el caso, la gravedad provocará que el protón colapse en un agujero negro subatómico y se evapore instantáneamente por efecto de la radiación Hawking.
Y así se tendría la muerte de un protón. El mecanismo de desintegración de las otras partículas es similar.
La Eternidad es muy larga y tiene mucha paciencia, de modo que habría tiempo suficiente para que toda la materia del universo colapse de esa manera.

Entropía: Crisis de Energía Universal

Existe un concepto en Termodinámica llamado “entropía”. Si bien está definido en forma matemática, puede ser interpretado como “la cantidad de desorden de un sistema”.
Para ejemplificar el concepto, imagínese la siguiente situación: Una persona toma un huevo crudo en la mano y la abre de modo que el huevo resbale de ella. ¿Qué se observa? El huevo cae al suelo y se rompe. En el estado inicial, la entropía o desorden del huevo en la mano es pequeña (el huevo está completo). El mismo huevo en el suelo y roto, tiene una entropía o cantidad de desorden alta. Pues bien, se ha determinado que los estados de los sistemas (de todos los sistemas en el universo conocido) siempre evolucionan desde un estado de baja entropía a un estado de alta entropía. El que no se vean huevos rotos saltando del suelo y reconstruyéndose solos en las manos es una confirmación de esto, fenómeno consignado en el enunciado de la segunda ley de la termodinámica, ley en donde se origina el concepto de entropía.
Para aprovechar la energía, es necesario que ésta tenga una distribución desigual. Siguiendo con el ejemplo del huevo roto en el suelo, lo más probable es que se tendrá que limpiar el suelo para que el desorden o la entropía del sistema huevo-cocina disminuya. Para poder llevar a cabo tal acción se necesita mover los músculos. Para que los músculos se muevan es necesario comer. La comida posee energía almacenada químicamente y por diversos procesos se transforma en energía disponible para ser usada por los músculos en forma mecánica. Ahora bien, el trabajo de limpieza puede ser extenuante y la persona que limpia puede acalorarse. El calor producido por la persona es energía, pero sucede que esta energía posee un alto contenido entrópico. Es decir, la disminución de la entropía del sistema huevo-cocina, se realizó a costa del ¡aumento de entropía de la persona que limpia el desastre!
Generalizando un poco, se puede decir que todos los procesos físicos que realizan intercambios de energía, producen aparte del trabajo útil, un residuo en forma de calor.
¿Qué relación tiene la entropía con la crisis energética universal?
El sol, nuestra estrella, transforma cada segundo toneladas de hidrógeno y helio en otros elementos produciendo mucha energía calórica que se emite en forma de radiación (basta asomarse a una playa en verano para sentirlo). Lo mismo vale para todas las estrellas del universo. Esto significa que la entropía del universo aumenta a cada instante, de forma irreversible.
Eventualmente todo tipo de energía, ya sea nuclear, química, potencial, elástica etc. se transformará en energía calórica y ya no se podrá seguir aprovechando de forma útil. Basta citar como ejemplo la energía calórica del mar: el mar ha recibido radiación solar durante millones de años, con lo cual la cantidad de energía que posee es fabulosa, sin embargo, la poca diferencia de temperatura que posee con la temperatura ambiente hace que sea imposible aprovechar su energía.
Cuando toda la energía del universo se transforme en calor, se podrá decir que el universo habrá muerto energéticamente. Y si eso ocurre, ningún ser vivo tal como lo conocemos puede vivir. Esto es debido a que los seres vivos realizan intercambios de energía con su ambiente, y esto sólo se realiza si existe un gradiente o diferencia energética entre el ser y su entorno. En un universo sin gradiente energético, el intercambio de energía es imposible.
El universo se convertirá en un lugar inimaginablemente grande, abismantemente vacío e impregnado de una aterradora y absoluta oscuridad, sin la menor posibilidad que se produzcan fenómenos físicos de ninguna especie.
¿Un panorama desolador, no?

Universo Cerrado. Apocalipsis lejano, pero inminente

El esquema presentado anteriormente corresponde al estado final de un universo en eterna expansión. Actualmente ese es el modelo que se asigna a nuestro universo, basado en la medición de la masa total. No obstante lo anterior, existen fundadas razones para creer que hay más materia de la que se ha medido. La fuerza de gravedad que se calcula que es necesaria para mantener estable a sistemas de estrellas múltiples (o incluso cúmulos de galaxias) que se han observado, es distinta a la que realmente se determina en forma experimental. Esto significa que existe “algo más” en esos sistemas que aporta con gravedad y que provoca, en definitiva, que los cúmulos estelares sean estables. Este “algo más” ya tiene nombre: se conoce como materia oscura, y si bien su existencia no tiene explicación bajo el paradigma actual de las ciencias físicas, su existencia sí ha sido confirmada por observaciones radioastronómicas, en particular por el CBI “Cosmic Background Imagen” (un radiotelescopio que funciona en Chile y en donde el CALTECH, el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Concepción y la Universidad de Chile, entre otras pocas instituciones, posee estudiantes investigando).
Si ocurre que la materia normal más energía oscura suman la cantidad de masa suficiente, el universo frenará su expansión y comenzar a contraerse. Y si ese es el caso, el fin del universo está sentenciado irremediablemente.
Si la tasa de desaceleración es muy lenta, entonces puede tomar una casi-eternidad el que se frene, y otra casi-eternidad el que disminuya de tamaño hasta llegar a tamaño nulo. Siendo este el caso, los eventos que se han descrito para el destino de estrellas, agujeros negros y materia en general, también tendría validez en el modelo de universo cerrado.
No obstante lo anterior, un universo en contracción tendrá sus propias características.
La radiación de fondo de microondas, el estertor agónico de la explosión del Big Bang, comenzará a aumentar su temperatura, producto del efecto Doppler. Esto se traducirá en un aumento de la temperatura del universo.
El color del universo dejará de ser negro para comenzar a tornarse de un escalofriante tono rojizo oscuro. Conforme se acelere la contracción, el color irá pasando por todo el espectro visible. Eventualmente se pondrá amarillo. Tiempo después, blanco.
En la eventualidad que aún existieran estrellas para ese entonces, el aumento de temperatura del universo será un problema para ellas. Ya se mencionó que un sistema físico que realice intercambio de calor con el ambiente necesita de un gradiente de temperatura. Si la temperatura del universo es igual o incluso mayor que la de la estrella, ésta será incapaz de eliminar el calor producido por las reacciones nucleares… y si esto ocurre la estrella finalmente explotará.
Los planetas no correrán mejor suerte. La radiación acabará con sus atmósferas, abrasará sus superficies, obligando a los hipotéticos y desdichados habitantes a refugiarse en el interior de sus planetas.
Pero de nada les serviría aquello, pues los efectos del calor serían cada vez peores.
Además, el Espacio se encoge.
La materia es comprimida a tal límite que los átomos de la materia son destruidos en sus componentes. Sólo hay quarks y agujeros negros en un entorno de altísimas temperaturas.
La gravedad finalmente aplasta todo.
Una explosión infinitamente potente destruye el Universo: Materia, Espacio y Tiempo mueren.
Este evento es lo que se conoce como Big Crunch, una suerte de Big Bang al revés.
El universo muere y ya no hay después.
No hay después…

por Rodrigo Mundaca Contreras