2019-11-25

Naturalismo



La ontología más general típicamente asociada al ateísmo es el naturalismo: existe solamente un mundo, el mundo natural, que exhibe patrones que llamamos "las leyes de la naturaleza", y que se puede descubrir mediante los métodos de la ciencia y la investigación empírica. No hay un mundo aparte con lo sobrenatural, espiritual ni divino; no hay tampoco una teleología cósmica o propósito trascendental inherente en el universo ni en la vida humana. "Vida" y "conciencia" no denominan esencias aparte de la materia; son formas de hablar de los fenómenos que surgen de la interacción de sistemas extraordinariamente complejos. El propósito y el significado en la vida surgen fundamentalmente a través de actos de creación humana, y no son derivados de nada fuera de nosotros mismos. El naturalismo es una filosofía de unidad y patrones que describe a toda la realidad como una red continua.

—Sean Carroll, en The Big Picture
Usando a la religiosidad como un indicador indirecto de creencia en lo sobrenatural, el naturalismo—no confundir con naturismo—es por mucho una posición minoritaria. Inclusive entre la relativamente minúscula población de ateos existen alusiones insistentes a la espiritualidad, a trascender, a descubrir propósito. Esto es un impulso humano, probablemente, y difícil de evitar. Aún así está mal y no aporta nada que sea mejor que la alternativa: la visión naturalista no solamente es la correcta, sino que es la que más prosperidad y bienestar ofrece.

Antes que nada, creo conveniente establecer que lo sobrenatural—sea espiritismo, telequinesis, brujería, clarividencia, vida después de la muerte, fantasmas, dioses o lo que sea—no solamente no existe, sino que no puede existir, porque es incoherente. Quienes afirmen haber detectado algún fenómeno sobrenatural, necesariamente lo habrán hecho por medios naturales, es decir, físicos : vieron algo, oyeron algo, sintieron algo. Lo que sabemos del mundo físico va creciendo continuamente y quizá sea todavía poco comparado con lo que queda por saber, pero ya es más que suficiente para descartar todo lo sobrenatural.

Si alguien propone que grabó un fantasma en video, supongamos, y si se supone que ese fantasma está hecho de alguna sustancia—ectoplasma, materia espiritual o como le quieran llamar—¿cómo llegó al video si no mediante un fenómeno físico? Los detectores CCD de una cámara digital los hicimos usando lo que sabemos de electromagnetismo o, más específicamente, de electrodinámica cuántica. Quien afirme que logró capturar en video a un fantasma está haciendo la declaración, quiera o no, de que la electrodinámica cuántica está mal, incompleta o que, sin querer, automáticamente incluye también a la electrodinámica ectoplásmica. Tenemos los libros con las ecuaciones detalladas que, los creyentes dicen, están mal o incompletas. Pero curiosamente nunca pueden decir cuáles, ni en qué.

Llama la atención, hablando de electrodinámica cuántica, cuánto las creencias en lo sobrenatural dicen basarse en ciencia, cuando es ésta la que más las contradice. En un debate en Caltech en 2006, el confundidísimo charlatán Deepak Chopra se la pasó vomitando ensaladas de palabras con aderezo cuántico y no se le ocurrió que había entrado a una madriguera de físicos teóricos. En la sesión de preguntas, el físico Leonard Mlodinow lo confrontó (muy amablemente), diciéndole "...entiendo lo que significa cada una de las palabras que dices, pero todavía no entiendo de qué estás hablando". Obviamente, Chopra no pudo hacer más que cambiar de tema con más ensaladas de palabras, sobre el infinito y quién sabe qué más:


La lección de la mecánica cuántica—que ya exploraremos aquí en AutóMata—no es, ni de cerca, que el materialismo esté limitado u obsoleto. Al contrario, como todos los descubrimientos científicos, la lección es que el mundo material es mucho más interesante que cualquier superstición "espiritual" que se le pudiera ocurrir a un humano. Una y otra vez, la explicación de un fenómeno resulta ser un patrón en el mundo natural. No hay una sola explicación natural de un fenómeno que haya sido reemplazada por otra explicación sobrenatural mejor. En toda la historia de la humanidad, ni una.

Cada vez que lo sobrenatural tiene la oportunidad de ganarse un Nobel de física, química o medicina, fracasa. Todo lo que se pudiera explicar proponiendo la existencia de lo sobrenatural puede explicarse, con menos suposiciones y muchísima más evidencia, proponiendo la existencia de gente confundida. Los videntes, por alguna razón, no se ganan la lotería; por la misma razón, los curanderos no se acercan ni por accidente a una sala de quemaduras o amputaciones en un hospital.

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Sobra decir que el alma no existe tampoco, siguiendo el mismo modo de argumentación aplicado a los fantasmas: ¿cómo puede una entidad física, como el cuerpo humano, interactuar con algo no-físico, como el alma? Algún componente físico es necesario para, digamos, mover un brazo o abrir los ojos, porque estos movimientos son físicos. ¿Cómo "empuja" o "jala" el alma a los mecanismos del cuerpo o el cerebro, si no está hecha de nada físico? ¿Qué está haciendo el alma que no haga por sí solo el cerebro?

Ya que andamos en eso, sabemos que la mente (a veces usada como sustituto del alma) es una función del cerebro. Es un proceso físico, o químico o biológico, si así lo prefieren, que es ejecutado por el cerebro. Faltan muchos detalles, pero aún lo más burdo de lo que sabemos es ya incontrovertible: dañas al cerebro y dañas a la mente. Si no, ¿qué creen que hace el Alzheimer? ¿Qué creen que hace una lobotomía? ¿Cómo creen que funciona la anestesia?

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Aunque todo se pueda reducir, en principio, a objetos y mecanismos de física fundamental, esto no siempre es lo más práctico. La física de partículas debe ser consistente con, digamos, la economía, pero sería imposible e impráctico tratar de derivar la economía a partir de la física de partículas. Afortunadamente, puede describirse el mundo en términos perfectamente naturales a distintos niveles, algo que el físico Sean Carroll llama naturalismo poético. Por ejemplo, podemos hablar de un smartphone como un dispositivo con un cierto sistema operativo y aplicaciones, o como una colección compleja de circuitos integrados y otros componentes electrónicos, o como moléculas y partículas fundamentales. Todas las descripciones son válidas y equivalentes. En el naturalismo poético, algo es "real" si juega un papel esencial en una descripción natural coherente.

Lo que conecta un nivel de descripción natural con otro es la emergencia, en el sentido de emerger, definida como la presencia de propiedades en una descripción natural que no se encuentran en otra descripción más fundamental. Un caso fácil de entender es la temperatura de un objeto, propiedad que emerge de la energía cinética de las partículas individuales que lo componen pero que no existe en ninguna de ellas (es un sinsentido hablar de la temperatura de una sola molécula). Una vez que uno se ubica en un nivel que en principio se puede derivar de otro más fundamental, puede tomar sus propiedades básicas como fundamentales y seguir describiendo al mundo en ese nivel sin problema. En principio, todas las propiedades de un nivel de descripción se podrían derivar de los niveles que le son más fundamentales (algo conocido como reduccionismo), pero no es necesario hacerlo para empezar a estudiar. El concepto de temperatura se usó, incluso de manera científica, mucho antes de que se supiera su origen en la energía cinética de las partículas.

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En nuestras vidas diarias, inclusive los naturalistas más radicales nos movemos con propósitos, tomamos decisiones, planeamos para el futuro, tratamos de darle sentido a lo que hacemos. Ninguna de esas cosas existe en las descripciones naturales del mundo, especialmente las más científicamente rigurosas, a ningún nivel. El filósofo Wilfred Sellars propuso que una visión moderna de lo que hace la filosofía es reconciliar, en la medida posible, el mundo como se nos manifiesta con el mundo como realmente es. Los humanos nos contamos historias, le atribuímos sentido a nuestra existencia y la de los demás, sentimos, pensamos, planeamos para el futuro. Las partículas fundamentales, obviamente, no.

Al principio mencioné que no había que confundir el naturalismo con el naturismo: la creencia de que lo natural es bueno y que es una falacia sumamente común, irónicamente, entre quienes veneran a lo sobrenatural. Saber cómo son las cosas no nos dice nada acerca de cómo deberían ser, y por lo tanto explicar que algún fenómeno sea natural no implica excusarlo : la violencia parece ser parte de la naturaleza de todos los primates, incluyéndonos a los humanos, pero hemos optado por usarla cada vez menos y, (casi) todos estamos de acuerdo, eso es bueno.  También hemos manipulado a lo natural para deshacernos de la viruela, y para aprovechar la física y la química para producir energía que de otra manera no existiría.

El filósofo y físico Tim Maudlin cuenta una parábola interesante. Imaginemos que hay dos jugadores de ajedrez, hombre y mujer, que son pareja  y tienen una hija. Deciden inculcarle el juego cuanto antes, enseñándole todo lo que pueden, llevándola con maestros e inscribiéndola en torneos. Tienen grandes visiones y ambiciones para su hija como ajedrecista y sí, la niña se hace muy, muy buena para el ajedrez. Pero hay un problema: a ella no le gusta el ajedrez. Le parece solo un juego aburrido e inútil. Ella quiere hacer otra cosa, dedicarse a algo más. Quizá las artes, o una ingeniería o lo que sea, menos ajedrez.

¿Concluiríamos que su vida carece de propósito, por haber rechazado el plan de sus creadores? ¿Y qué si hubiera sido libre, desde el principio, de hacer su propio propósito? En un mundo puramente natural, no existe propósito, ni bien ni mal, aparte del que nosotros hagamos. ¿Y para qué queremos más?

La gente creyente en espiritualidad o religiones no se imagina cómo sería vivir así, libre. Los filósofos existencialistas consideraban una especie de absurdo tener que enfrentar semejante situación (que, por cierto, consideraban la situación real). ¿Por qué levantarse por la mañana—preguntan—si todo esto es para nada? ¿Por qué vivir en lo absoluto, si todo terminará y, además, terminará en la nada? Como dijo Albert Camus, ¿debería suicidarme o tomarme un café?

Con una visión natural del mundo, uno se levanta por la mañana por la misma razón que todos los demás: porque tiene el estómago vacío y la vejiga llena. Eso, y para tomar café. Y para hacer cosas que nos gustan o nos pagan dinero. Inclusive la gente que tiene pósters de Camus y Nietzche en su cuarto lo hace. Conocer cómo funciona el mundo es lo que nos permite manipularlo a nuestra conveniencia y disfrutarlo, le importe o no a quien sea, o a nadie. Aparte de lo que digan las leyes fundamentales del universo, nada es obligatorio ni está prohibido. No tenemos que hacer nada aparte de lo que decidamos hacer.

Que nuestras vidas sean finitas no implica, de ninguna manera, que sean poco valiosas, sino al contrario. Deberíamos, ya que estamos aquí, aprovechar. Nadie escucha una pieza de música genial, como una sinfonía, y a mediados del tercer movimiento dice "Ah, pero esto no tiene caso, porque llegará el cuarto movimiento y luego se terminará. Buuu." Por otro lado, en la peor miseria humana, a nadie le consolará que le digan "Lamento lo de tu cáncer, niño, pero no te preocupes, porque es para nada y luego se acaba." Precisamente porque estamos en un mundo puramente físico, estas experiencias son reales. Cuando alguien muere, realmente se muere. La vida no es una ilusión, ni un ensayo para el número estelar que le sigue. Este es el número estelar. Tenemos todo por ganar—o perder—si lo entendemos así.

2019-11-17

Sí a la Justicia, No a la Justicia Social



El término “justicia social” suena bien, al menos a primera vista. Pero me preocupa, por lo que he estudiado de la situación cultural y política en Estados Unidos y Europa, y que sigo de cerca desde algunos años. Ahora, en México y el resto del mundo se empiezan a adoptar plenamente los errores de aquella guerra cultural y, me temo, no tenemos las instituciones ni tradiciones intelectuales necesarias para hacerle frente a la polarización que nos espera (lo de ahora no es nada comparado con lo que viene, si tengo razón).

Tomando las palabras “justicia” y “social” por separado me parece inevitable, siendo la persona de mente cuadrada y literal que suelo ser, pensar en algo así como “impartición de recompensas y castigos según se merezcan” para la primera, y “a nivel de grupos a gran escala” para la segunda. Pensé que de lo que se trataba esto de la civilización—y ciertamente de la civilización desde la Ilustración—era dejar de lado culpar o recompensar a grupos enteros de personas basándonos en sus características más superficiales, que necesariamente son las únicas que se pueden discernir a nivel social. El sueño de Martin Luther King, de que sus hijos fueran juzgados no por el color de su piel sino por el contenido de su carácter, parece ahora ingenuo.

Seguramente, me digo, los chairos (equivalentes latinos a los Social Justice Warriors en E.U.) no quieren realmente recompensar o castigar gente basándose en raza, sexualidad o clase socioeconómica, y en realidad estoy entendiendo mal. Pero cada vez que tienen oportunidad de explicar qué es lo que sí están diciendo, confirman que no son menos racistas, inconsistentes ni hipócritas que sus homólogos de derecha. No les interesa combatir el racismo, sino solamente cambiarlo de dirección (para esto, hablen con ellos de cualquier cosa que tenga que ver con Estados Unidos o Israel y verán a qué me refiero). No les interesa ayudar a poblaciones marginadas como los indígenas a salir de su predicamento, sino que quieren glorificar y romantizar su marginación y rezago. Es como observó Christopher Hitchens acerca de la fraudulenta Madre Teresa: no ayudó a un solo pobre porque no era amiga de los pobres, sino de la pobreza.

Y no anticipan, ni de lejos, que muchas de las cosas que creen (muchas buenas, por cierto) como el empoderamiento de las mujeres, el respeto a la diversidad sexual y el combate al racismo, se van a estrellar contra un duro muro de disonancia cognitiva cuando descubran que entre los indígenas hay más misoginia, homofobia y racismo que en el típico panista “blanquito” que tanto odian. ¿Y qué van a hacer entonces? Quizá recurran a las maromas que tienen que recurrir los SJWs cuando tienen que hablar sobre el Islam, redefiniendo las palabras y adoptando de lleno el relativismo moral. La educación, la democracia, la ciencia y la libertad no aplican para la gente prietita, al parecer. Supongo que pronto lo veremos.

La politóloga de Harvard Amy Wax cuenta una historia que llama “La parábola del peatón”. Imagine que un peatón camina por la calle, siguiendo las reglas a la perfección. Cruza por las esquinas solamente cuando el semáforo se lo indica, cede el paso cuando le toca, voltea hacia ambos lados, no tira basura, ayuda viejitas a cruzar y todo. Desafortunadamente, un tipo manejando distraído o hasta ebrio, se pasa un alto y atropella a este inocente peatón, que sobrevive pero queda con lesiones gravísimas. El conductor resulta ser rico, y podría compensar económicamente a la víctima sin problemas. Está arrepentido y dispuesto a reparar el daño en cuanto pueda y, para la fortuna de todos, los médicos dicen que el atropellado se recuperará, aunque con algunas cirugías y mucha, mucha rehabilitación.

Pero la rehabilitación la tiene que hacer, precisamente, el atropellado. Por más que pague el conductor irresponsable, por más que viva con la culpa de lo que le hizo al pobre peatón, y por más que se le condene a cárcel, multas o estigma social, es la víctima la que tiene que pasar por las cirugías y la terapia física. Todo el castigo del mundo será inútil si no cumple con sus sesiones de rehabilitación y, eventualmente, supera lo que le pasó.

La “justicia social”, entonces, parece que pretende reparar todos estos incidentes de atropellos castigando a todos los conductores, hayan cometido infracciones o no, y recompensando a todos los peatones, hayan sido atropellados o no, e independientemente de su buen estatus como conductores o peatones. No solo eso: pretende castigar a los descendientes de todos los conductores y recompensar a los descendientes de todos los peatones. Esto, a pesar de que nadie escoge a sus padres, y los conductores y peatones y conductores frecuentemente cambian de lugar. Pero la justicia social, pervirtiendo su mandato de ser ciega y pareja, arrasa por igual.

Si alguien cometió atropellos contra otro, adelante, digo yo: que se le sancione y que se repare en la medida posible el daño. Que se haga justicia. Pero buscar otras víctimas inocentes, pero que sean de otro color, sexualidad o clase económica, con tal de “emparejar” la situación es un grave error y un retroceso. Nadie escoge sus padres, ni el color de su piel, ni el país en el que nació, ni su sexualidad, ni los abusos que impartieron o recibieron sus ancestros. La solución es buscar que no haya más víctimas, punto. Cambiar unos victimarios por otros no ayuda en nada.

2019-11-12

Introducción a la Cosmología



Concediendo todo sobre la humildad intelectual que la ciencia le exige a quienes la practican, y tomando en serio la idea de que todo o mucho de lo que sabemos pudiera cambiar en el futuro, es sorprendente cuanto sabemos. Hasta nuestra incertibumbre la podemos cuantificar con múltiples decimales de precisión. Supongo que es algo necesario para el marketing de nuestros tiempos, pero me frustra que todo acerca del Cosmos y su estudio siempre se discuta ante todo como un misterio, siendo que ya sabemos tanto. Parafraseando a Einstein, el milagro es que no hay milagros. Casi todo cuadra y, donde no, tenemos una buena idea de lo que habría que hacer para que cuadre (que esto vaya a ser fácil es otra cosa).

Mapeo logarítmico del Universo, con el presente en el centro y el pasado hacia las orillas.

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La herramienta principal que se usa en la cosmología es la Relatividad General (RG), así que tendré que empezar por ahí. Las matemáticas necesarias para estudiarla como se debe sí son prohibitivas, pero algunos conceptos principales se pueden captar con algo de imaginación y analogía desde lo que podemos ver en el mundo cotidiano. Necesariamente tendré que cometer algunas imprecisiones que notarán los lectores que sí conozcan de la materia, pero es eso o decir nada.

Igual que en los problemas de física en la secundaria, en la RG se usan coordenadas que son útiles para calcular pero no tienen en sí un sentido físico. Si imagino ejes \(x-y-z\) a partir de donde estoy parado, éstos en general no van a coincidir con los de otra persona parada en otro lugar y con sus propios ejes. Mi "arriba" en México es algo así como "abajo y a la izquierda" para alguien en Australia. Mi "arriba" puede coincidir con alguien que está parado de frente a frente conmigo, pero mi "izquierda" es su "derecha". A fin de cuentas todas estas diferencias no son importantes a la hora de calcular los movimientos de bloques en planos inclinados, pelotas de beisbol, o la órbita de un planeta, porque todos entendemos que pudiéramos acomodar nuestros ejes de coordenadas con los de los demás girando y desplazándonos a su lugar (usando rotaciones y traslaciones, en lenguaje de físico), y la física es la misma en cualquier sistema de coordenadas.

El primer gran brinco conceptual que se hace en la RG es que el tiempo es tratado como otra dimensión de espacio. Para alinear mis coordenadas con las de alguien más, puedo hacer rotaciones y traslaciones de mi coordenada de tiempo también: lo que desde un punto en el Universo pudiera ser un movimiento en cierta distancia en \(x\) y  \(t\), desde otro pudiera ser visto como pasando por el doble de esa distancia en \(y\) y la mitad en \(t\). En otras palabras: la coordenada de tiempo, en RG, no tiene sentido físico por sí sola. Es solo otra coordenada más en una revoltura de cuatro dimensiones que llamamos espaciotiempo. Pero ojo: aunque las coordenadas no tengan sentido físico, el espaciotiempo que describen sí es un objeto físico real. Este punto será muy importante recordarlo más adelante.

Otro concepto que nos va a servir para empezar a hablar propiamente de cosmología es el uso que se hace en la RG de la curvatura. Todos podemos ver un objeto, una superfice o simplemente una línea, y apreciar si es curva o recta. Pero no es necesario ver ese objeto desde fuera: una persona pequeña viviendo sobre una superficie grande puede hacer experimentos en sus alrededores y determinar qué curvatura tiene su mundo (es por medidas así que sabemos desde hace miles de años que la tierra no es plana, por cierto). La manera más directa es dibujar triángulos grandes, con segmentos que sean lo más rectos posibles sin salirnos de la superficie. En un espacio plano (es decir, con curvatura cero), cuando terminemos y sumemos los ángulos interiores de nuestro triángulo el resultado debe ser 180°. Si nos da más, estamos en un espacio con curvatura positiva; menos, negativa.

De arriba hacia abajo: Curvatura positiva, negativa y nula. Más abajo se explica el significado de la letra Omega.

Entonces, la segunda gran idea a entender en RG es que la gravedad no es una fuerza: es curvatura. ¿Curvatura de qué? Curvatura del espaciotiempo: el objeto físico descrito por las coordenadas espaciales y temporales que mencionamos arriba. No es solamente que espacio y tiempo sean intercambiables: a diferencia de los ejes \(x-y-z\) que estamos acostumbrados a dibujar, los ejes de coordenadas en RG, incluyendo el de tiempo, además se pueden deformar. Lo que deforma al espaciotiempo es la presencia de materia o energía.

Va un ejemplo. En la física newtoniana, un objeto se mueve a velocidad constante hasta que una fuerza actúe sobre él. (Ojo que "velocidad constante" significa sin cambios en rapidez ni dirección—es igual de "constante" quedarse quieto que moverse en línea recta a paso fijo.) En su paso por el espacio, la Tierra se movería en línea recta, de no ser porque la gravedad del Sol la "jala" en su dirección, como si la tuviera agarrada de una cuerda, manteniéndola en órbita. Además, la Tierra también "jala" al Sol con la misma fuerza, aunque su efecto sobre el Sol sea minúsculo. En cambio, en RG, la Tierra sí está moviéndose a través del espacio en la línea más recta que puede a rapidez constante: pero el espacio mismo está torcido—por el Sol. Noten también que, si el Sol estuviera solo sin planetas, la deformación sobre el espacio a su alrededor sería la misma; para la gravedad newtoniana se necesitan dos objetos jalándose uno a otro, pero en RG un solo objeto puede deformar el espacio a su alrededor, esté quien esté.

La presencia de materia y energía deforma el espaciotiempo y esto es percibido como gravedad.
"La línea más recta posible" en un espacio curvo se llama una geodésica. Si han visto los mapas mundiales con rutas de vuelos entre continentes, esas rutas hacen geodésicas sobre la superficie de la Tierra. Técnicamente, las geodésicas son una distancia extrema entre puntos de una superficie, suponiendo que no te puedas salir de ella: el vuelo México-París se puede volar sobre la misma geodésica "en corto" a través del Atlántico, o también en la dirección contraria bajando hacia la Antártida, subiendo por China y bajando desde el Ártico: ambos sentidos están sobre el mismo círculo. En fin: en la RG, los objetos se mueven sobre geodésicas en el espaciotiempo a menos que una fuerza (electromagnetismo u otra cosa) actué sobre ellos. La gravedad es un efecto geométrico que resulta de torcer el espaciotiempo.
Geodésicas (líneas flechadas) sobre una esfera.
A la vez que la materia y energía deforman el espaciotiempo a su alrededor, se mueven por los caminos que éste les marca. Hay un mecanismo de feedback, por así llamarlo, entre el movimiento de la materia a través del espaciotiempo y la deformación del espaciotiempo por la materia (en física decimos que es una interacción no lineal ). Así como en física newtoniana usamos las leyes de Newton para calcular el movimiento de los objetos sujetos a fuerzas, en RG se usan las ecuaciones de campo de Einstein. En vez de tener fuerzas de un lado y aceleraciones de otro, tenemos geometría de un lado y densidad de de materia y energía del otro: \[R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}Rg_{\mu\nu} = 8\pi G T_{\mu\nu}.\] Para estudiar RG como se debe se necesita geometría diferencial, que pueden entender como una generalización del cálculo vectorial a espacios de cualquier dimensión y curvatura.

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Ahora sí: la cosmología moderna parte de algunas observaciones empíricas por el lado de la astrofísica, junto con algunas suposiciones teóricas que se usan para poder aplicar RG a la explicación de esas observaciones. Algunas de esas observaciones eran esperadas y otras fueron completamente sorpresivas.

Primero, desde los años 20s se encontró que había objetos masivos más allá de nuestra propia galaxia y que, en general, se estaban alejando de nosotros. Con telescopios de mayor resolución se confirmó que, además de ser galaxias enteras alejándose, las que estaban más lejos se alejaban más rápido. Usando el brillo de estrellas pulsantes conocidas como Cefeidas variables, uno puede ubicarlas en las galaxias lejanas y comparar su ritmo de pulsación con el que deberían tener si estuvieran quietas respecto a nosotros, deduciendo así distancia y velocidad. También puede hacerse esto con otras llamadas candelas estándar, que son objetos astronómicos cuyas propiedades intrínsecas como su luminosidad se conocen bien y se pueden comparar con lo que se observa en el cielo. Es el mismo caso que si uno sabe que un foco a lo lejos es de 100 Watts, por la intensidad de la luz que llega se puede deducir la distancia y la velocidad que tiene.

En una supernova de tipo Ia, una estrella enana blanca, extremadamente densa y con un campo gravitacional fuertísimo, poco a poco acumula material de otra estrella cercana. Cuando la enana blanca alcanza el punto conocido como límite de Chandrasekhar, acumula suficiente materia para colapsar, volar sus capas exteriores en una grandísima explosión, y finalmente desaparecer formando un agujero negro. A finales de los 90s se usaron las supernovas de este tipo como candelas estándar para determinar no solamente que el universo se estaba expandiendo, sino que lo hacía cada vez más rápido.  Esto fue contrario a lo que se esperaba desde que se observó el fenómeno a principios de siglo y por mucho tiempo los investigadores pensaron que habían cometido un error en sus mediciones o cálculos. Para entender lo sorprendente que es esto, imagina que lanzas una pelota de beisbol hacia arriba y, en vez de regresar, ¡se va al infinito cada vez más rápido!

Otra observación importante, que sí había sido anticipada, es la de la radiación cósmica de fondo. Esta es una radiación extremadamente uniforme que viene hacia nosotros de todas direcciones y está hecha de los primeros fotones (las unidades de luz más pequeñas posibles) que pudieron viajar libremente por el Universo. Se percibe como una temperatura de 2.7 K (unos -270 °C).

Radiación Cósmica de Fondo: Los puntos azules están 1 parte en 10,000 más fríos que los rojos.
Finalmente, la última observación importante que vale mencionar es que parece haber, tanto en galaxias como en cúmulos y supercúmulos de galaxias, muchísima más materia que la que se puede ver. Para que las galaxias giren tan rápido como lo hacen sin deshacerse, y para que los cúmulos de galaxias distorsionen el espacio a su alrededor tanto como lo hacen, debe haber mucha más materia que la que podemos detectar con telescopios.

El anillo deforme que se ve alrededor de las galaxias en el centro de la imagen es resultado de que éstas forman un lente gravitacional. El anillo es materia que está detras de las galaxias, mucho más lejos, y podemos verla porque las galaxias hacen un efecto de lente.
Todas estas observaciones son el punto de partida para lo que se conoce como el modelo cosmológico \(\Lambda\)CDM ("Lambda-CDM"), que es básicamente el consenso al que han llegado los cosmólogos modernos y que se encuentra todavía en proceso de completar.

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Como habrán imaginado, el punto inicial del modelo \(\Lambda\)CDM es el Big Bang. Sin embargo, hay que aclarar que, aunque la evidencia de arriba y mucha más que omití por cuestión de tiempo apunta abrumadoramente a que este evento definitivamente sucedió, la cuestión de si fue el principio absoluto no está decidida todavía. Por ahora, usando RG y algunas extensiones teóricas razonables, podemos llegar a unas billonésimas de segundo después del tiempo \(t = 0\) sin mayor problema. Los problemas comienzan cuando uno recuerda que la RG es una teoría clásica, es decir, no toma en cuenta los efectos cuánticos que deberían ser relevantes a energías grandísimas o, lo que es equivalente, distancias pequeñísimas.

Si tomamos la RG tal como está y no agregamos ninguna consideración cuántica, el Big Bang es una singularidad : un punto en el que la teoría está simplemente mal definida. Esta singularidad es inevitable en un Universo modelado clásicamente solamente con RG y marca un punto en el que nos topamos con pared y no podemos seguir. Casi ningún cosmólogo profesional cree que este sea el fin de la historia, sino que hay que lograr una teoría de gravitación cuántica que junte RG con mecánica cuántica o, mejor dicho, con la Teoría Cuántica de Campos. Está planeado abordar ese tema aquí en AutóMata (de eso se trató mi doctorado), pero hacerlo ahora sí nos desviaría mucho.


Afortunadamente, hay mucho material por discutir si cubrimos la historia del Universo de unas billonésimas de segundo después del inicio hasta ahora. Para empezar, uno puede rebobinar la película del Universo y deducir que, si las galaxias están alejándose unas de otras, en el pasado debieron estar más cerca y, más hacia el pasado, toda su materia estaba concentrada toda en un solo lugar infinitesimal. Pero aquí hay una trampa sutil en la que casi siempre caen los inexpertos: no había un "espacio vacío" que fue llenado por las galaxias. Es el espacio mismo el que se expande y, en ese sentido, el Unvierso siempre ha sido infinito. No había nada afuera, porque es un sinsentido estar "afuera" del espacio. Una cosa es moverse a través del espacio y otra es que el espacio se mueva. Esto sí va a ser difícil de explicar, pero va un intento:

Imagine la superficie de una esfera que se pueda expandir, digamos algo como un globo. Cualquier trayectoria que pueda dibujar con un plumón sobre el globo puede seguir para siempre, dando vueltas, aunque se cruce con los trazos que ya había dibujado. No hay una "frontera" donde deba toparse el plumón y terminar de rayar. Esta propiedad no cambia por más que se infla o desinfla el globo, suponiendo que su plumón puede ser tan fino como quiera y tiene tinta infinita. Ahora es donde va a fallar la analogía y no hay de otra mas que aprender geometría diferencial: lo que hace la superficie del globo lo puede hacer un volumen de cuatro dimensiones, sin que tenga interior o exterior como el globo. Lo siento. A veces esto se explica como chispas de chocolate incrustadas dentro de un pan que se infla cuando se cocina, pero eso tiene sus propios problemas, porque es un pan infinito de espaciotiempo.

Por eso en RG no se habla propiamente del "tamaño" del Universo en sus etapas tempranas, porque en cierto sentido el "tamaño" siempre es infinito. Más bien, hablamos de un factor de escala, que nos dice el tamaño relativo de una rebanada de universo comparada con otra rebanada anterior o posterior. La inflación cósmica propone un mecanismo mediante el cual el espacio se expandió exponencialmente en un inicio: su factor de escala crece por 1026 en trillonésimas de segundo. La inflación cósmica no es completamente aceptada por todos los cosmólogos, pero sí por una mayoría. Algunos detalles contenciosos los mencionaremos más abajo.

Lo que no hemos mencionado hasta ahora es qué significan las letras \(\Lambda\) y CDM, así que voy a pasar a eso. Lo menos difícil es CDM, que son las siglas para Cold Dark Matter, o Materia Oscura Fría. Se sabe poco de lo que es, aparte de que tiene un efecto gravitacional considerable en nuestro Universo: galaxias, cúmulos de galaxias y la estructura a gran escala del Cosmos dependen de que esté ahí. Por lo pronto, parece ser una especie de nueva partícula fundamental, no descrita por el Modelo Estándar de partículas, y tiene la propiedad curiosa de que no interactúa con el electromagnetismo: solo es detectable indirectamente por sus efectos gravitacionales. El nombre no es el más apropiado, ya que más bien es materia transparente y no oscura.


La materia oscura es indispensable para mantener unidas a las galaxias y dar forma a la estructura a gran escala del Universo, que parece una especie de telaraña hecha de galaxias. Sus efectos también se observan en la radiación cósmica de fondo.

Pasando a \(\Lambda\): en RG se usa la técnica de modelar la materia, sea una estrella o billones de galaxias, como un fluido. Desde la escala cósmica, podemos aproximar la distribución de materia en el Universo como si fuera la de partículas de un gas en una habitación. Entonces, tenemos fluidos de materia y radiación que se van moviendo dentro del Universo, arrastrados por el espaciotiempo en expansión. ¿Y cómo modelamos el espaciotiempo en expansión? ¡Pues como un fluido en expansión! También en RG, tenemos precisamente una ecuación para el modelado de fluidos: \[T_{\mu\nu} = (\rho + p) U_{\mu} U_{\nu} + p g_{\mu\nu},\] que relaciona la distribución de materia y energía \(T_{\mu\nu}\) con la densidad \(\rho\) y presión \(p\) del gas en cuestión. Si agregamos a esto la condición de que la energía de ese "gas" de espaciotiempo vacío no dependa de dónde esté ni cómo esté moviéndose, \(T_{\mu\nu} = -\rho \eta_{\mu\nu}\) (algo conocido como invarianza de Lorentz), obtenemos el curioso efecto de que el espaciotiempo vacío tiene presión de signo contrario a su densidad y, como la densidad siempre es positiva, tiene presión negativa: \( p = -\rho \) ¿Y qué significa esto? ¡Pues que el espacio vacío se expande!

Separando la presencia de materia y la de espaciotiempo en las ecuaciones de campo de Einstein, la energía del espacio vacío aparece como un término extra, que es la famosa \(\Lambda\)  correspondiente a la constante cosmológica: \[R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}Rg_{\mu\nu} +\Lambda g_{\mu\nu} = 8\pi G T_{\mu\nu},\] una especie de "antigravedad" que en vez de juntar, separa. Así, hemos cubierto las letras del modelo \(\Lambda\)CDM.

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El escenario entonces es el siguiente: a partir del Big Bang, hace unos 14 mil millones de años, el espacio se ha estado expandiendo. Al principio, la materia y la radiación dominaron y mantuvieron la expansión relativamente lenta pero, a medida que se fueron diluyendo, la expansión del espacio vacío les empezó a ganar y el ritmo aumentó. Unos 380 mil años después del principio la materia estaba suficientemente diluida para permitir que la luz pudiera viajar, y esa luz hoy la vemos como radiación cósmica de fondo.

Durante millones de años, conocidos como la etapa oscura, hubo materia pero todavía no en forma de estrellas y galaxias. A medida que la materia se juntó por gravedad surgieron las primeras estrellas, unos 400 millones de años después del principio. Desde entonces, las estrellas han estado formando elementos pesados y reciclando material, aunque cada vez más queda atrapado, poco a poco, en agujeros negros. Contando toda la materia como su equivalente en energía, actualmente el Universo está compuesto por un 70% de energía oscura (la del espacio vacío), un 25% de materia oscura (esa que es más bien transparente) y menos del 5% de materia bariónica, es decir, la que está hecha de las partículas "normales" como átomos y sus componentes.

La cantidad total de materia en el Universo, incluyendo materia y energía oscura, será la que determine qué pasará a partir de aquí. Más específicamente, lo que importa es la densidad de materia, usualmente indicada por la letra griega \(\Omega\) (Omega). Cuando la densidad es menor que 1, nos encontramos en un Universo con curvatura negativa (o abierto); \(\Omega\) mayor que 1 indica un Universo con curvatura positiva (o cerrado); \(\Omega\) exactamente igual a 1 indica un Universo plano.

Hasta ahora, los mejores datos empíricos (midiendo triángulos cósmicos y analizando la radiación cósmica de fondo) apuntan a que la combinación de materia "común", materia oscura y energía oscura resultan en un valor de \(\Omega\) de prácticamente 1, hasta unos cuatro o cinco decimales. Parece ser que la atracción gravitacional debida a la materia es exactamente compensada por la expansión del espacio vacío. En términos prácticos, esto se traduce a un Unvierso plano que se expande para siempre.

Desde un punto de vista un tanto más filosófico, resulta interesante que nos encontremos justo en el punto en el que podemos apreciar nuestra situación. No tenemos la seguridad de que el Universo sea plano porque no había de otra, o porque justo ahorita que lo observamos es así, pero no siempre lo fue y quizá en un futuro no lo será. De cualquier modo, a medida que el Universo se expanda más y más, los objetos más lejanos dejarán de ser visibles y no quedará rastro de ellos. Esto es porque, aunque uno no puede viajar a través del espacio más rápido que la luz, el espacio sí puede expanderse suficientemente rápido para que ni siquiera la luz alcance a atravesarlo en un tiempo finito.


Sí existen algunos modelos de Universos cíclicos, en los que algún mecanismo aún desconocido pudiera hacer que la expansión disminuyera y se revirtiera, haciendo que el Universo "colapse" y luego "rebote" en un Big Bang nuevo. Entre cosmólogos profesionales no son muy populares estos modelos, pero no están del todo descartados tampoco. Otros modelos no son exactamente cíclicos, sino simétricos, en el sentido de que el Big Bang fue un evento único pero quizá con distintas direcciones:
Habíamos mencionado también al proceso de inflación cósmica. Éste también tiene sus propios problemas, como que parece un tanto ad hoc, y sus versiones más robustas que encajan bien con los datos también requieren que la inflación sea constante o, más bien, eterna. Dependiendo de cómo se interprete esto, una implicación puede ser que haya múltiples Universos, quizá con condiciones distintas, incluyendo física distinta, pero en principio imposibles de explorar. Esto ha propiciado un debate entre quienes abogan por seguir la teoría lleve hasta donde lleve, y quienes la acusan de bordar en la pseudociencia.

Por lo pronto, el escenario más probable a futuro es que nuestro Universo se expanda cada vez más, que las estrellas agoten su combustible y que más materia caiga en agujeros negros. En unos 1060 años estaremos en un mundo oscuro, donde los únicos habitantes serán agujeros negros lentamente evaporándose. Incluso esos objetos desaparecerán en unos 10100 años, dejando un vacío frío y oscuro con algunos fotones de bajísima energía, dispersos, para siempre. A este escenario se le conoce como la muerte térmica o entrópica del Universo.

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De aquí en adelante la cosmología tiene varios problemas en su agenda. Primero, establecer o descartar a la inflación cósmica como una teoría válida; después, incorporar, cuando se tenga, una teoría cuántica de la gravitación para poder tener certeza sobre los primerísimos momentos del Universo. Por el lado empírico, hay que recabar y analizar los datos que recolectarán los nuevos telescopios espaciales y terrestres para poder afinar aún más lo que sabemos y poder descartar algunos modelos. Cualquiera de estas tareas representa empleo de tiempo completo para físicos e ingenieros por varias décadas más.