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ZAPPING 0281, 06-Sep-2005
La última verdad
¡Especial 1 millón de lectores!
por Marcelo Dos Santos (www.mcds.com.ar)

Hay un concepto tranquilizador que hemos abrazado desde hace siglos, y que nos permite dormir tranquilos, parir a nuestros hijos, escribir, reír y amar, en el convencimiento de que la realidad no se convertirá en una pesadilla de un día para el otro.

Hay cosas que nunca cambian.

Y no nos referimos al amor de nuestras madres ni a la voracidad de nuestra autoridad tributaria vernácula... Estamos hablando de que el universo maneja constantes que permiten que los fantasmas no existan, que ningún vampiro venga jamás a golpear el vidrio de nuestra ventana pidiendo permiso para entrar o que nuestro mundo jamás se vea invadido de reptantes y batracias entidades lovecraftianas que vengan a reclamar sus derechos sobre él.

Esas cosas que nunca cambian se llaman, adecuadamente, constantes. Las constantes son constantes porque tienen constancia, no son variables porque no albergan variabilidad. Verdades de Perogrullo, es verdad, pero que mantienen al universo como es debido, los planetas girando alrededor de las estrellas y no al revés, la piel por fuera de huesos y músculos y los electrones orbitando a los núcleos atómicos.

¿Todo bien? Hasta hace un tiempo, sí.

Pero ahora...


Dos señores llamados con un nombre constante, John (Webb y Barrow) observaron hace seis años un fenómeno curioso: al comparar las observaciones de cuásares extremadamente lejanos (el nuevo concepto físico de "allá lejos y hace tiempo") con valores de referencia medidos en laboratorio ("aquí y ahora"), llegaron a la conclusión de que, en el principio del universo, los elementos químicos absorbían la luz de modo ligeramente diferente a como lo hacen ahora. Había una sola explicación posible, pero los dos John se miraron, confundidos, al considerarla.


John D. Barrow

Y no son dos físicos cualesquiera: John D. Barrow había estado estudiando nuevas posibilidades teóricas acerca de la variabilidad de las constantes, mientras que John K. Webb es un especializadísimo experto en observaciones de la luz de los cuásares, que cuenta hoy en su haber docenas y docenas de programas de radio y televisión donde ha explicado sus descubrimientos, solo o en sociedad con el anterior.

Se encontraron en 1996, cuando Webb fue a trabajar, durante su año sabático, con Barrow en la Universidad inglesa de Sussex. Allí comenzaron a investigar juntos las variabilidades que tenían preocupado al segundo mediante las observaciones acerca de los cuásares hechas por el primero.


Un favorito de la espectrografía: el cuásar 3C273

Como sabemos, se asume que las constantes son constantes, que su valor se mantiene igual a lo largo del tiempo y en cualquier lugar del espacio, pero la diferencia de absorción lumínica de la materia entre los momentos posteriores al Big Bang y hoy en día sólo podía explicarse si la constante fundamental del universo había sufrido un cambio de valor. En otras palabras: si la constante no era constante. Si esa constante era variable, digamos. Entonces cambiaba, entonces...


Explicación gráfica del espectro de absorción

Pero ¡un momento! ¡Acabamos de decir que se trata de la constante fundamental del Universo!

Si John Barrow y John Webb tienen razón, mejor que nos vayamos preparando para conocer el universo de Lovecraft en vivo y en directo...


John K. Webb

La constante en cuestión se llama "constante de estructura fina", pero los amigos le dicen simplemente "alfa" (α). El cambio de α tiene que haber sido, para justificar las observaciones de John y John, de apenas unas pocas partes por millón en estos últimos 15 mil millones de años. Es poco, dirá usted, y tendrá razón.

Pero incluso unas pocas partes por millón son suficientes para que la constante no sea constante, todo nuestro conocimiento previo esté equivocado, y que la realidad como la conocemos se evapore y deje de existir en un instante.

¿Para qué nos vamos a preocupar por el agujero de ozono si el universo mismo puede dejar de ser en cualquier momento?

Si Barrow y Webb están en lo cierto, han dado con un fenómeno revolucionario: las constantes no son universales, el espacio tiene más de tres dimensiones y Drácula puede estar en este mismo momento soplándole la nuca.

Usted elige.


Para que se dé una idea: el valor de α es, poco más o menos, de 1/137. Con un valor distinto, la materia y la energía se comportarían de modos muy diferentes a como lo hacen en nuestro universo: los electrones podrían desprenderse de los átomos, Michael Jackson tendría un rostro normal y los árabes llamarían a Israel "nuestra nación hermana". De hecho, tan extraños serían los comportamientos de materia y energía que ni siquiera habría materia y energía para distinguirlas y llamarlas así. Suponiendo que en ese extraño lugar donde α no mide 1/137 pudiera existir cosa semejante a un ser humano, ese citado humano ni siquiera sería capaz de diferenciar la materia de la energía o el rostro de Michael Jackson del de Michelle Pfeiffer. Caos. La debacle total.


Por cierto que α no es la única constante que mantiene al universo siendo tal como es: tenemos a c, la velocidad de la luz; tenemos a G, la Constante de Newton de la gravitación universal; tenemos a me, la masa del electrón... tenemos muchas, y más nos vale que no se les ocurra mudar de valor. Forman, en rigor, el esqueleto del universo alrededor del cual se articulan las teorías de la física. Las constantes definen el entramado mismo de la realidad. Son tan estables que, si alguno de sus valores ha cambiado, se debe solamente a la evolución de nuestros métodos para medirlos.

Y, además, nadie ha sido capaz de explicar o predecir el valor de ninguna constante.

Newton no tenía ni la menor noción de por qué el valor de G es de 6,673 x 10-11; Einstein nunca se pudo explicar por qué c es igual a 299.792.458; Bohr jamás acertó a imaginar por qué motivo me totaliza exactamente la cifra de 9,10938188 x 10-31; ni el mismísimo Avogadro supo jamás por qué el Número de Avogadro es de 6,02 x 1023, ni uno más ni uno menos...

La causa de tanta ignorancia es que las constantes tienen valores que no siguen ningún patrón discernible o, al menos, ninguno que nosotros y nuestras computadoras podamos discernir.

Lo que sí es seguro es que si una, varias o todas las constantes de la física cambiaran de valor aunque fuese en una medida mínima, una estructura tan compleja como un átomo se convertiría de inmediato en imposible y prohibida por las leyes físicas, por no hablar de una célula o un mamífero superior.

John D. Barrow y John K. Webb, excelentes divulgadores además de científicos, echan un poco de luz sobre este perturbador tema: "El deseo de explicar las constantes ha sido una de las fuerzas que motorizaron los esfuerzos del Hombre para desarrollar una descripción unificada y completa de toda la naturaleza, que llamamos ´la Teoría del Todo´. Los físicos siempre han soñado con que esa teoría mostraría que cada una de las constantes del universo físico podía tener sólo un valor lógicamente posible. Ello revelaría un orden subyacente bajo la aparente arbitrariedad de las cosas".


Sin embargo, no se ha logrado esto, y nadie en su sano juicio espera que se logre jamás. No es posible arriesgar ninguna explicación adicional acerca de los valores de nuestras constantes numéricas. Ellas son responsables de la estructura de los átomos, de la existencia de las galaxias, del humor absurdo de Los Tres Chiflados y de la ópera "Turandot" de Puccini; ellas han producido la evolución, la selección natural, la aparición de la vida en la Tierra y el desarrollo de la autoconciencia del ser humano, pero ese mismo ser humano no tiene idea de por qué toman el valor que toman.

"El universo observable muy bien puede ser uno de los pequeños, dispersos y aislados oasis que sobreviven rodeados de infinitos espacios sin vida", dicen, solemnemente, John y John. "El resto sería un lugar surrealista donde fuerzas de la naturaleza como las fuerzas nucleares o estructuras como electrones, átomos de carbono o moléculas de ADN podrían consistir en verdaderas imposibilidades. Si uno se aventurara en ese universo, simplemente dejaría de ser".


El sentido común nos dice que podríamos esperar que la existencia, naturaleza, valores y funciones de las constantes deberían irse aclarando a medida que la ciencia avanza y las tecnologías se vuelven más perfectas.

Sin embargo, el sentido común a menudo se equivoca: el efecto ha sido justo al contrario. Nuestros conocimientos acerca de las constantes se han embrollado cada vez más, no menos.

No hace mucho que los físicos se han desayunado de que el candidato más probable para llegar a ser "Teoría del Todo", la "Teoría M", una variante de la teoría de las cuerdas, sólo se sostiene si el universo tiene más de cuatro dimensiones espaciotemporales, y alcanza su máxima eficiencia si tiene siete.

Esto plantea perturbadoras posibilidades: ¿qué hay si la naturaleza sólo puede ser explicada satisfactoriamente y en forma completa por los habitantes del espacio heptadimensional, y nosotros, pobres mortales, vemos solamente sus sombras difusas en nuestro mundo tridimensional? Si este es el caso, las constantes que vemos y medimos no son las verdaderas, sino sólo reflejos incompletos, incomprensibles. Tienen tanto de las constantes reales como el torbellino del aire tiene algo del ala de la mariposa que lo produjo, si nosotros no sabemos lo que es un torbellino, un ala, el aire ni una mariposa. ¿Qué estamos estudiando, entonces, desde hace siglos? Nada, apenas menos que nada. Y lo peor es que no podemos ni podremos nunca hacer nada al respecto.


Los físicos, entretanto, están pensando que los valores de muchas constantes que consideramos "fundamentales" no son más que cartón pintado, algo así como números al azar adquiridos durante eventos azarosos ocurridos entre las partículas elementales en los momentos inmediatamente siguientes al Big Bang. John y John vienen en nuestro auxilio: "De hecho, la teoría de las cuerdas permite un gran número (10500) de mundos o universos posibles, cada uno con su propio juego de leyes físicas internamente consistentes y poseedores de su propio juego de constantes".

Pero no es consuelo: siendo esto cierto, continuamos sin tener idea de por qué para nuestro universo se seleccionó este juego de constantes con esos extraños valores. Tal vez, al estudiar esta teoría durante muchos años seamos capaces de reducir los 10500 universos posibles a 1030, luego a 1 millón, más tarde a 500.000, a 30.000, a 1000, a 50 o a 3... para terminar descubriendo que en verdad hay un único universo posible con unas únicas leyes y constantes posibles... y que casualmente estos son los nuestros.

John y John no creen esto: "Como sea, siempre tendremos que seguir considerando la enervante posibilidad de que el universo conocido no sea más que uno entre muchos, de donde el ´universo´ quedaría reducido a una mínima fracción del ´multiverso´ que lo alberga".

De ser así, entonces cada universo, o mejor dicho cada burbuja que flota en el multiverso, perfectamente podría haber encontrado diferentes soluciones a la teoría. Las leyes y constantes que observamos pueden ser en realidad una versión local de los sistemas múltiples de leyes generales. Viviríamos, literalmente, dentro de la realidad de "universos paralelos" que tanto ha socorrido la ciencia ficción en el siglo XX.


Distintos universos (con distintos valores de α). En uno de ellos, usted y yo

La sonada teoría de las cuerdas, sin embargo, borra con el codo lo que escribe con la mano: fue desarrollada para tratar de explicar los enormemente arbitrarios —en apariencia— valores de las constantes físicas. Es por eso que sus bases teóricas contienen muy pocos valores arbitrarios. Una vez desarrollada en forma total, empero, los físicos descubrieron enfurruñados que seguía sin dar una explicación válida para los extraños números contenidos en las constantes.


¿Y qué sucede si estamos frente a un problema de nomenclatura, un error de terminología? ¿Podemos habernos equivocado al llamar "constantes" a las constantes? ¿Y si su verdadera naturaleza fuese, al decir de Les Luthiers, "más voluble que las aves"?

Si los tamaños de las dimensiones cuarta, quinta, sexta y séptima del espacio cambiaran con el tiempo, los valores de nuestras constantes tridimensionales se modificarían proporcionalmente. Si pudiésemos mirar regiones del espacio suficientemente lejanas, podríamos comenzar a observar lugares donde los valores de las constantes han sido establecidos en cifras diferentes. Ya en 1930 había científicos que especulaban en torno a esta tortuosa idea. Lo interesante de las cuerdas es que brindan posibilidades teóricas a este concepto y declaran que lo más importante es buscar en las constantes pequeñas desviaciones de la constancia. Tratan, en suma, de demostrar la inconstancia de las constantes.

Barrow y Webb afirman: "Experimentos como esos implican un enorme desafío. El primer problema es que los instrumentos de laboratorio pueden ser sensibles a los cambios de las constantes. Puede ser que el tamaño de todos los átomos esté aumentando, pero en ese caso, la regla que nosotros utilizaríamos para medirlos estaría creciendo al mismo ritmo, y nunca podríamos darnos cuenta de nada. Los científicos asumen de modo rutinario el hecho de que sus estándares de referencia —relojes, balanzas, reglas— son fijos, pero no pueden decir lo mismo si intentan medir las constantes. Tienen que concentrarse en constantes que carecen de unidades, que son sólo números, por lo que sus valores no dependen de ningún sistema de unidades. Un ejemplo clave es la relación de masas, como por ejemplo la del protón y la del electrón".


α es, precisamente, una de estas relaciones o proporciones. Intervienen en ella la velocidad de la luz c, la carga eléctrica del electrón e, la Constante de Planck h, y la permitividad del vacío 0. La constante de estructura fina es, por lo tanto, igual a:


α = e2/20hc


y fue descubierta por Arnold Sommerfeld en 1916 mientras intentaba aplicar la mecánica cuántica a los fenómenos electromagnéticos.

Es una cantidad y, como tal, cuantifica algo. Lo que cuantifica α son las cualidades relativistas (c) y cuánticas (h) de las interacciones electromagnéticas (e) en el espacio vacío (0).

Si uno hace las cuentas, encontrará que


α = e2/20hc = 1/137,03599976 aprox. 1/137


1/137... La cifra que gobierna nuestro universo. Para los creyentes, debiera introducírsela como uno de los verdaderos nombres de Dios. Es una favorita de los físicos, que suelen colocarla como clave en sus maletines, candados y portafolios. 137, en esta ciencia, es reverenciada como una Sagrada Escritura.

Cámbiela apenas, y será un Satanás. Si la reduce un poco, caerá la densidad de la materia, los enlaces moleculares se romperán a temperaturas más bajas y el número de elementos estables en la tabla periódica aumentará.

Hágala mayor, y los núcleos atómicos de los elementos más livianos dejarán de existir, porque las fuerzas de repulsión entre los protones vencerán a la fuerza nuclear fuerte que los mantiene juntos. El valor de α es de 0,0072973525332858855190505598862498 (1 dividido por 137,03 etc.). Incluso un valor de 0,1 para α destruiría los núcleos del carbono, y ya puede usted imaginarse adónde iríamos a parar nosotros, formas de vida basadas en los átomos del carbono...

Pero el cambio de α no se limita a nuestras míseras preocupaciones antropocéntricas, biocéntricas o como desee usted llamarlas. El escenario es mucho más amplio. De verdad.

Lo más sensible a los cambios del valor de α que existe en el universo son las reacciones nucleares de fusión en el interior de las estrellas. Al valor normal de α, la fusión sólo puede producirse a temperaturas tan elevadas que sean capaces de empujar los núcleos de los átomos uno contra el otro, venciendo de esta forma las fuerzas de repulsión. Haga usted que α supere el valor de 0,1 y la fusión se tornará una imposibilidad matemática. No importa si usted cambia de idea e intenta ajustar otros parámetros de la ecuación para compensar, como por ejemplo me. Las estrellas se apagarán como una vela, y será físicamente imposibles volver a encenderlas. Jamás. Escuchemos, conturbados, a John2: "Un cambio de α de sólo el 4% afectaría los niveles de energía de los núcleos de los átomos de carbono a un punto tal que la producción de este elemento en el interior de las estrellas se detendría para siempre". La ominosa verdad científica que usted acaba de leer significa que no sólo todos los átomos de carbono del universo explotarían como petardos, sino también que nunca volvería a producirse carbono. La vida en el universo entero se volvería, en consecuencia, imposible por el resto de la eternidad.


El segundo y más terrible de los problemas que John x 2 nos señalan es sencillamente aterrador: es muy posible, casi seguro, que nuestro instrumental nos mienta o sea absolutamente ciego a los cambios en constantes como α: "La medición en los cambios de constantes exige equipos de alta precisión que permanezcan estables durante largos períodos, suficientes para detectar cualquier modificación. Los actuales relojes atómicos pueden detectar cambios en la constante de estructura fina en algunos días o algunos años. Si α cambiara en un grado de 4 partes en 1015 en un lapso de tres años, los relojes atómicos lo detectarían enseguida. Ninguno lo ha hecho. Esto, que podría parecer una impresionante prueba de la constancia de la constante, en realidad es un problema. En la escala cósmica, tres años no es nada. Si ha habido un cambio lento pero sustancial en las constantes durante los 15 mil millones de años que tiene el universo, no podemos habernos dado cuenta de ello".

Si han leído con atención Axxón durante los últimos tiempos, pueden haberse sentido sorprendidos por la noticia de que en Gabón, África Occidental, existió un reactor nuclear natural. El sitio es una antigua mina de uranio llamada Oklo. En 1970, los científicos franceses de la Comisión de Energía Atómica descubrieron algo extraño en la composición isotópica del mineral de Oklo: parecían, en realidad, los residuos de un reactor nuclear. Hace dos millones de años, en efecto, Oklo albergó un reactor natural. Aunque cueste creerlo, este lugar se ha convertido en uno de los instrumentos más cruciales para verificar la constancia del valor de α a lo largo del tiempo.


Líneas de absorción en el espectro de un cuásar. Su luz chocó contra una nube de gas hace 7500 millones de años

En 1976, Aleksandr Shlyakhter, del Instituto de Física Nuclear de Leningrado, comprendió que la capacidad de Oklo para funcionar dependía de la cantidad precisa de energía de un estado en particular de los núcleos de samario, que les permitía captar neutrones. ¿A que no lo adivina? Ese estado de energía depende de α. De esta forma, si α hubiese cambiado ligeramente de valor, la reacción en cadena nunca se hubiese iniciado.

Pero se inició. Todos lo sabemos. ¿Qué conclusión sacamos de ello? Que α no ha cambiado más de 1 parte en 1018 en el curso de los últimos 2 millones de años, aunque esta cifra aún está en discusión entre los físicos. Algunos investigadores (mire dónde trabajan y verá que del tema saben algo), como Steve Lamoreaux y sus colegas del laboratorio de Los Álamos en Nuevo Mexico, creen en cambio que los datos de Oklo apoyan entusiastamente los datos de John-John: Steve grita que α debe haber disminuido su valor no en 1 parte en 1018 sino en al menos un 4% desde que Oklo se encendió.


El reactor natural Oklo, hoy

¿Por qué las discrepancias entre estas estimaciones? Sencillamente porque no había ningún físico en ese momento para determinar con precisión las condiciones exactas que imperaban en el núcleo del reactor de Oklo. La cifra en realidad es aterradora: no olvide que Webb y Barrow acaban de afirmar que un cambio de 4% en el valor de α apagaría para siempre el proceso de producción del carbono en el interior de las estrellas. El que escribe esto, y por supuesto el que lo está leyendo, son formas de vida basadas en el carbono, que pueden tener algunos problemas si este elemento desaparece del universo...

Algunos años antes, en 1962, P. James E. Peebles y Robert Dicke, de la Universidad de Princeton, aplicaron el mismo razonamiento con los meteoritos: la proporción de isótopos existente en ellos depende de las tasas de desintegración radiactivas de lo mismos, la cual a su vez depende de... ¡α! La más crítica es la desintegración de ciertos núcleos exóticos como el renio, que se transforma en osmio.

Hoy, Keith Olive de la Universidad de Minnesota y Maxim Pospelov de la Universidad de Victoria en la Columbia Británica, han determinado que cuando esos meteoritos se formaron, el valor de α estaba dentro de una precisión de 2 partes en 1016 con respecto a su valor actual. Los resultados de Olive y Pospelov son menos precisos que los de Shlyakhter (2/1016 contra 1/1018), pero se remontan el doble en el pasado: estos son de la formación del Sistema Solar hace 4.600 millones de años, contra los escasos 2 millones de Oklo.

Sigue sin ser suficiente: para alejarnos aún más en los orígenes remotos del universo, los científicos tienen que observar los cielos. La luz tarda miles de millones de años en llegar hasta nuestros telescopios desde las fuentes más remotas en el espacio. Esa luz, vieja y sabia, transporta una fotografía de las leyes de la física y de los valores de constantes como α, tomadas en el momento en que comenzó su viaje o chocó con materiales ajenos en su vuelo.

Los astrónomos han estado estudiando las constantes desde el descubrimiento de los cuásares en 1965. John Webb, el especialista en cuásares del dúo, nos explica: "La idea es simple. Los cuásares acababan de ser descubiertos e identificados como brillantes fuentes de luz ubicadas a inconcebibles distancias de la Tierra. Como el trayecto de su luz hasta nosotros es tan largo, inevitablemente atraviesa las envolturas gaseosas de las galaxias jóvenes. Ese gas absorbe la luz del cuásar en ciertas frecuencias, imprimiendo un código de barras formado por líneas muy delgadas, que queda fijado en el espectro del cuásar".


Comparación del espectro de la luz de Vega (que no ha chocado con el gas interestelar) con el de 3C273 (que sí lo ha hecho)

Sólo queda, pues, comparar el espectro de los cuásares lejanos, que muestra cómo el gas absorbía la luz hace miles de millones de años, con las observaciones actuales. Una vez más, este tipo de absorción depende del valor de nuestra amiga α.

Cuando el gas absorbe la luz, los electrones de los átomos de este gas saltan de un estado de energía menor a otro más elevado, porque el fotón de la luz les transfiere su energía. La participación de la constante es crucial aquí, una vez más: ella determina la fuerza electromagnética ejercida entre el núcleo y el electrón, la que a su vez gobierna qué tan fuerte los núcleos de los elementos se aferran a sus electrones. Esto no es otra cosa que su nivel energético, que cambia con la absorción del fotón. Es una cadena, delgada pero firme: poniendo un fotón en las órbitas electrónicas, sabremos el valor exacto de α.

Entonces, en buena lógica, si el número era distinto en el momento en que la luz del cuásar chocó con el electrón, la energía necesaria para cambiar el nivel orbital del electrón tiene que ser distinta de la medida aquí y hoy, en un laboratorio. Por añadidura, las longitudes de onda registradas en los espectros también serán distintas de necesidad.

Dicen los dos John: "La forma en que cambian las longitudes de onda dependen críticamente de la configuración orbital de los electrones. Para un cambio dado en α, algunas longitudes se comprimen y otras aumentan. Este complejo patrón de efectos difícilmente puede ser imitado por una falla de calibración del instrumental, lo que vuelve a este análisis increíblemente preciso".


Cómo se compara la luz del cuásar luego de pasar por la nube de gas con una muestra del mismo gas, hoy y aquí

Hasta los estudios de estos dos investigadores, los intentos por medir el valor de α habían sufrido dos problemas: el primero de ellos era que los laboratorios no habían medido las longitudes de onda de muchas de las líneas espectrales necesarias con suficiente precisión. Irónicamente, se conocían mucho mejor los espectros de cuásares situados a miles de millones de años luz de la Tierra que las muestras de nuestras propias fuentes de luz. Barrow y Webb convencieron entonces a los físicos de mejorar sus mediciones. Anne Thorne y Juliet Pickering del Colegio Imperial de Londres, Sveneric Johansson del Observatorio Lund de Suecia y Ulf Griesmann y Rainer Kling del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Maryland, EEUU, comenzaron entonces a hacer mediciones precisas, completamente propicias a los fines que perseguían John & John.


El espectro de un cuásar: la línea roja es su espectro de emisión; las líneas verdes indican lo que ha absorbido

En segundo lugar, otro problema obstaculizaba las investigaciones: los investigadores previos habían utilizado las así llamadas "líneas de absorción de dobletes alcalinos", pares de líneas de absorción que surgen del mismo gas, por ejemplo carbono o silicio. Ellos habían comparado el espaciado entre estas líneas en los espectros de los cuásares contra las mediciones hechas en el laboratorio. Sin embargo, no habían aprovechado un fenómeno muy singular: los cambios de α no solamente modifican la distancia entre las líneas que muestran los niveles de energía de los átomos en su extremo inferior, llamado estado base, sino también la ubicación de este estado de base en sí mismo. De hecho, este segundo efecto es más notable que el primero. Por lo tanto, la mayor precisión que obtuvieron aquellos científicos fue de 1 parte en 104, patéticamente baja para los fines que se pretendían.


Diferencias en la absorción de la luz de acuerdo al valor de α. Obsérvese como cambia de nivel el estado de base

John K. Webb y un australiano, Victor V. Flambaum de la Universidad de Nueva Gales del Sur, lograron en 1999 un método que tomaba en cuenta ambos efectos, y sus resultados multiplicaron la precisión de sus antecesores por un factor de 10. Es más: este método permitía que se comparasen las mediciones de diferentes tipos de átomos, por ejemplo magnesio y hierro, lo cual los habilitaba para entrecruzar los resultados.

Llevar a la práctica el método de Webb y Flambaum no fue fácil: exigió complicadísimos cálculos para establecer cómo las longitudes de onda observadas dependían de los distintos tipos de átomos estudiados. Combinada con las modernas tecnologías de telescopios y detectores, la nueva mirada sobre el problema, conocida como "método de polimultipletes", ha permitido que John y John midan, de una vez por todas, la supuesta constancia de las constantes con un nivel de precisión sin precedentes. Flambaum forma parte ahora del equipo de Webb y Barrow y trabaja con ellos.


Al embarcarse en este proyecto, ni John Barrow, autor de 17 exitosos libros de ciencia para el gran público, ni John Webb ni ningún John o Pete o Simon o Marcelo del mundo podían siquiera soñar en que las constantes fuesen en verdad inconstantes: "Siempre habíamos pensado que los valores en el remoto pasado habían sido los mismos que hoy; creíamos que nuestra contribución a este campo sería meramente una mayor precisión en los datos. Pero, para nuestra sorpresa, los primeros resultados, en el mismo 1999, mostraron cambios, pequeños pero estadísticamente significativos".


Si nada interfiere, el espectro es continuo. Si la luz sale de un objeto caliente (como el cuásar), el espectro será de emisión. Si atravesó un objeto frío como una nube de gas intergaláctico, veremos las líneas de absorción

Cuanto más profundizaban, más se confirmaban las observaciones. Los resultados: en los últimos 6 a 12 mil millones de años, α ha incrementado su valor en más de 6 partes por millón.

"Los descubrimientos extraordinarios requieren evidencias extraordinarias", claman los dos científicos, "por lo que nos pusimos a estudiar de inmediato si podía haber algún problema en nuestros datos o en nuestro método de análisis de los mismos".

Esta clase de fallas pueden ser de dos tipos: sistemáticas o al azar. Las azarosas son fáciles de entender: son simplemente eso, fruto del azar. Difieren en cada medición individual pero su promedio sobre largas muestras tiende a ser cero.

Sin embargo, las fallas sistemáticas, que no se promedian, no son huesos tan fáciles de roer. Han sido una pesadilla para todos los astrónomos desde la noche de los tiempos. Un químico en un laboratorio puede ajustar su instrumental para tratar de minimizar sus fallas de sistema, pero el astrónomo no puede ajustar el funcionamiento de las esferas ni la mecánica del universo, y se ve forzado a aceptar que todos sus métodos para recolectar datos tienen una irrevocable e irredimible tendencia al error.

Demos un ejemplo concreto para beneficio del lector y del mío propio: toda búsqueda de datos acerca de las galaxias tendrá una superabundancia de datos provenientes de las galaxias brillantes. ¿Por qué? ¡Porque son más fáciles de observar! Esto significa que las galaxias brillantes están sobreestimadas y sobrerrepresentadas en los datos, mientras que las más esquivas y ocultas se encuentran perpetuamente infravaloradas. No hay más galaxias brillantes que ocultas, sino justamente al revés, por lo que los datos comunes de un astrónomo no representan a todas las galaxias, sino solamente a las que él ve mejor. Identificar y tratar de neutralizar este tipo de tendencias al error representa una cruz y un tormento, un desafío y un desgastante y agotador trabajo diario para todos los astrónomos.

Pero con hidalguía y humildad, John bis confiesan: "Apenas miramos, encontramos que teníamos una distorsión en la escala de longitudes de onda contra la cual habíamos medido la luz de los cuásares". ¿Cómo había aparecido esta malvada distorsión? Es concebible que haya sido introducida durante el procesamiento de los datos crudos del cuásar, directamente dentro del telescopio y sobre una escala calibrada. Si bien es cierto que esta distorsión no pudo confundir a John + John para hacerles creer en un cambio de α si éste no existe, incluso un pequeño error podía ser suficiente para explicar los resultados de los investigadores. "Para descartar problemas de este tipo", dicen, "reemplazamos los datos del cuásar por datos de calibración, simulando que eran datos del cuásar. Este simple procedimiento extirpó de raíz los errores de distorsión con un alto nivel de confianza".


Desplazamiento de las líneas de absorción de acuerdo a las variaciones de α

Durante más de dos años, Webb y Barrow fueron encontrando una tendencia al error tras otra, descartándolas todas sólo después de confirmar que eran demasiado pequeñas como para alterar los resultados. Pero no se sienten satisfechos: "A esta altura, nos queda sólo una falla que puede ser una fuente de error potencialmente grave: tiene que ver con las líneas de absorción del magnesio".

El magnesio tiene tres isótopos estables que, como no podía ser de otra manera, absorben la luz de modos diferentes y con distintas longitudes de onda. Aunque son distintas, las tres líneas están muy cerca unas de otras, y la espectrografía de la luz de los cuásares normalmente las interpreta, mezcladas, como si fueran una sola. Los investigadores conocen la abundancia relativa de los tres isótopos en la naturaleza, y de allí infieren la contribución de cada uno de ellos. Entonces, ¿cuál es el problema de que se quejan los dos John?

El problema es que ni ellos ni nadie saben si la proporción de los isótopos del magnesio era la misma en los primeros momentos del universo, y por lo tanto no están seguros de que sus datos, basados en las observaciones de hoy, sean válidos para la luz de un cuásar de miles de millones de años de antigüedad. ¿Y qué hay con ello? La composición isotópica del magnesio puede haber cambiado si las estrellas primigenias, que desparramaron su magnesio entre las galaxias, eran más pesadas que las actuales. En ese caso, esas diferencias podrían perfectamente simular un cambio en el valor de α. No es un problema despreciable, ¿verdad?


Los problemas sistemáticos, como se ve, no son culpa del investigador, sino de la falta de datos acerca de los fenómenos que se pretende investigar. Mal podemos evaluar las diferencias que se evidencian en los isótopos del magnesio entre hoy y la época del cuásar, si no sabemos qué tipo de magnesio existía entonces. Y lo malo es que no lo sabemos, y que sólo lo sabremos a partir de los mismos datos que tratamos de liberar de errores.

En 2005, Yeshe Fenner y Brad K. Gibson descubrieron que los datos de John y John no podían ser descartados tan fácilmente. En efecto, los dos nombrados, de la Universidad Swinburne de Tecnología de Australia, en colaboración con Michael T. Murphy de la Universidad de Cambridge (que, fascinado con el trabajo de John-John y Victor está hoy trabajando con ellos), demostraron que si se asumía que la proporción de abundancias relativas de los isótopos de magnesio era diferente en tiempos del cuásar para emular una variación en el valor de α, ello implicaba un alza en la producción de nitrógeno en el universo primitivo. Y da la casualidad de que esta sobreabundancia de nitrógeno está en abierto conflicto con las observaciones. El universo primordial no tuvo la cantidad de nitrógeno que debiese haber tenido si los datos del magnesio de Webb y Barrow están equivocados. La composición isotópica del magnesio era la misma entonces que ahora. Esto así, debemos enfrentar el hecho de que el valor de α está cambiando.


El espectro del cuásar IRAS 13349+2438, con la indicación de a qué elemento corresponde cada línea

Algunos datos que hemos recogido en Zappings anteriores sugieren que los extraños comportamientos que evidencian hoy en día las sondas Pioneer 10 y 11 (están acelerando con los motores apagados hace mucho, y le aseguro que no deberían) son consecuencia del aumento del valor de α. Aceleran muy poco (menos de 1 nm/seg2), pero todas las leyes de la física lo prohíben, a no ser que α esté creciendo. Ambas sondas, como consecuencia de esto, se han desviado ya más de 400.000 kilómetros de su derrotero original. La idea de la culpabilidad de la constante de estructura fina ha sido sugerida por el profesor británico Bruce Bassett, de la Universidad de Portsmouth, y en verdad se trata de la única explicación plausible al extraordinario e inexplicable fenómeno.


La ciencia no podía quedarse sólo con los resultados de John Webb y John Barrow (autor este último, además, de una obra de teatro, Infinity, que ha sido puesta en escena en Italia con gran éxito): sabido es que para que un hecho científico sea aceptado, debe poder ser reproducido por cualquiera, en cualquier momento y en todas partes del mundo.

La comunidad científica tomó seriamente los resultados —al fin y al cabo, muy bien puede ser que el universo se autodestruya si los dos geniales científicos tienen razón—, así que los expertos en espectrografía de cuásares de todo el planeta comenzaron a hacer los mismos experimentos que ellos. De este modo, Sergei Levshakov, del Instituto Físico-Técnico Ioffe de San Petersburgo, Rusia, y Ralf Quast de la Universidad de Hamburgo comenzaron a investigar tres nuevos cuásares en 2003. El año pasado, Hum Chand y Raghunathan Srianand del Centro Interuniversidades para la Astronomía y la Astrofísica de la India, así como Patrick Petitjean del Instituto de Astrofísica de París y Bastien Aracil del LERMA de la misma ciudad analizaron 23 más. Ninguno de todos ellos verificó ningún cambio en α. Uno de los que más se resisten a aceptar los hallazgos de Webb y Barrow es el citado Petitjean, que estudió el tema analizando la luz de los cuásares capturada por los VLT (Very Large Telescopes) de Chile, e insiste en no haber encontrado ningún cambio evidente en el valor de α. Pero Webb, que está hoy evaluando de nuevo los resultados de las mediciones de los VLT, dice que se necesita un análisis más complejo que el básico y rústico que realizó Petitjean. El grupo de Webb está abocado a ello ahora, y puede encontrarse en la posición adecuada para declarar resuelta esta anomalía —o encontrar cierto el caso contrario— a lo largo de este año.


Diagrama del estudio espectrográfico de la luz de un cuásar

Chand dijo incluso que cualquier cambio tiene que haber sido menor a 1 parte en 1016 durante los pasados 6 a 10 mil millones de años. ¿Cómo es posible que análisis del mismo tipo, sólo que utilizando datos provenientes de distintos cuásares, arrojen resultados tan contradictorios? Nadie lo sabe. Con rigidez científica y grandeza humana, Barrow y Webb afirman: "Los datos de estos otros investigadores son de excelente calidad". Sin embargo, las muestras de Levshakov, Quast, Chand, Srianand, Petitjean y Aracil son muchísimo más reducidas que las ingentes cantidades de observaciones de John y John, y no se remontan tanto en los orígenes del universo. El trabajo de Chand no ha conseguido aún deshacerse de los errores azarosos y sistemáticos y, habiéndose basado en una variante propia del sistema de los polimultipletes, puede haber introducido nuevas y exclusivas fallas.


Los resultados de John y John comparados con los de las otras cuatro fuentes mencionadas

El importantísimo astrofísico de Princeton John Bahcall ha criticado, asimismo, el método poli-multi en sí, aunque los problemas que ha conseguido identificar son todos del tipo al azar, que debieran diluirse si las muestras son lo bastante grandes. Tanto Bahcall como Jeffrey Newman, del Laboratorio Nacional Lawrence de Berkeley, han estudiado las líneas de emisión en vez de las de absorción. Este método es mucho más impreciso, aunque en el futuro podría servir para restringir las fallas.


Sé que este Zapping es, tal vez, de difícil comprensión. Ni siquiera Webb y su amigo Barrow conocen a fondo todas sus implicaciones y consecuencias, así que imagínese lo poco que puedo decir yo. Sólo remarcaré una vez más que si los datos de los demás son erróneos y los de John y John certeros, las modificaciones que tendrá que sufrir nuestra imagen del universo son enormes y trascendentales. Ellos escribieron: "Hasta hace poco, nadie sabía con certeza lo que le pasaría al universo si la constante de estructura fina se modificaba. Se creía que simplemente habría que considerarla variable en lugar de constante en las mismas fórmulas en que había participado siempre. Pero esta práctica es, como mínimo, muy dudosa. Si α varía, sus efectos tienen que conservar la energía y el momento, por lo que necesariamente tendrá que cambiar los campos gravitatorios del universo entero". Convengamos en que no es poca su influencia. Si α cambia, la gravedad se modificará también...

Un profesor de la Universidad Hebrea de Jerusalén llamado Jacob D. Bekenstein consiguió en 1982 enunciar las leyes generales del electromagnetismo para que fueran capaces de manejar la posible inconstancia de constantes como α. La teoría de Bekenstein eleva a α de un simple número al nuevo estatus de "campo escalar", parte integrante e ingrediente dinámico de la misma estructura fundamental de la naturaleza y el universo. Pero el trabajo del hebreo no incluía a la gravedad como factor. John Barrow, junto con dos científicos del Colegio Imperial (Håvard Sandvik y João Magueijo), lograron tomarla en cuenta hace tan sólo cuatro años.

La teoría de Bekenstein modificada por Barrow, Sandvik y Magueijo (los dos últimos se han sumado al equipo de los dos John, Victor Flambaum y Michael Murphy) hace predicciones simples en apariencia: pequeñas variaciones de α de apenas unas pocas partes por millón tendrían un efecto completamente despreciable sobre la expansión del universo, por ejemplo. El motivo de esto es que el electromagnetismo gobernado por α es muchísimo más débil que la gravedad, al menos en la escala cósmica. Sin embargo, aunque los cambios en la estructura fina no afecten la expansión, ésta sí afectará el valor de α. Las modificaciones de la constante se deberán a desequilibrios entre la energía de los campos eléctricos y la de los campos magnéticos, que pueden parecer lo mismo a los ojos del profano pero que en realidad no tienen nada que ver.

Durante los primeros miles de millones de años del universo, la radiación dominó completamente a las partículas cargadas y mantuvo el balance entre los campos magnéticos y eléctricos. A medida que el universo se fue expandiendo, la radiación disminuyó y el elemento constitutivo dominante en el universo fue entonces la materia. Las energías provenientes de la electricidad y del magnetismo se volvieron desiguales, y luego comenzaron a crecer de manera increíblemente lenta, proporcional al logaritmo del tiempo.

Hace unos seis mil millones de años, la energía oscura comenzó a dominar y sólo consiguió acelerar la expansión, haciendo más difícil que cualquier influencia física se propagara a través del espacio. Este factor tuvo dos consecuencias: que la astrología no sea más que una patraña, y que α tendiera a convertirse nuevamente en una constante.


Predicción de la variación de α en las distintas edades del universo

Las predicciones de esta teoría —y no por casualidad— son totalmente coherentes con las observaciones del actual matemático de Cambridge y Miembro de la Real Sociedad John Barrow (conferencista sobre este asunto de las constantes ante auditorios tan diversos como el público del Festival de Venecia, Tony Blair o el mismísimo Papa Juan Pablo II) y del docente de la Universidad de Nueva Gales del Sur John Webb. Las líneas espectrales de los cuásares representan gráficamente el período de la historia cósmica en el cual el universo estuvo dominado por la materia. Los resultados de laboratorio y los datos estudiados en Oklo caen de lleno dentro del período de dominancia de la energía oscura, en el cual α ha permanecido constante. Los estudios sobre el efecto del cambio de α en los meteoritos es particularmente importante, porque representa el momento de transición entre los dos períodos.


Un interesante artículo escrito por John y John y publicado en Scientific American, en el cual me basé parcialmente para escribir este Zapping Especial, genera provocativas especulaciones acerca de la verdadera naturaleza íntima del universo y nuestra ceguera acerca de los cambios fundamentales que pueden ocurrir a nuestro alrededor.

Escriben los autores: "Cualquier teoría que merezca ser tomada en cuenta no debe simplemente reproducir observaciones; debe, además, hacer predicciones nuevas que se demuestren acertadas. La teoría de Bekenstein modificada dice que si cambiamos la constante de estructura fina, los objetos comenzarán a caer de modo diferente a como lo hacían antes. Galileo predijo que los objetos, aunque sean de diferentes materiales y características, caen a la misma velocidad si se encuentran en el vacío. Esto se conoce como Principio de Equivalencia Débil. Su demostración más conspicua fue cuando David Scott, tripulante de la Apolo 15, dejó caer a la vez una pluma y un martillo, que tocaron el suelo lunar exactamente al mismo tiempo. Pues bien: si α varía, el principio ya no podrá sostenerse con la misma exactitud".

El motivo de esto es que las variaciones de la constante generan una fuerza en todas las partículas cargadas del universo. Cuantos más protones posea el núcleo de un átomo, más intensamente experimentará estas fuerzas. Si las observaciones de John y John sobre la luz de los cuásares se demuestran correctas, las aceleraciones gravitacionales sobre distintos materiales comenzarán a diverger en factores como de 1 parte en 1014. Este cambio es 100 veces más pequeño que lo que podría ser medido en un laboratorio ubicado en la Tierra, pero sin duda podrá ser comprobado por misiones como la futura STEP (Space-based Test of the Equivalence Principle, Prueba basada en el Espacio del Principio de Equivalencia). Tal vez, como hemos dicho, las dos Pioneer lo estén experimentando en el preciso instante en que usted lee este Zapping.


Pero la historia no termina aquí: nos queda aún una última vuelta de tuerca que Webb y Barrow gentilmente pasan a explicarnos. "Los estudios previos omiten considerar una circunstancia vital: la distinta densidad en diversas partes del universo. Como cualquier galaxia, nuestra Vía Láctea es más de un millón de veces más densa que el promedio del universo, por lo que no se expande al mismo ritmo que el espacio vacío". Es verdad, y por eso Barrow y David F. Mota de Cambridge calcularon, hace dos años, que α tiene que haberse comportado de diferentes maneras si se la considera dentro de una galaxia o en el espacio vacío que la rodea. Dicen los investigadores: "Una vez que una joven galaxia se condensa y se acomoda en su equilibrio gravitacional, α prácticamente deja de cambiar en el interior de la galaxia, pero continúa variando su valor en el espacio intergaláctico". Es por ello que los experimentos para probar la constante adolecen de una tendencia al error cuando son efectuados en la Tierra. Webb y Barrow lo reconocen abiertamente: "Necesitamos, en consecuencia, estudiar este efecto más y mejor, para ver cómo va a afectar nuestros tests del Principio de Equivalencia Débil, porque hasta ahora no hemos podido descubrir variaciones espaciales". Desde los años 30 sabemos que la radiación de fondo es uniforme, pero Barrow ha demostrado hace algunos meses que lo es tanto que no varía más de 1 parte en 108, considerando zonas separadas por menos de 10° en el cielo.

Toda esta actividad, estos posibles cambios y todo el embrollo acerca de las constantes pueden tranquilamente, como hemos dicho, afectar toda muestra mirada sobre la ciencia y nuestra comprensión misma del universo. Hoy, los investigadores se concentran en estudiar a α mucho más que a las demás supuestas "constantes". ¿Por qué motivo? Porque es aquella cuyos efectos son más fáciles de detectar. Barrow, Webb y todos nosotros esperamos nuevos datos que descarten o confirmen sus hallazgos, aunque todo parece indicar que α en efecto está mudando de valor. Si ello se demuestra, no cabe la menor duda de que otras constantes cambian de número asimismo. Estos hechos convertirían a la ciencia misma en un asunto "más voluble que las aves", a la naturaleza en un nudo de gusanos y, posiblemente, al universo y a la realidad en sí mismos en un enigma mucho más misterioso de lo que los hombres de ciencia se atrevieron jamás a soñar ni aún en sus pesadillas más terribles.

Edgar Allan Poe escribió una vez: "¿Es verdad lo que vemos, o sólo un sueño dentro de un sueño?". Acaso este sea el misterio más profundo dentro del misterio general en que están envueltas —ahora lo comprendemos— las constantes de la física. Si, además, la teoría de las cuerdas es correcta, entonces será muy probable que el universo verdadero tenga siete dimensiones espaciotemporales, por lo que nuestra pobre visión de tres nada más se parezca a la ciega búsqueda de un cachorro que persigue un reflejo en la superficie del agua... siendo, además, que ni el agua ni el reflejo estén realmente donde él los busca.

No es malo ser un perrito; pero nos agrada más tener al menos una ilusión de control sobre el mundo en que vivimos, y, para nosotros, ese control pasa sensiblemente por la sensación de que no podemos dominarlo pero al menos lo comprendemos.

La posible variación de α amenaza este reconfortante pensamiento. Si α cambia, en verdad no conocemos nada de nuestro universo, por no hablar de los otros donde la estructura fina tiene valores diferentes.

Las constantes están por todas partes en los cálculos físicos, y nos parecen tan prosaicas que tendemos a olvidar qué tan influyentes son en realidad.

¿De dónde salieron esas constantes? Yo no puedo responder a esa pregunta, porque si pudiera, también tendría la solución a la Teoría del Campo Unificado (donde fallaron Planck y Einstein) y la respuesta definitiva al espinoso asunto del Big Crunch, de la materia oscura y de la expansión futura del universo. Si yo pudiera saber de dónde salieron las constantes, sería muy parecido a Dios y seguramente el Papado y el Premio Nobel estarían a la vuelta de la esquina para mí.

Puede que ni siquiera conozcamos a α sino sólo a su sombra tridimensional, y convengamos en que sería difícil para un oncólogo curar el cáncer de una persona si en vez del paciente le mostráramos solamente su sombra en una mala foto. ¿Sólo vemos la sombra de la realidad en una difusa foto de tonos sepia?

El tema de la posible variabilidad de las constantes es profundamente turbador para quienes, como yo, tenemos un concepto de Dios inextricablemente ligado a los valores de esas constantes: yo creo en un Creador que operó decidiendo, en el preciso momento del Big Bang, los valores que debían tomar α, la relación de masas entre protones y electrones, la Constante de Hubble, la Constante Cosmológica, la velocidad de la luz, la Constante de Planck, la Constante de Einstein y unas pocas más. Luego se olvidó del universo, sabedor de que la mera física, la evolución y su motor la selección natural conducirían al mundo, a las galaxias, a la vida y al Hombre en la dirección que debían tomar inevitablemente como consecuencia de los valores por Él establecidos. Resultados de este teórico acto divino son las Escrituras, la misma existencia de los científicos, las sinfonías, el nacimiento de cada niño y el diseño del nuevo procesador de la Playstation III. A riesgo de parecer herético, acaso la variación en el valor de α tenga un significado muy concreto: tal vez Dios se haya hartado por fin de nosotros. Es posible que, si John y John tienen razón, estemos asistiendo a los primeros conatos de un nuevo y esta vez definitivo Apocalipsis.

Para no traumatizar aún más al amable lector, culminaremos aquí este Zapping Especial, dedicado al primer millón de lectores que ha visitado esta sección, con la conclusión que nos regalan Webb y Barrow en su soberbio artículo de SciAm: "El hecho de determinar si las constantes son constantes o no, es solamente el primer paso en un camino que nos llevará a una más amplia y profunda mirada a la Última Verdad".

Sólo esperamos que no sea cierto aquello que pregonaban los agnósticos: "La única Última Verdad es que no hay ninguna Última Verdad".


MÁS DATOS:

Further Evidence for Cosmological Evolution of the Fine Structure Constant
A Simple Varying-alpha Cosmology
Limits on the time variation of the electromagnetic fine-structure constant in the low energy limit from absorption lines in the spectra of distant quasars
Speed of Light, Other Constants May Change
Inconstant Constants: Do the inner workings of nature change with time?
Laboratory spectroscopy and the search for space-time variation of the fine structure constant using QSO spectra

(Traducido, adaptado y ampliado por Marcelo Dos Santos de SciAm y diversos documentos y sitios de Internet)


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