Respuestas (LXXXII): ¿Qué tienen de especial los condensados de Bose-Einstein?

Igual que otros muchos lectores antes que él, Álex Molero me ha mandado un correo electrónico a jordipereyra@cienciadesofa.com pidiéndome que escriba un artículo sobre un estado de la materia que seguramente os suene de algo, aunque tenga un nombre un tanto extraño: el condensado de Bose-Einstein.

¡Vaya si me suena! De hecho, me empezaré a preocupar el día que salga a la calle y nadie me pare para hablarme de los condensados de Bose-Einstein.

Vale, vale. Captado, voz cursiva. Empecemos poniendo algo de contexto sobre eso de los estados de la materia.

Como comenté en esta otra entrada en la que explicaba por qué los charcos se secan aunque el agua no hierva, las partículas que componen todas las cosas que nos rodean están en constante movimiento. Es más, lo que nuestros cuerpos interpretan como temperatura no es más que la velocidad con la que se mueven las moléculas: un objeto nos parecerá caliente al tacto si sus moléculas se mueven deprisa y frío si se mueven más despacio, como podéis ver en el siguiente vídeo.

Las partículas de la caja izquierda (más lentas) están más frías que las de la derecha (más rápidas).

Respuestas (LXXXI): ¿Cómo influye la gravedad en la altura de las montañas?

Un lector llamado JoséF Antonio Esteve estaba mirando fotos de una luna de Saturno llamada Jápeto cuando se enteró de que existen picos de hasta 20 kilómetros de altura a lo largo de la cordillera montañosa que rodea el ecuador de este satélite.

Jápeto con su cordillera. (Fuente)

Hay varias hipótesis sobre el origen de esta cordillera, como por ejemplo que es material que se amontonó sobre la superficie del satélite mientras pasaba a través de los finos anillos de Saturno o que es un bulto producido por la rápida rotación del objeto durante su formación. Y luego están las páginas de conspiraciones, que os dirán que los satélites están huecos por dentro y que los extraterrestres que construyeron a Jápeto se dejaron la marca de la soldadura al ensamblar sus dos mitades.

Pero a José Antonio no le importa nada de eso: como buen snowboarder que es, él está interesado en la posibilidad de bajar por las laderas de una montaña nevada de 20 kilómetros de altura. Sin embargo, antes de llamar a la NASA para intentar convencer a la agencia espacial de que deberían montar una misión espacial sólo para él, José Antonio ha buscado más datos sobre el satélite y ha encontrado un problema: la gravedad sobre la superficie de Jápeto es 43 veces menor que la de nuestro planeta.

Ante la perspectiva de que un campo gravitatorio tan débil le impida disfrutar del descenso por las laderas kilométricas de Jápeto (y de haber viajado hasta Saturno para nada), a José Antonio le gustaría saber si se podría aumentar la gravedad de este satélite hasta una cifra más parecida a la de la Tierra.

Vamos a comprobarlo con un cálculo rápido.
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¿Cómo es el universo: finito o infinito?

Hoy toca responder a unas cuantas preguntas que quedaron en el aire cuando hablé sobre el concepto de universo observable que, en resumidas cuentas, es el volumen de 46.500 millones de años luz de radio que nos rodea. Esa esfera representa la distancia a la que se encuentran hoy en día los objetos más lejanos de los que tenemos información, que son los que emitieron la radiación de fondo de microondas hace 13.800 millones de años.

Pero, ¿qué relación tiene el límite del universo observable, también llamado horizonte de partículas, con el tamaño real del universo? ¿Hay más espacio y galaxias tras ese horizonte o la realidad termina en él como si fuera una carretera cortada? Y, si el universo continúa más allá de este límite, ¿el espacio y las galaxias se extienden hasta el infinito o dejarías de ver materia si te alejaras lo suficiente?

Creo que son demasiadas preguntas incluso para mí.

No te preocupes, voz cursiva. Empecemos por lo básico: ¿cómo sabemos que el universo continúa más allá del universo observable?

Ya habíamos visto que el universo no está en expansión porque las galaxias se estén alejando de un punto “central” del espacio sino que, en realidad, lo hace porque el propio espacio que las separa se está estirando. Como todas las galaxias se alejan unas de otras ellas sin ningún punto de referencia común, siempre te dará la impresión de que tú estás en el centro del universo y que el resto de las galaxias son las que se están alejando de ti, vayas donde vayas.

Por supuesto, eso no es más que una ilusión óptica que se puede apreciar claramente en esta secuencia de imágenes: cada vez que se superpone el mismo punto de las dos imágenes de cada fotograma (los puntos están más separados en una de ellas), el resto quedan descentrados, dando la impresión de que todos los demás se han alejado de él.

En la vida real, este fenómeno provoca que cada punto del espacio tenga su propio universo observable a su alrededor, lo que significa que, si te mudaras a una galaxia lo suficientemente lejana, observarías regiones distantes del universo que quedan fuera de nuestra vista desde la Vía Láctea.

Y a cada observador que está en el centro de cada universo observable le parece que todo lo que le rodea se está alejando de él.

Total que, como parece que el universo no tiene un centro absoluto y a lo que llamamos universo observable es una simple cuestión de perspectiva, entonces parece lógico concluir que el universo continúa más allá de nuestro universo observable.

Captado. Así que, en principio, existirían más espacio y más galaxias tras el horizonte de partículas ¿verdad?

Exactamente, voz cursiva.

Vale, vale. Pero, entonces, ¿qué pasa con todo ese universo que hay más allá de nuestro universo observable? ¿Es una esfera aún mayor, pero con un tamaño limitado? ¿O, por el contrario, las galaxias se extienden para siempre en todas las direcciones?

Esa es una pregunta más difícil de responder.

Para poder estimar hasta qué distancia se extiende universo más allá del horizonte de partículas, primero tendríamos que recibir algún tipo de información de esa región que nos permitiera deducir cómo está estructurada. El problema es que todo lo que se encuentra más allá de nuestro universo observable se aleja de nosotros a velocidades muy superiores a la de la luz, de modo que nunca podremos recibir ninguna señal emitida desde su interior.

De hecho, incluso hay objetos que están dentro de nuestro universo observable que se alejan de nosotros tan deprisa que nunca sabremos nada más de ellos. Esto se debe a que se encuentran tras otro límite cosmológico, el horizonte de sucesos del universo, que representa la distancia a partir de la que un rayo de luz emitido ahora mismo nunca podrá alcanzarnos en el futuro, por mucho que se expanda nuestro volumen de Hubble.

Actualmente, esta frontera se encuentra a unos 16.300 millones de años luz así que, como podéis ver en la siguiente imagen, eso limita mucho la cantidad de información del resto del universo observable que podremos recibir en un futuro.

Pero, un momento, ¿cómo que no tenemos información de la materia que hay más allá del universo observable? ¿Y qué pasa con el famoso flujo oscuro?

Buena observación, voz cursiva, aunque no sé de dónde sacas eso de famoso.

El flujo oscuro es una supuesta anomalía en la distribución de la velocidad de algunas galaxias lejanas que parece indicar que se están moviendo hacia la misma región del espacio (aún más alejada que el famoso (ahora sí) Gran Atractor). En base a estos datos, se ha sugerido que, en el pasado, estas galaxias podrían haber sido atraídas por la gravedad producida por una gran concentración de masa situada más allá de nuestro universo observable… Pero aún se está debatiendo la existencia de esa anomalía así que, de momento, no hay nada claro.

En cualquier caso, aunque no tenemos evidencias directas de que haya algo más allá del horizonte de partículas, el consenso es que el universo observable forma parte de un universo aún mayor. Partiendo de ahí, existen dos opciones: que la extensión del universo sea limitada más allá de nuestro horizonte de partículas o que se extienda infinitamente en todas las direcciones.

Veamos qué consecuencias tendría cada una de ellas.

HIPÓTESIS 1: EL UNIVERSO ES FINITO.

Venga, voy a ayudarte a encaminar esta sección. ¿Cómo se supone que funciona un universo finito? ¿Es como una esfera enorme llena de galaxias que se acaba de repente? ¿O hay algún tipo de barrera al final, como un barranco en el límite del espacio?

Gracias, voz cursiva, pero no hay nada de eso. Un universo finito no tiene por qué estar limitado necesariamente por una frontera.

Hace un tiempo estuve hablando sobre qué significa que el universo sea “plano”. Los astrónomos no están afirmando que el espacio tiene literalmente dos dimensiones cuando dicen que el universo es “plano”, sino que es un término con el que se refieren a si nuestro espacio tridimensional está curvado o no sobre una dimensión adicional.

La curvatura del espacio influye en la pregunta de hoy porque, si se descubriera que el universo tiene una curvatura positiva (como una esfera), entonces no sólo significaría que el espacio está cerrado sobre sí mismo y que, por tanto, el universo tiene un volumen finito sino que, además, implicaría que tampoco está delimitado por una frontera.

¿Pero cómo puede estar el espacio tridimensional cerrado sobre sí mismo? ¿Y cómo no va a tener una frontera? ¿Cómo se supone que tengo que tragarme eso?

Intentaré ponerlo de otra manera que suene menos extraña.

Imaginemos que nos encontráramos sobre una superficie plana y finita que flota en medio del espacio (que no es el caso). Si nos pusiéramos a caminar en línea recta en cualquier dirección encima de ese mundo plano, entonces terminaríamos llegando hasta el borde y nos veríamos obligados a detenernos. Sobre una superficie curvada como la de una esfera, en cambio, ocurre algo muy distinto: si caminamos en línea recta en cualquier dirección, siempre volveremos al mismo punto de origen incluso aunque, desde nuestro punto de vista, no hayamos hecho más que alejarnos de él durante todo el camino.

¿Y qué tiene que ver esto con el universo real? Pues que si el espacio tuviera curvatura positiva y, por tanto, estuviera cerrado sobre otra dimensión adicional, entonces podrías montarte en una nave, partir en cualquier dirección en línea recta y, con el tiempo suficiente, volverías a llegar a la Tierra aunque nunca hubieras dado media vuelta.

Ah, vale, como en esos videojuegos viejos en los que desaparecías por un lado de la pantalla y aparecías por el otro.

Sí, bueno, más o menos. En cualquier caso, la ventaja de vivir en un espacio cerrado es que puedes calcular el tamaño del universo si consigues medir su curvatura. Y eso es precisamente lo que se está intentando.

En primer lugar, me gustaría adelantar que no tiene pinta de que el espacio tenga curvatura alguna: las mediciones más precisas que se han hecho hasta ahora parecen sugerir que vivimos en un universo “plano”. Pero, aunque hablaré sobre eso en un momento, en principio también existiría la posibilidad de que vivamos en un universo cerrado (y, por tanto, finito), pero tan grande que somos incapaces de distinguir su curvatura con la tecnología actual.

Partiendo de esta premisa, hay gente que se ha dedicado a intentar estimar cómo sería esa curva imperceptible e intentar calcular el tamaño del universo. Por ejemplo, en 2011, un grupo de investigadores aplicó análisis estadístico sobre el mapa de la radiación de fondo de microondas y concluyeron que, para observar una curvatura tan pequeña, tendríamos que estar metidos en un universo con un volumen 250 veces mayor que el de nuestro universo observable.

Por otro lado, otro artículo de 2006 sostenía que el volumen del universo podría ser al menos 21 veces mayor que el del universo observable. Pero el artículo añadía que, en el caso de que el universo fuera finito, las perturbaciones que sufre la radiación de fondo de microondas de camino a nuestros telescopios harán que nunca podamos saber si su volumen es más de 10.000 veces mayor que el del universo observable, por mucho que mejore la precisión de nuestros instrumentos.

Pero, pese a que existe la posibilidad de que vivamos en un universo “cerrado” y finito, aunque tan grande que nunca podremos deducir su tamaño, de momento hay otro escenario que parece más probable…

HIPÓTESIS 2: EL UNIVERSO ES INFINITO.

Ya en el siglo XVI, se razonó que el universo tenía que ser finito porque, si fuera infinito y contuviera una cantidad ilimitada de materia, en todos y cada uno de los puntos del cielo habría una estrella. Si esto fuera cierto, entonces el cielo debería estar permanentemente iluminado por la luz combinada de infinitas estrellas… Y, como habréis notado, ese no es el caso.

Pero esta contradicción no demuestra que el universo tenga que ser necesariamente finito: hoy sabemos que la expansión del universo se acelera con la distancia así que, incluso aunque existiera un número infinito de estrellas ahí fuera, sólo podemos ver la cantidad finita que está dentro de nuestro volumen de Hubble. Y eso por no decir que la luz emitida por objetos suficientemente lejanos está tan estirada por la expansión del espacio que queda fuera del rango de la luz visible.

En realidad, el hecho de que no se haya podido medir una curvatura apreciable del espacio apoya la idea de que el universo podría ser infinito.

¿Pero qué quiere decir exactamente que el universo podría ser infinito? ¿Que sería infinitamente grande y contendría infinitas galaxias? ¿Que contiene una cantidad limitada de materia, pero el espacio es infinito? ¡ESPECIFICA!

Me refiero a que podría ser infinito en los dos sentidos: tanto en su extensión como en la cantidad de materia que contiene.

Hemos visto que, en un espacio tridimensional cerrado, siempre volverías al punto de origen si te movieras en línea recta. Pero, si hicieras lo mismo en un espacio plano (e infinito), simplemente te alejarías de tu planeta de origen eternamente y nunca más volverías a ver a tus seres queridos… Aunque es posible que encontraras cosas bastante raras por el camino.

Como explica Fraiser Cain en Phys.org la probabilidad de que cualquier cosa se repita en alguna región del espacio en un universo infinito debería ser del 100%. Por tanto, podrías encontrar cualquier cosa imaginable si te alejaras lo suficiente de tu planeta natal, siempre y cuando las leyes de la física permitieran su existencia. De hecho, en un universo infinito, nada impediría que exista un planeta idéntico a la Tierra habitado por una copia exacta de ti mismo en algún lugar del espacio… O incluso que existieran infinitas versiones de ti mismo perdidas en la distancia eterna.

Pero, antes de que convirtamos la ficción en ciencia, no está de más mencionar que todo esto es especulación: hay quién se opone a esta idea y sostiene que un universo infinito no implica necesariamente que cualquier evento se tenga que repetir más de una vez en su interior.

Bueno, vale, pero estoy empezando a aburrirme de tantas elucubraciones sin fundamento. Ve al grano: ¿El universo es finito o infinito?

Pues siento decepcionarte, voz cursiva, pero nadie lo sabe de momento. En base a los datos de los que disponemos a día de hoy, podemos encontrarnos en dos escenarios:

  • Si el espacio no tiene curvatura (que, de momento, parece ser el caso), el universo podría ser infinito tanto en su extensión como en la cantidad de materia que contiene.
  • Si el espacio tiene una curvatura positiva tan leve que no la podemos detectar, entonces viviríamos en un universo inmenso, pero finito, cerrado sobre sí mismo.

Para variar, las cosas no son tan simples porque, mientras que un espacio con curvatura positiva da lugar necesariamente a un universo finito, parece ser que hay topologías que permiten que un espacio plano también genere un universo finito.

En cualquier caso, si desconocer la verdadera extensión del universo os impide dormir, tened en cuenta este dato: tanto si el universo es finito como si es infinito, permaneceremos siempre atrapados en el interior de nuestro universo observable.

Es más: teniendo en cuenta que el horizonte de sucesos del universo está mucho más cerca que el límite del universo observable, incluso aunque ahora mismo nos montáramos en una nave del futuro y pusiéramos rumbo a los confines del espacio, tan sólo tendríamos acceso al 3% del universo observable. Y ese número no hace más que bajar a medida que la expansión del universo se acelera.

O sea, que nunca podremos comprobar personalmente si alejarte en línea recta de la Tierra te lleva de vuelta a casa o si, por el contrario, te distancia para siempre de tus seres queridos, porque nunca llegaremos a atravesar el límite del universo observable para ver qué hay más allá… A menos que alguna de esas tecnologías teóricas tan recurrentes en la ciencia-ficción se convierta en una realidad (como los agujeros de gusano).

Así que no te preocupes de momento, voz cursiva, porque, independientemente de que el espacio sea finito o infinito, estaremos para siempre atrapados en un pequeño volumen del universo observable.

Bieeeeen…

Dicho todo esto, toca  pasar a la publicidad poco invasiva de Ciencia de Sofá.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂