Principales puntos de pensamiento del autor en "El futuro del universo"

Este discurso, desde las predicciones de los antiguos magos hasta las profecías religiosas modernas, pasando por la discusión sobre el futuro del universo, analiza principalmente los dos destinos del futuro del universo: uno es continuar expandiéndose, y el otro es encogerse o incluso encogerse en un punto. La expansión o contracción depende de la densidad promedio del universo. Utilizar teorías astrofísicas para hacer diagnósticos científicos sobre el futuro del universo es la diferencia entre científicos y magos.

El tema de esta charla es el futuro del universo, o mejor dicho, cómo creen los científicos que será el futuro. Por supuesto, predecir el futuro es muy difícil. Una vez tuve la idea de escribir un libro llamado "El mañana de ayer: una historia del futuro". Esta será una historia de predicciones sobre el futuro, casi todas equivocadas. Pero a pesar de estos fracasos, los científicos todavía creen que pueden predecir el futuro.

En tiempos muy antiguos, era deber del vidente o brujo predecir el futuro. Suelen ser mujeres que han sido hipnotizadas por los humos o gases venenosos que se escapan de las grietas del volcán. Los sacerdotes que los rodeaban traducían sus hechizos. El verdadero truco es la interpretación. El famoso hechicero Drophi de la antigua Grecia era conocido por su ambigüedad. Cuando estos espartanos preguntaron qué pasaría si los persas atacaran Grecia, el mago respondió: O Esparta sería destruida o su rey sería asesinado. Creo que estos sacerdotes pensaron que si nada de esto terminaba sucediendo, Esparta estaría tan agradecida a Apolo que ignoraron el hecho de que sus hechiceros hicieron una predicción equivocada. De hecho, el rey murió en una operación para salvar a Esparta y finalmente derrotó a los persas defendiendo el paso de Tedipila.

En otra ocasión, Dick Rossius, rey de Lidia, el hombre más rico del mundo, preguntó una vez qué pasaría si invadiera Persia. La respuesta es: un gran reino colapsará. Crosio pensó que esto se refería al Imperio Persa, pero no sabía que era su propio reino el que estaba a punto de caer, y su destino era ser quemado vivo en una pira.

Los profetas apocalípticos modernos evitan fijar una fecha para el fin del mundo para evitar la vergüenza. Estas fechas provocaron que la bolsa se desplomara. Aunque me confunde, ¿por qué la gente estaría dispuesta a intercambiar acciones por dinero en el fin del mundo, asumiendo que no puedes llevarte nada contigo en el fin del mundo?

Hasta el momento, todas las fechas marcadas para el fin del mundo han pasado sin dejar rastro. Pero estos profetas a menudo ponen excusas por sus aparentes fracasos. Por ejemplo, William Miller, el fundador del Retorno del Séptimo Día, predijo que la Segunda Venida de Jesús ocurriría entre el 21 de marzo de 1843 y el 21 de marzo de 1844. Como esto no sucedió, la fecha fue revisada al 22 de octubre de 1844. Cuando pasó esta fecha y no pasó nada, se propuso una nueva explicación. Se dice que 1844 es el inicio del segundo regreso, pero primero hay que contar los nombres de las personas rescatadas. Sólo cuando se cuente la lista el Día del Juicio recaerá sobre aquellos que no están en la lista. Por suerte, contar nombres parece llevar mucho tiempo.

Por supuesto, las predicciones científicas no son necesariamente más confiables que las de los magos o profetas. Sólo hay que tener en cuenta la previsión meteorológica. Pero hay situaciones en las que creemos que podemos hacer predicciones fiables. El futuro del universo a escalas muy grandes es un ejemplo.

Durante los últimos 300 años, hemos descubierto las leyes científicas que gobiernan los objetos en todas las condiciones normales. Todavía no conocemos las leyes exactas que gobiernan los objetos en condiciones extremas. Esas leyes son importantes para comprender cómo comenzó el universo, pero no afectarán su evolución futura a menos que el universo colapse en un estado de alta densidad. El hecho de que tuviéramos que gastar tanto dinero para construir un acelerador de partículas gigante para probar estas leyes de alta energía muestra el poco impacto que tienen en el universo actual.

Incluso si conociéramos las leyes del universo, todavía no podríamos usarlas para predecir el futuro lejano. Esto se debe a que las soluciones de ecuaciones físicas exhiben una propiedad llamada caos. Esto muestra que las ecuaciones pueden ser inestables: si el sistema cambia muy ligeramente en un momento dado, el comportamiento del sistema en el futuro pronto será completamente diferente. Por ejemplo, si cambia ligeramente la forma en que hace girar la ruleta, cambiará los números, que en realidad no se pueden predecir; de lo contrario, los físicos harían mucho dinero en el casino.

En sistemas inestables o caóticos, generalmente hay una escala de tiempo dentro de la cual los pequeños cambios en el estado inicial se duplican. En el caso de la atmósfera terrestre, esta escala de tiempo es de unos cinco días, que es aproximadamente el tiempo que tarda el aire en orbitar la Tierra una vez. Se pueden hacer pronósticos meteorológicos razonablemente precisos en cinco días, pero hacer pronósticos meteorológicos a más largo plazo requiere tanto una comprensión precisa de las condiciones atmosféricas actuales como cálculos insuperablemente complejos. Más allá de los promedios trimestrales, no podemos hacer pronósticos meteorológicos específicos dentro de seis meses.

También conocemos las leyes básicas que rigen la química y la biología, por lo que, en principio, deberíamos ser capaces de determinar cómo funciona el cerebro. Pero es casi seguro que las ecuaciones que gobiernan el cerebro se comportan de manera caótica, con cambios muy pequeños en el estado inicial que conducen a resultados muy diferentes. De este modo, aunque conocemos las ecuaciones que rigen el comportamiento humano, no podemos predecirlas en la práctica. La ciencia no puede predecir el futuro de la sociedad humana, ni siquiera si tendrá futuro. El peligro es que nuestra capacidad para dañar o destruir el medio ambiente crezca mucho más rápido que la sabiduría para utilizarlo.

Al resto del universo no le importa nada de lo que sucede en la Tierra. Parece que el movimiento de los planetas alrededor del Sol eventualmente se volverá caótico, a pesar de sus largos plazos. Esto muestra que a medida que pasa el tiempo, el error de cualquier predicción será cada vez mayor. Después de un tiempo, resulta imposible predecir los detalles del movimiento. Podemos estar bastante seguros de que la Tierra no chocará con Venus durante mucho tiempo. Sin embargo, no estamos seguros de si pequeñas perturbaciones en órbita se habrían acumulado durante mil millones de años y habrían causado esta colisión. El movimiento del Sol y otras estrellas alrededor de la Vía Láctea, y de la Vía Láctea alrededor de su cúmulo de galaxias, también es caótico. Observamos que otras galaxias se van alejando de nosotros, cuanto más se alejan de nosotros, más rápido se alejan. Esto significa que el universo que nos rodea se está expandiendo: la distancia entre las diferentes galaxias aumenta con el tiempo.

El fondo de radiación de microondas que observamos desde el espacio exterior proporciona evidencia de que esta expansión es suave, no caótica. Puede observar esta radiación sintonizando su televisor en un canal vacío. Una pequeña cantidad de las manchas que ves en la pantalla son causadas por microondas provenientes de fuera del sistema solar. Este es el mismo tipo de radiación que emiten los hornos microondas, pero mucho más débil. Solo puede calentar alimentos a una temperatura absoluta de 2,7 grados, por lo que no puede usarse para calentar pizza para llevar. Se cree que esta radiación es un remanente del universo caliente temprano. Pero lo más impresionante es que la cantidad de radiación es aproximadamente la misma en cualquier dirección. El satélite Cosmic Background Explorer ha medido esta radiación con mucha precisión. Los mapas del cielo basados ​​en estas observaciones pueden mostrar diferentes temperaturas radiantes. Estas temperaturas son diferentes en diferentes direcciones, pero la diferencia es muy pequeña, sólo una parte entre cien mil. Debido a que el universo no es completamente liso y existen irregularidades locales como estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, las microondas en diferentes direcciones deben ser algo diferentes. Pero para igualar la aleatoriedad local que observamos, los cambios en el fondo de microondas no pueden ser menores. El fondo de microondas puede ser igual a 65438+99999 en todas las direcciones.

En la antigüedad, la gente creía que la tierra era el centro del universo. El hecho de que el fondo sea el mismo en todas las direcciones no les sorprende. Sin embargo, desde la época de Copérnico, nos hemos visto reducidos a un planeta que gira alrededor de una estrella muy ordinaria, que a su vez gira alrededor de una galaxia típica entre los 100 mil millones que podemos ver. Ahora somos demasiado humildes para reclamar un lugar especial en el universo. Así que debemos suponer que el fondo es el mismo en cualquier dirección alrededor de cualquier otra galaxia. Esto sólo es posible si la densidad promedio y la tasa de expansión del universo son las mismas en todas partes. Cualquier cambio en la densidad promedio o en la tasa de expansión en un área grande hará que el fondo de microondas sea diferente en diferentes direcciones. Esto muestra que el comportamiento del universo es simple y no caótico a escalas muy grandes. Entonces podemos predecir el futuro lejano del universo.

Debido a que la expansión del universo es tan uniforme, se puede describir con un solo número, que es la distancia entre dos galaxias. Ahora esta distancia está aumentando, pero se espera que la atracción gravitacional entre diferentes galaxias reduzca esta tasa de expansión. Si la densidad del universo es mayor que un cierto valor crítico, la gravedad eventualmente dejará de expandirse, lo que hará que el universo comience a contraerse nuevamente. El universo colapsará en un Big Crunch, muy parecido al Big Bang con el que comenzó. El Big Crunch es algo llamado singularidad, un estado de densidad infinita donde las leyes de la física fallan. Esto demuestra que incluso si algo sucede después de la gran contracción, su destino es impredecible. Pero si no existe una conexión causal entre los acontecimientos, no hay forma razonable de decir que un acontecimiento siguió al otro. Quizás se podría decir que nuestro universo terminó en un Big Crunch y que todo lo que sucedió "después" fue parte de otro universo separado. Un poco como la reencarnación. Si alguien afirma que un bebé recién nacido equivale a una persona fallecida, ¿qué sentido tiene esta afirmación si el bebé no hereda características ni recuerdos de su vida anterior? Se podría decir que era un individuo completamente diferente.

Si la densidad del universo es menor que el valor crítico. En lugar de colapsar, seguirá expandiéndose para siempre. Su densidad se vuelve tan baja después de un tiempo que la gravedad no tiene ningún efecto significativo para frenar la expansión. Las galaxias seguirán alejándose unas de otras a velocidad constante.

De este modo, la pregunta clave para el futuro del universo es: ¿Cuál es la densidad media? Si es menor que el valor crítico, el universo se expandirá para siempre. Pero si es mayor que el valor crítico, el universo colapsará y el tiempo mismo terminará en el Big Crunch. Sin embargo, tengo una ventaja sobre otros agoreros. Incluso si el universo está a punto de colapsar, puedo predecir con confianza que no dejará de expandirse hasta dentro de al menos 10 mil millones de años. Nunca pensé que me quedaría en el mundo en el que estaba en ese momento y se demostró que estaba equivocado.

Podemos estimar la densidad media del universo a partir de observaciones. Si contamos las estrellas visibles y sumamos sus masas, obtenemos aproximadamente menos del 1% del valor crítico. Incluso si sumamos la masa de las nubes de gas observadas en el universo, el total solo suma el 1% del valor crítico. Sin embargo, sabemos que el universo también debería contener la llamada materia oscura, que es algo que no podemos observar directamente. Una evidencia de la materia oscura proviene de las galaxias espirales. Hay estrellas gigantes en forma de torta y polímeros gaseosos. Los observamos girando alrededor del centro. Pero si contuvieran sólo las estrellas y el gas que observamos, la velocidad de giro sería lo suficientemente alta como para desecharlos. Debe haber alguna forma invisible de materia cuya gravedad sea lo suficientemente fuerte como para atrapar estas galaxias en rotación.

Otra evidencia de la materia oscura proviene de los cúmulos de galaxias. Observamos que las galaxias están distribuidas de manera desigual en todo el espacio y se agrupan, desde unas pocas galaxias hasta cientos de galaxias. Se supone que estas galaxias se atraen entre sí para formar estos cúmulos de galaxias. Sin embargo, podemos medir las velocidades de las galaxias individuales en estos cúmulos. Descubrimos que viajaba tan rápido que sin la gravedad que los uniera, estos cúmulos de galaxias se dispersarían. La masa requerida es mucho mayor que la masa total de todas las galaxias. En este caso esto se estima, es decir, creemos que la galaxia ya tiene la masa que necesita para mantenerse unida mientras gira. Por lo tanto, debe haber materia oscura adicional más allá de las galaxias que observamos en el cúmulo.

Se pueden hacer estimaciones bastante fiables de la cantidad de materia oscura en aquellas galaxias y cúmulos de galaxias de los que tenemos pruebas definitivas. Pero esta estimación sólo alcanza aproximadamente el 10% de la masa crítica que provocaría que el universo volviera a colapsar. Por tanto, si nos basamos únicamente en la evidencia observacional, podemos predecir que el universo seguirá expandiéndose indefinidamente. Dentro de unos 5 mil millones de años, el sol se quedará sin combustible nuclear. Se expandirá hasta convertirse en la llamada gigante roja hasta envolver la Tierra y otros planetas más cercanos. Con el tiempo se estabilizará y se convertirá en una enana blanca de sólo unos pocos miles de kilómetros de diámetro. Estoy prediciendo el fin del mundo, pero aún no ha llegado. El pronóstico no deprimió demasiado el mercado de valores. Quedan una o dos preguntas más apremiantes por delante. En cualquier caso, suponiendo que no nos destruyamos en el momento en que explota el sol, ya deberíamos tener la tecnología para los viajes interestelares.

Unos 10 mil millones de años después, la mayoría de las estrellas del universo se han quedado sin combustible. Las estrellas con una masa alrededor del Sol se convierten en enanas blancas o estrellas de neutrones, que son más pequeñas y densas que las enanas blancas. Las estrellas más masivas se convierten en agujeros negros. Los agujeros negros son más pequeños y tienen campos gravitacionales tan fuertes que la luz no puede escapar. Sin embargo, estos restos siguen orbitando el centro de la Vía Láctea cada 100 millones de años. Las colisiones con estos restos provocarán que algunos sean expulsados ​​de la galaxia. El resto se estabilizará gradualmente en órbitas más cercanas cerca del centro y eventualmente se reunirá para formar un agujero negro gigante en el centro de la galaxia. Cualquiera que sea la materia oscura que haya en una galaxia o en un cúmulo de galaxias, se puede esperar que también caiga en estos agujeros negros tan masivos.

Así, se puede suponer que la mayoría de los objetos de una galaxia o cúmulo de galaxias acaban dentro de un agujero negro. Sin embargo, hace unos años descubrí que los agujeros negros no son tan negros como parecen. Según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, una partícula no puede tener una posición y una velocidad bien definidas al mismo tiempo. Cuanto más precisamente se define la posición de una partícula, con menos precisión se define su velocidad, y viceversa. Si hay una partícula en un agujero negro, su posición en el agujero negro está bien definida, lo que significa que su velocidad no se puede definir con precisión. Por lo tanto, la partícula podría viajar más rápido que la velocidad de la luz, lo que haría que escapara del agujero negro. Las partículas y la radiación se escapan de un agujero negro sólo con cierta lentitud. Los enormes agujeros negros en los centros de las galaxias pueden tener millones de kilómetros de diámetro. De esta forma, existe una gran incertidumbre sobre la posición de las partículas en él. Entonces, la incertidumbre en la velocidad de las partículas es muy pequeña, lo que significa que una partícula tarda mucho tiempo en escapar del agujero negro. Pero al final escapará. El agujero negro gigante en el centro de la galaxia puede tardar 1090 años en evaporarse por completo, lo que equivale a un "1" seguido de 90 ceros. Esto es mucho más largo que la edad actual del universo. Es el año 1010, que significa "1" seguido de 10 ceros. Si el universo se expandiera para siempre, todavía habría mucho tiempo para que los agujeros negros se evaporaran.

El futuro de un universo en expansión es bastante aburrido. Pero no es del todo seguro que el universo se expandirá para siempre. Sólo tenemos evidencia sólida de una décima parte de la densidad necesaria para que el universo colapse. Sin embargo, puede haber otros tipos de materia oscura que no hemos detectado y que llevarían la densidad promedio del universo a un valor crítico o más allá. Esta materia oscura adicional debe estar ubicada fuera de la galaxia o del cúmulo de galaxias. De lo contrario, deberíamos ser conscientes de sus efectos sobre la rotación de las galaxias o el movimiento de las galaxias en cúmulos de galaxias.

¿Por qué crees que podría haber suficiente materia oscura para que el universo eventualmente colapse? ¿Por qué no podemos confiar en que tenemos pruebas sólidas? La razón es que incluso el universo tiene ahora sólo una décima parte de su densidad crítica. Se requiere mucho cuidado al seleccionar la densidad inicial y la tasa de expansión. Si la densidad del universo hubiera aumentado en un billón un segundo después del Big Bang, se habría colapsado diez años después. Por otro lado, si la densidad del universo hubiera disminuido en la misma cantidad en ese momento, el universo se habría quedado esencialmente vacío en unos diez años.

¿Por qué se eligió con tanto cuidado la densidad inicial del universo? Quizás haya alguna razón por la que el universo deba tener una densidad crítica. Parece haber dos explicaciones posibles. Uno es el llamado principio antrópico, que puede reformularse de la siguiente manera: el universo es como es porque de otro modo no estaríamos aquí para observarlo. La idea es que podría haber muchos universos diferentes con diferentes densidades. Sólo aquellos materiales que están muy cerca de la densidad crítica pueden sobrevivir el tiempo suficiente y contener suficiente materia para formar estrellas y planetas. Sólo en esos universos los seres inteligentes podrían plantearse la pregunta: ¿Por qué la densidad está tan cerca de la densidad crítica? Si esta es la explicación de la densidad actual del universo, no hay razón para creer que el universo contenga más materia de la que detectamos. Una décima parte de la densidad crítica es suficiente para formar galaxias y estrellas.

Sin embargo, a muchas personas no les gusta el principio antrópico porque parece demasiado dependiente de nuestra propia existencia. Por lo tanto, algunos buscan otra posible explicación de por qué la densidad debería estar tan cerca del valor crítico. Esta exploración condujo a la teoría de la inflación del universo primitivo.

La idea es que el universo ha duplicado su tamaño, del mismo modo que los precios se duplican cada pocos meses en los países que sufren una inflación extrema. Pero la explosión del universo fue mucho más rápida y extrema: una pequeña explosión de al menos 100 mil millones de veces acercaría tanto al universo a la densidad crítica exacta que todavía estaría muy cerca de la densidad crítica. Por tanto, si la teoría de la inflación es correcta, el universo debería contener suficiente materia oscura para llevar la densidad a un valor crítico. Esto significa que el universo podría eventualmente colapsar, pero no mucho más que los quince mil millones de años que lleva expandiéndose hasta ahora.

En resumen, los científicos creen que el universo se rige por leyes bien definidas que en principio permiten a las personas predecir el futuro. Pero el movimiento que da la ley suele ser caótico. Esto significa que pequeños cambios en el estado inicial pueden conducir a rápidos aumentos en el comportamiento posterior. De esta manera, las personas a menudo sólo pueden hacer predicciones precisas para un período de tiempo relativamente corto en el futuro. Sin embargo, el comportamiento a gran escala del universo parece ser más simple que caótico. Por lo tanto, se puede predecir si el universo se expandirá para siempre o si eventualmente colapsará. Esto depende de la densidad existente del universo. De hecho, la densidad de corriente parece estar muy cerca de la densidad crítica que distingue el colapso de la expansión infinita. Si la teoría de la inflación es correcta, el universo está literalmente al filo de la navaja. Así que heredé la buena tradición de esos magos o profetas, y las dos partes hicieron una apuesta para mostrar su certeza.