La cosmología y la flecha del tiempo | Sean Carroll | TEDxCaltech

Esta charla fue dada en un evento TEDx local, producido independientemente de las Conferencias TED.

Sean Carrol investiga aspectos de una variedad de temas en física teórica, enfocándose en cosmología, física de partículas y relatividad general con especial énfasis en la materia oscura, la energía oscura y el origen del universo.

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)