El Universo es realmente grande.
Vivimos en una galaxia, la Galaxia de la Vía Láctea.
Hay cerca de cien mil millones de estrellas en la Galaxia de la Vía Láctea,
y, si tomas una cámara y la colocas señalando a cualquier punto del cielo,
y simplemente mantienes el disparador abierto,
siempre que tu cámara esté conectada al Telescopio espacial Hubble,
mostrará algo así.
Cada una de esas pequeñas manchas es una galaxia,
más o menos del tamaño de nuestra Vía Láctea.
Cien mil millones de estrellas en cada una de esas manchas.
Hay aproximadamente cien mil millones de galaxias en el universo observable.
Cien mil millones es el único número que necesitas saber,
la edad del Universo entre hoy y el Big Bang
es cien mil millones en años de perro,
(Risas)
lo cual dice bastante sobre nuestro lugar en el Universo.
Lo que puedes hacer con una imagen como ésta es simplemente admirarla,
es extremadamente bella, y a menudo me pregunto
cuál es la presión selectiva que hizo a nuestros ancestros desarrollarse,
adaptarse y evolucionar para disfrutar de imágenes de galaxias,
cuando ellos no tenían una. Pero también nos gustaría comprenderlo.
Como cosmólogo quiero preguntar, "¿por qué el Universo es así?"
Una gran pista que tenemos es que el universo está cambiando con el tiempo.
Si miras a una de esas galaxias y mides su velocidad,
se estaría alejando de ti,
y si miras a una galaxia que estuviera aún más lejos, se movería más rápido.
Por eso decimos que el Universo se está expandiendo.
Lo que eso significa es que, en el pasado,
las cosas estaban más cerca.
En el pasado, el Universo era más denso y también estaba más caliente,
si presionas cosas juntas, la temperatura aumenta.
Eso tiene sentido para nosotros.
Lo que no tiene tanto sentido para nosotros
es que el universo en épocas anteriores, cerca del Big Bang,
también esa muy tranquilo.
Puedes pensar que eso no es una sorpresa; el aire en esta sala está muy tranquilo,
puedes decir: "Bien, las cosas se suavizan a sí mismas".
Pero las condiciones cerca del Big Bang eran muy diferentes
de las que hay en el aire de esta sala.
En concreto, las cosas eran mucho más densas,
la fuerza gravitacional de las cosas era mucho más fuerte cerca del Big Bang.
Lo que tienes que pensar es
que teníamos un universo con cien mil millones de galaxias,
cien mil millones de estrellas en cada una
en los primeros tiempos, todas esas galaxias
estaban oprimidas en una región así de grande, literalmente en el comienzo;
tienes que imaginar hacer esa presión sin ninguna imperfección,
sin un solo puntito donde hubiera algunos átomos más que en otro lugar,
porque, si los hubiera habido, habrían colapsado
bajo la fuerza gravitacional en un enorme agujero negro.
Mantener el Universo tranquilo en su comienzo no es fácil.
Es una organización muy delicada.
Es un indicio de que el Universo no está elegido aleatoriamente,
hubo algo que lo hizo de esa manera,
y nos gustaría saber el qué.
Y parte de nuestro entendimiento se lo debemos a Ludwig Boltzmann,
un físico austriaco del siglo XIX,
cuya contribución fue ayudarnos a entender la entropía.
Has oído hablar de entropía,
es la aleatoriedad, el desorden, el caos de algunos sistemas.
Boltzmann nos dio una fórmula, hoy grabada en su lápida,
que realmente cuantifica lo que es entropía.
Básicamente dice que la entropía es el número de maneras
en que podemos reorganizar los componentes
de un sistema y que no se note.
Así, macroscópicamente, parece lo mismo.
En el aire de esta sala, no notas cada átomo.
Una configuración de baja entropía es aquella
donde hay sólo unas pocas estructuras que se parecen.
Una estructura de mayor entropía es aquella
donde hay muchas estructuras que se parecen.
Esta es una revelación crucial e importante,
porque nos ayuda a explicar la segunda ley de la termodinámica;
la ley que dice que la entropía aumenta en el Universo,
o en una porción aislada del Universo.
La razón por la que la entropía aumenta es sólo porque hay muchas más formas
de tener entropía alta que entropía baja.
Esa es una revelación maravillosa, pero deja algo de lado.
Esta revelación de que la entropía aumenta, por cierto,
es lo que está detrás de lo que llamamos "flecha del tiempo"
la diferencia entre el pasado y el futuro.
Cada diferencia que haya entre el pasado y el futuro
es porque la entropía está aumentando.
El hecho de que recuerdas el pasado pero no el futuro.
El hecho de que naces, luego vives
y luego mueres, siempre en ese orden,
es porque la entropía está aumentando.
Boltzmann explicaba que si comienzas con baja entropía,
es muy normal que aumente
porque hay más formas de tener alta entropía.
Lo que él no explicó fue por qué siempre al principio la entropía era baja.
El hecho de que la entropía en el Universo fue baja,
es un reflejo del hecho que el Universo inicial estuvo muy tranquilo,
nos gustaría entender eso, ese es nuestro trabajo como cosmólogos.
Desafortunadamente, es un problema al que no hemos dedicado suficiente atención.
No es una de las primeras cosas que diría si le preguntas
a un cosmólogo actual qué problemas están intentando resolver.
Alguien que sí comprendió que esto era un problema fue Richard Feynman.
Hace 50 años dio una serie de conferencias
--ya han oído hablar de ellas--
unas conferencias populares recopiladas en "El carácter de la ley física",
otras para estudiantes de Caltech recopiladas
en "Conferencias de Feynmann en física ",
para graduados de Caltech "Conferencias de Feynmann en gravitación".
En cada uno de estos libros, en cada serie de conferencias,
enfatizaba en este acertijo:
¿por qué el universo inicial tenía una entropía tan baja?
Y él decía: --no voy a imitar su acento--
"Por alguna razón el Universo, en algún momento, tuvo una entropía muy baja
por su contenido energético, y desde entonces, la entropía ha aumentado.
La flecha del tiempo no puede ser completamente comprendida
hasta que el misterio del inicio de la historia del Universo
se reduzca aún más desde la especulación al entendimiento".
Ese es nuestro trabajo, queremos saber.
Esto fue hace 50 años, seguramente piensan
que ya lo hemos averiguado.
No es cierto que ya lo hemos descubierto.
De hecho, es un problema de más de 50 años.
Boltzmann entendió que esto era un problema,
y sugirió una respuesta.
Antes de explicarlo,
debo decir que la razón de que el problema empeorara, en vez de mejorar,
se debió a que en 1998, aprendimos algo crucial acerca del Universo,
que antes no sabíamos.
Aprendimos que está acelerándose.
El universo no sólo se está expandiendo.
Si miras esa galaxia, se está alejando.
Vuelves mil millones de años después y miras de nuevo,
se estará alejando más deprisa.
Las galaxias individuales se van alejando de nosotros, más y más deprisa,
y así decimos que el Universo se está acelerando.
A diferencia de la baja entropía del universo temprano,
aunque no sabemos la respuesta a esto, al menos tenemos una buena teoría,
que puede explicarlo, si la teoría es correcta,
y es la teoría de la energía oscura.
Es sólo la idea de que el espacio vacío en sí mismo tiene energía,
y en cada pequeño centímetro cúbico de espacio
haya o no haya sustancia,
ya sean partículas, materia, radiación, o lo que sea,
hay energía, aún en el espacio mismo.
Esta energía, según Einstein, ejerce un empuje sobre el universo,
es un impulso perpetuo que aleja las galaxias unas de otras.
Debido a la materia oscura, al contrario que la radiación de la materia,
no se diluye según se expande el Universo.
La cantidad de energía en cada centímetro cúbico se queda igual,
aunque el Universo se haga más y más grande.
Esto tiene implicaciones cruciales para lo que el Universo va a hacer
en el futuro.
Por una razón, el Universo se expandirá por siempre.
Cuando tenía su edad,
no sabíamos qué iba a hacer el Universo,
algunas personas pensaban que colapsaría otra vez en el futuro,
Einstein era fan de esta idea.
Pero si hay energía oscura y la energía oscura no se va,
el Universo seguirá expandiéndose por siempre jamás.
14 mil millones de años en el pasado, 100 mil millones de años de perro,
pero un número infinito de años en el futuro.
Mientras tanto, a todos los efectos, el espacio nos parece finito.
El espacio puede ser finito o infinito,
pero debido a que el Universo se está acelerando
hay partes de él que no podemos ni jamás podremos ver.
Hay una región finita de espacio a la que tenemos acceso,
rodeado por un horizonte,
así, aunque el tiempo pase por siempre, el espacio está limitado para nosotros.
Finalmente, el espacio vacío tiene una temperatura.
En los 70, Stephen Hawking nos dijo que un agujero negro,
aunque pienses que es negro, de hecho emite radiación
cuando tienes en cuenta mecánica cuántica.
La curvatura de espacio-tiempo alrededor de un agujero negro
trae a la vida la fluctuación mecánico- cuántica que irradia el agujero negro.
Un cálculo precisamente similar hecho por Hawking y Gary Gibbens
muestra que si tienes energía oscura en un espacio vacío,
entonces el Universo entero irradia.
La energía en el espacio vacío trae a la vida fluctuaciones cuánticas,
así que aunque el Universo dure para siempre,
y la radiación de materia ordinaria se diluya,
siempre habrá algo de radiación, algunas fluctuaciones térmicas,
incluso en el espacio vacío.
Lo que esto significa es que, el Universo es como una caja de gas
que dura para siempre. ¿Qué implicaciones tiene esto?
Esa implicación la estudió Boltzmann en el siglo XIX.
Dijo, bueno, la entropía aumenta porque hay muchas más formas
para el Universo de tener entropía alta que de tener entropía baja.
Pero esa es una declaración de probabilidad.
Probablemente aumentará
y la probabilidad es enormemente alta,
no es algo de lo que deba preocuparnos
que el aire de esta sala se acumule en una parte de la habitación,
y nos asfixie, es muy improbable.
Excepto si cierran las puertas y nos dejan aquí, literalmente para siempre,
entonces podría ocurrir.
Todo lo que está permitido,
cada configuración factible de ser alcanzada
por las moléculas en esta sala, podría con el tiempo ser alcanzada.
Así Boltzmann dice, puedes empezar con un Universo en equilibrio térmico,
él no conocía el Big Bang o la expansión del Universo,
él pensaba que el espacio y el tiempo explicados por Isaac Newton
eran absolutos, parados ahí para siempre.
Así que su idea del Universo natural era una en la que las moléculas de aire
estaban esparcidas igualmente por todas partes, las moléculas de todo.
Pero si eres Boltzmann, sabes que si esperas lo suficiente,
las fluctuaciones aleatorias de esas moléculas, ocasionalmente
las llevarán a configuraciones de energía y de entropía más bajas.
Luego por supuesto, en el curso natural de las cosas, se expandirán de nuevo.
No es que la entropía deba siempre aumentar,
puedes obtener fluctuaciones hacia una entropía más baja,
situaciones más organizadas.
Boltzmann entonces inventó dos ideas que suenan modernas,
el multiverso y el principio entrópico.
Él dice que el problema con el equilibrio térmico es que no podemos vivir ahí.
Recuerda, la vida misma depende de la flecha del tiempo.
No seríamos capaces de procesar información, de metabolizar,
andar y hablar si viviéramos en equilibrio térmico.
Entonces, si imaginas un Universo muy grande, infinitamente grande,
con choques aleatorios entre partículas,
ocasionalmente habrá pequeñas fluctuaciones
a estados de entropía más baja y luego se relajarían de nuevo.
Pero también habría grandes fluctuaciones,
y ocasionalmente tendrías un planeta, una estrella, o una galaxia,
o cien mil millones de galaxias.
Así, Boltzmann dice que viviremos sólo en una parte del multiverso,
la parte que tiene un grupo infinitamente grande de partículas fluctuantes,
donde la vida es posible, esto es las regiones donde la entropía es baja,
quizá nuestro Universo es sólo una de esas cosas que ocurren de vez en cuando.
Ahora, la tarea que les doy es pensar bien sobre esto,
contemplar lo que significa.
Carl Sagan dijo una vez que, para hacer una tarta de manzana,
primero debes inventar el Universo.
Pero él no tenía razón.
En el escenario Boltzmann, si quieres hacer un pastel de manzana, sólo espera
a que el movimiento aleatorio de los átomos hagan el pastel de manzana.
(Risas).
Eso ocurrirá mucho más frecuentemente
que el movimiento aleatorio de los átomos haciéndote un huerto de manzanos,
y algo de azúcar, y un horno, y hacerte entonces un pastel de manzana.
Así que este escenario hace predicciones que dicen
que las fluctuaciones que nos crean a nosotros son mínimas.
Incluso si imaginas que esta sala en la que estamos ahora existe y es real,
que estamos aquí y tenemos no sólo nuestros recuerdos,
también nuestra impresión de que afuera hay algo llamado Caltech
y EE UU y la Galaxia de la Vía Láctea.
Es mucho más fácil que todas esas impresiones fluctúen
aleatoriamente en su cerebro que fluctuar aleatoriamente
en Caltech, Estados Unidos y la galaxia.
Las buenas noticias son que, por tanto, este escenario no funciona,
no es correcto.
Este escenario predice que deberíamos estar en fluctuación mínima,
incluso si dejan fuera nuestra galaxia
no obtendrías otros cien mil millones de galaxias.
Feynman también comprendió esto cuando dijo,
"Desde la hipótesis de que el mundo es una fluctuación,
todas las predicciones son que si miramos a una parte del mundo
que nunca vimos antes, la encontramos mezclada,
no como la porción que acabamos de ver". Entropía alta.
"Si nuestro orden se debe a una fluctuación
no esperaríamos orden en ninguna parte salvo donde lo acabamos de notar.
Por lo tanto podemos concluir que el Universo no es una fluctuación".
Eso está bien. La pregunta entonces es, ¿cuál es la respuesta correcta?
Si no es una fluctuación ¿por qué el Universo temprano tenía baja entropía?
Y me encantaría darte una respuesta pero no me queda tiempo.
(Risas)
Aquí está el Universo del que hablamos
contra el Universo que realmente existe.
Les acabo de mostrar esta imagen,
el Universo expandiéndose desde hace 10 mil millones de años, se está enfriando.
Pero ahora sabemos suficiente sobre el futuro del Universo para decir mucho más.
Si la materia oscura se queda alrededor,
las estrellas que nos rodean gastarán su combustible nuclear, dejarán de arder,
caerán dentro de agujeros negros.
Viviremos en un Universo con nada en él excepto agujeros negros.
Ese Universo durará 10 elevado a la 100 años,
bastante más de lo que nuestro pequeño Universo ha vivido.
El futuro es más largo que el pasado.
Pero incluso los agujeros negros no duran por siempre, se evaporarán,
y nos quedaremos sólo con espacio vacío.
Ese espacio vacío dura en esencia para siempre.
Sin embargo, notan que dado que el espacio vacío emite radiación,
hay fluctuaciones térmicas que cumplen ciclos en torno a todas
las combinaciones posibles de los grados de libertad
que existen en el espacio vacío.
Así, aunque el Universo dure para siempre,
sólo hay un número finito de cosas que pueden ocurrir en él,
todas ocurren en un período de tiempo igual a 10 a la 10, a la 120, años.
Así que aquí van dos preguntas:
Número 1, si el Universo dura 10 a la 10, a la 120, años,
¿por qué nacimos en los primeros 14 mil millones de años,
en el tibio, confortable rescoldo del Big Bang?
¿Por qué no estamos en un espacio vacío?
Podrías decir, no hay nada ahí donde vivir. Pero eso no es correcto.
Podrías ser una fluctuación aleatoria proveniente de la nada.
¿Por qué no lo eres?
Más tareas para ti.
Por eso, como he dicho que de hecho no sé la respuesta.
les daré mi escenario favorito;
o bien es simplemente así, no hay explicación,
es un hecho sobre el Universo que debemos aprender a aceptar
y dejar de hacer preguntas.
(Risas)
O quizá el Big Bang no es el comienzo del Universo.
Un huevo sin romper es una configuración de baja entropía
y aún así cuando abrimos la nevera no pensamos:
"Qué sorpresa encontrar esta configuración de entropía baja en nuestra nevera".
Eso es porque un huevo no es un sistema cerrado.
Viene de una gallina.
Quizá el Universo viene de una universal...
gallina. (Risas)
Quizá haya algo que naturalmente,
a través del crecimiento de las leyes de la física,
da lugar a un Universo como el nuestro en una configuración de baja entropía.
Si esto es verdad podría ocurrir más de una vez,
seríamos parte de un multiverso mucho más grande.
Ese es mi escenario favorito.
Los organizadores me pidieron terminar con una especulación atrevida:
que es que estaré absolutamente justificado por la historia,
(Risas)
y dentro de 50 años, todas mis salvajes ideas serán aceptadas como verdades
por las comunidades científica y civil
quienes creerán que nuestro pequeño Universo
es sólo una pequeña parte de un multiverso mucho mayor,
y aún mejor, entenderemos lo que ocurrió en el Big Bang
en términos de teorías que seremos capaces de comparar con observaciones.
Es una predicción, podría equivocarme, pero hemos estado pensando,
como raza humana, sobre cómo fue el Universo, por qué ha llegado a ser
tal como es, durante tantos y tantos años. Es emocionante pensar
que al final podremos saber la respuesta algún día. Gracias.
(Aplausos)