¿Estamos solos en el universo? ¿Es el universo infinito? Veamos los misterios más importantes del cosmos, para los que la ciencia no ha recibido una respuesta clara, al menos de momento.
El espacio ha fascinado a la humanidad desde la antigüedad. El cielo, repleto de estrellas, planetas, cometas y otros fenómenos, despierta nuestra curiosidad y admiración. También nos interesan los misterios de nuestro origen y existencia, los agujeros negros y la materia oscura. Al mismo tiempo, el universo esconde muchos misterios para los que no tenemos respuesta. Sugiero familiarizarse con algunos de estos misterios.
¿Estamos solos en el universo?
Ésta es una de las cuestiones más antiguas y fundamentales de la existencia humana. ¿Hay vida más allá de la Tierra? ¿Son inteligentes estas formas de vida y podemos comunicarnos con ellas? ¿Cómo es la vida y cómo se desarrolla fuera de nuestro planeta? ¿Cuáles son las posibilidades de conocer otras civilizaciones? No tenemos respuestas a estas preguntas, aunque existen diversas hipótesis y proyectos de investigación. Por ejemplo, basándose en la ecuación de Drake, los científicos están tratando de determinar el número de civilizaciones potenciales en nuestra galaxia, y el programa SETI (Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre) busca señales de radio desde el espacio. Sin embargo, hasta ahora no hemos encontrado evidencia de vida más allá de nuestro planeta. Aunque esto puede significar que es muy raro o muy difícil de detectar.
Uno de los argumentos a favor de la existencia de vida en el universo es su enorme tamaño y diversidad. Según las estimaciones actuales, nuestra galaxia contiene alrededor de 100 mil millones de estrellas, y todo el universo que podemos observar actualmente tiene alrededor de 100 mil millones de galaxias. Los científicos predicen que al menos 10 mil millones de planetas en la Vía Láctea tienen el tamaño de la Tierra y se encuentran en la zona habitable de su estrella. Es decir, a una distancia que permita que exista agua en la superficie en estado líquido. Algunos de estos planetas pueden tener condiciones similares a las nuestras, o pueden ser completamente diferentes, pero aún así favorables para la vida. También es posible que la vida extraterrestre pueda soportar condiciones que nos resultan hostiles o completamente diferentes a las de la Tierra.
Otro argumento a favor de la existencia de vida en el universo es su extraordinaria capacidad de adaptación y evolución. Los científicos creen que la vida apareció en la Tierra hace unos 3.500 millones de años y desde entonces ha evolucionado de manera asombrosa, creando millones de especies de plantas y animales de todas las formas, tamaños y habilidades. La vida en la Tierra ha sobrevivido a muchos cataclismos y cambios climáticos, adaptándose a nuevas condiciones. Esto está sucediendo incluso ahora en entornos tan extremos como aguas termales, cuencas oceánicas profundas o glaciares árticos. Si la vida en la Tierra es tan flexible y resistente, ¿por qué no debería ser igual en otros lugares?
¿Qué pasó antes del Big Bang?
Según la teoría cosmológica actualmente dominante, el universo se formó hace unos 14 mil millones de años como resultado del Big Bang. Fue un momento en el que toda la materia y la energía estaban concentradas en un punto infinitesimal de densidad y temperatura infinitas. Como resultado de la explosión, comenzó la rápida expansión y enfriamiento del universo, que continúa hasta el día de hoy. Pero ¿qué pasó antes del Big Bang? ¿Existió otro universo? ¿Fue el Big Bang un evento único o parte de un ciclo? No tenemos respuestas a estas preguntas porque la física clásica no puede describir el estado del universo antes del Big Bang. Sin embargo, existen varias hipótesis que se basan en las teorías cuánticas.
Una de ellas es la llamada hipótesis de la singularidad inicial. Se supone que antes del Big Bang no había nada: ni tiempo, ni espacio, ni materia. Todo esto se formó sólo en el momento de la explosión desde un punto de tamaño cero y densidad infinita.
Otra hipótesis es la llamada inflación eterna. Se supone que antes del Big Bang existía un campo cuántico de muy alta energía que se expandía a un ritmo cada vez mayor. Este campo era inestable y propenso a fluctuaciones cuánticas. En varios lugares del campo, las transiciones a un estado de menor energía se produjeron de forma caótica, creando burbujas de espacio con sus propias leyes de la física. Cada una de esas burbujas podría convertirse en el comienzo de otro universo. Nuestro universo sería una de esas burbujas que se formó hace unos 14 mil millones de años.
Otro supuesto es la llamada hipótesis del gran rebote. Se supone que antes del Big Bang hubo otro universo que se contrajo y alcanzó su tamaño mínimo. Luego hubo un rebote y comenzó una nueva fase de expansión, y esos ciclos de contracción y expansión del universo pueden repetirse indefinidamente. Esta hipótesis se basa en la teoría de la gravedad cuántica de bucles, que intenta conciliar la mecánica cuántica con la teoría general de la relatividad de Einstein.
Como puedes ver, la pregunta de qué pasó antes del Big Bang no tiene una respuesta sencilla. Quizás nunca lo sepamos, o quizás tengamos que cambiar nuestras concepciones del tiempo y el espacio para encontrar la respuesta. Aunque la humanidad ya ha demostrado que puede sorprender.
¿Cómo se originó la vida?
La vida es una de las mayores maravillas del universo. Los organismos capaces de crecer, reproducirse, adaptarse y evolucionar surgieron de la materia inanimada. Pero, ¿cómo ha pasado? ¿Cómo surgieron las primeras células a partir de moléculas orgánicas simples y cómo evolucionaron todas las formas de vida en la Tierra a partir de ellas? Aún no tenemos respuestas definitivas a estas preguntas, aunque existen diversas teorías e hipótesis sobre el origen de la vida. Algunos de ellos se basan en experimentos y observaciones, otros en ficciones y conjeturas.
Una de las teorías es la llamada hipótesis del caldo primario. Se supone que la vida se originó en los océanos de la Tierra primitiva, donde había moléculas orgánicas simples como aminoácidos, polipéptidos, bases nitrogenadas y nucleótidos. Estos compuestos podrían sintetizarse en la atmósfera bajo la influencia de descargas eléctricas o rayos cósmicos, para luego ingresar a los océanos. Allí podrían combinarse para formar estructuras más grandes, como proteínas o ácidos nucleicos. Con el tiempo, sobre la base de la selección natural, podrían aparecer los primeros sistemas de autorreproducción.
La llamada hipótesis de la arcilla sugiere que la vida se originó en tierras donde había minerales de aluminosilicato con estructura cristalina. Estos minerales podrían servir como catalizadores y plantillas para la creación y organización de moléculas orgánicas. En la superficie de la arcilla se podrían formar capas de proteínas y ácidos nucleicos, a partir de las cuales se podrían formar las primeras células rodeadas por membranas lipídicas.
Otra teoría es la hipótesis de los llamados manantiales hidrotermales. Se supone que la vida se originó en el fondo del océano, en cráteres hidrotermales, de donde emerge agua caliente, rica en minerales y compuestos de azufre. En un entorno así se pueden formar moléculas orgánicas simples y gradientes térmicos y químicos que favorecen reacciones bioquímicas. Las primeras células protegidas de las condiciones externas pueden haberse formado en las grietas de las rocas o en los microporos de la chimenea.
Hay muchas teorías e hipótesis similares, pero ninguna de ellas ha sido probada de manera concluyente. La cuestión de la creación de la vida sigue abierta. ¿O tal vez fuimos reubicados, por ejemplo, desde Marte o Venus? ¿Podríamos haber sido creados a partir de alguna materia o energía oscura?
¿Qué es la materia oscura y la energía oscura?
Las observaciones astronómicas muestran que la materia ordinaria (átomos, partículas, planetas, estrellas, etc.) constituye sólo alrededor del 5% de la masa y la energía del universo. El resto es materia oscura (alrededor del 27%) y energía oscura (alrededor del 68%). La materia oscura es invisible porque no absorbe ni refleja la radiación electromagnética, pero tiene una interacción gravitacional con otros objetos, sin la cual las galaxias no podrían mantenerse unidas y se desintegrarían bajo la influencia de la rotación. La energía oscura es una fuerza misteriosa que acelera la expansión del universo y contrarresta la gravedad. Sin embargo, no sabemos exactamente qué son la materia y la energía oscuras, ni cómo se formaron.
Sabemos que la materia oscura existe porque la cantidad de materia ordinaria, es decir, formada por átomos o iones, en el universo es demasiado pequeña para generar las interacciones gravitacionales que observamos. ¿Por qué menciono la gravedad aquí? Porque es una manifestación de la existencia de la materia. En términos simples, la materia tiene una masa capaz de ejercer una influencia gravitacional específica sobre su entorno. Si consideramos cada galaxia, estrella, nube de polvo en el espacio interestelar, es decir, toda la materia ordinaria que conocemos en el universo, observaremos muchas más interacciones gravitacionales de las que esa cantidad de materia puede crear. Entonces debe haber algo más que explique el exceso de gravedad.
Si hay un efecto, debe haber una causa. Este es uno de los principios absolutamente fundamentales en la ciencia y la observación del mundo circundante, que ayuda a sacar conclusiones, descubrimientos y es una de las mejores guías en la búsqueda de posibles respuestas a las preguntas que apasionan a la ciencia. Sabemos de la existencia de materia oscura gracias a una teoría que describe cómo la materia oscura afecta la velocidad de rotación de las estrellas en los brazos de la Vía Láctea. Se estima que en nuestra parte de la galaxia, que probablemente ocupa un espacio comparable al tamaño de la Tierra, debería haber sólo entre 0,4 y 1 kg de materia oscura.
La suposición de que existe materia oscura es ahora la explicación dominante de las anomalías de rotación galáctica que observamos y del movimiento de las galaxias en cúmulos. Es decir, las observaciones de galaxias prueban la existencia de materia oscura.
Pasemos ahora a la energía oscura. Es significativamente diferente de la materia oscura. Sabemos que su influencia debe ser repulsiva, conduciendo a una expansión acelerada del universo. Esta aceleración se puede medir mediante observaciones, porque las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia.
Entonces, nuevamente, tenemos un efecto, por lo que debe haber una causa. Todas las mediciones actuales confirman que el universo se está expandiendo cada vez más rápido. Junto con otros datos científicos, esto permitió confirmar la existencia de energía oscura y dar una estimación de su cantidad en el universo. Debido a esta propiedad repulsiva, la energía oscura también puede considerarse “antigravedad”.
¿Cuál es la diferencia entre materia oscura y energía oscura? A pesar de su nombre similar, es un error pensar en la energía oscura como algo que se relaciona con otros tipos de energía conocidos, de la misma manera que la materia oscura se relaciona con la materia ordinaria. Además, la materia oscura y la energía oscura tienen efectos completamente diferentes en el universo.
¿Es posible viajar en el tiempo?
Viajar en el tiempo es el sueño de muchas personas, por eso vemos muchas obras literarias y películas sobre este tema. ¿Pero es físicamente posible? Según la teoría de la relatividad de Einstein, el tiempo no es constante ni absoluto, sino que depende de la velocidad del observador y de la fuerza de gravedad. Cuanto más rápido nos movemos, o cuanto más fuerte es el campo gravitacional, más lento pasa el tiempo para nosotros. Esto significa que viajar al futuro es posible si alcanzamos una velocidad muy alta o nos acercamos a un objeto muy masivo. Por ejemplo, el tiempo pasa un poco más lento para un astronauta en la órbita terrestre que para una persona en la superficie del planeta. Sin embargo, esta diferencia es demasiado pequeña para notarse. Para poder viajar hacia el futuro, tendríamos que viajar a velocidades cercanas a la de la luz o estar cerca de un agujero negro. Sin embargo, ambas opciones están más allá de nuestras capacidades técnicas.
El viaje al pasado es aún más complicado y controvertido. Parece imposible, porque está prohibido por algunas leyes físicas. Algunas teorías, sin embargo, permiten la existencia de las llamadas curvas temporales cerradas, es decir, trayectorias en el espacio-tiempo, ciclos en el tiempo que regresan al mismo punto. Estos caminos podrían permitirnos viajar en el tiempo, pero requerirían condiciones muy inusuales, como un agujero de gusano o un agujero negro giratorio.
En teoría, los agujeros negros pueden girar, y este fenómeno se denomina “agujero negro giratorio” o “agujero negro de Kerr”. En 1963, el físico estadounidense Roy Kerr propuso un modelo matemático de un agujero negro que gira alrededor de su eje.
Sin embargo, no sabemos si tales objetos existen y si son estables. Además, viajar al pasado da lugar a muchas paradojas lógicas y contradicciones causales, por ejemplo, la paradoja del abuelo: ¿qué pasará si un viajero en el tiempo mata a su abuelo incluso antes del nacimiento de su padre? Algunos científicos intentan explicar estas paradojas sugiriendo la existencia de múltiples mundos o la autorrenovación del espacio-tiempo.
¿Existen universos paralelos?
¿Es nuestro universo único o es parte de una estructura mayor, el llamado multiverso? ¿Existen otros universos donde la historia y la física podrían resultar diferentes? ¿Podemos interactuar o visitar estos mundos? Estas son preguntas que conciernen no sólo a los científicos, sino también a los escritores y directores de fotografía. Existen varias hipótesis sobre la existencia de universos paralelos, como la teoría de cuerdas, la teoría de la inflación eterna y la interpretación del multiverso por parte de la mecánica cuántica. Sin embargo, ninguno de ellos ha sido confirmado ni mediante observaciones ni experimentalmente.
Una de las hipótesis es la teoría de cuerdas, que supone que los objetos físicos básicos no son partículas puntuales, sino cuerdas unidimensionales que oscilan en un espacio de diez dimensiones. La teoría de cuerdas permite la existencia de branas (membranas) hipotéticas, que son objetos multidimensionales hechos de cuerdas. Nuestro universo puede ser una brana similar, suspendida en una dimensión superior. También es posible que existan otras branas separadas de la nuestra por poca distancia. Si las dos branas chocaran entre sí, podrían provocar el Big Bang y crear un nuevo universo.
Otra hipótesis es la inflación eterna, que se mencionó anteriormente. Está asociado a un campo cuántico de muy alta energía, que se expande a un ritmo cada vez mayor.
Una hipótesis interesante es la interpretación del multiverso por parte de la mecánica cuántica, que sugiere que cada medición cuántica conduce a una ramificación del universo en muchos resultados posibles. Por ejemplo, si mides la posición de un electrón en un átomo de hidrógeno, puedes obtener diferentes valores con cierta probabilidad. Tal interpretación del multiverso sugiere que cada una de estas dimensiones se realiza en otro universo y que nos duplicamos con cada dimensión. De esta forma se crea una infinidad de universos paralelos, que se diferencian entre sí en pequeños detalles o historias completamente diferentes.
¿Qué sucede dentro de los agujeros negros?
Los agujeros negros son objetos cósmicos con una densidad y una fuerza gravitacional tan elevadas que nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz. Se forman como resultado del colapso de los núcleos de estrellas moribundas o de la fusión de agujeros negros más pequeños. Alrededor de cada agujero negro hay un límite llamado horizonte de sucesos, que marca el punto de no retorno para cualquier cosa que se acerque a él. Pero ¿qué está pasando más allá del horizonte de sucesos? ¿Qué hay dentro de un agujero negro? No tenemos respuestas a estas preguntas porque la física clásica no puede describir las condiciones y procesos dentro de un agujero negro. Sin embargo, son posibles varias hipótesis basadas en teorías cuánticas o alternativas.
Uno de esos supuestos es la hipótesis de la singularidad. Dice que toda la materia y energía dentro de un agujero negro está concentrada en un solo punto de volumen cero y densidad y curvatura espacio-temporal infinitas. En ese momento, todas las leyes conocidas de la física dejan de aplicarse y no sabemos qué está sucediendo allí.
La hipótesis de la estrella de Planck predice que en lo profundo de un agujero negro, la materia no se comprime en una singularidad, sino en un estado de densidad y temperatura extremadamente altas, en el que operan las leyes de la gravedad cuántica (una combinación de mecánica cuántica y relatividad general). En este estado, la materia podría rebotar entre sí y formar un objeto esférico con un radio cercano a la longitud de Planck, la longitud más pequeña posible en física. Su valor es increíblemente pequeño: 20 órdenes de magnitud menor que el tamaño de un núcleo atómico. Un objeto así puede emitir radiación de Hawking (fluctuaciones cuánticas por encima del horizonte de sucesos) y perder gradualmente masa y energía hasta explotar y liberar todo el contenido del agujero negro.
Otra idea es la llamada hipótesis gravastar. Se supone que hay una capa de materia exótica con presión negativa en el límite del horizonte de sucesos, lo que evita que el interior del agujero negro colapse en una singularidad. En este caso, el interior del agujero negro sería un espacio vacío con densidad constante y temperatura cero. Una estructura así sería estable y no emitiría radiación de Hawking.
¿Tiene el universo un fin?
El universo es infinito y no tiene límites: ésta es la respuesta más sencilla a esta pregunta. Pero, ¿qué significa esto realmente y cómo podemos estar seguros? Hay tres escenarios posibles: el universo es ilimitado, finito y cerrado (como una esfera o un toro), el universo es finito y abierto (como una silla de montar), o el universo es infinito y plano. Tampoco sabemos qué sucede más allá del horizonte de sucesos, el límite del universo observable que resulta de la velocidad finita de la luz.
Comencemos con lo que sabemos con certeza. Sabemos que el universo se está expandiendo, lo que significa que las distancias entre galaxias aumentan constantemente. También sabemos que el universo tiene unos 13.800 millones de años y que se formó en el Big Bang, un estado de densidad y temperatura extremas que dio lugar a la materia, la energía, el tiempo y el espacio.
Pero ¿qué pasó antes del Big Bang? ¿Y qué hay más allá del horizonte de sucesos, el límite del universo observable, más allá del cual no podemos ver nada debido a la velocidad limitada de la luz? ¿Existe un fin del universo o una barrera?
Los científicos creen que esto es poco probable. No hay evidencia de tal fin o barrera. En cambio, el modelo más aceptable es aquel en el que el universo es homogéneo e isotrópico, es decir, igual en todas las direcciones y ubicaciones. Un universo así no tiene borde ni centro y puede tener un tamaño infinito.
Por supuesto, no podemos probar esto directamente porque no podemos viajar más rápido que la luz ni ir más allá del universo observable. Pero podemos inferir las propiedades del universo entero a partir de lo que vemos a nuestro alcance. Y todas las observaciones indican que el universo es homogéneo a gran escala.
Esto no significa que no haya otras opciones. Algunas teorías alternativas sugieren que el universo puede ser curvo o tener una forma geométrica compleja. También puede ser parte de una estructura más grande o tener múltiples copias o reflejos.
¿Existe alguna manera de viajar más rápido que la luz?
El movimiento más rápido que la luz es la posibilidad hipotética de que la materia o la información se muevan más rápido que la velocidad de la luz en el vacío, que es de unos 300.000 km/s. La teoría de la relatividad de Einstein predice que sólo las partículas con masa en reposo cero (como los fotones) pueden viajar a la velocidad de la luz, y que nada puede viajar más rápido. Se asumió la posibilidad de la existencia de partículas con una velocidad superior a la de la luz (taquiones), pero su existencia violaría el principio de causalidad y supondría un desplazamiento en el tiempo. Los científicos aún no han llegado a un consenso sobre este tema.
Sin embargo, se ha sugerido que algunas regiones distorsionadas del espacio-tiempo pueden permitir que la materia llegue a lugares distantes en menos tiempo que la luz en el espacio-tiempo normal (“no distorsionado”). Estas áreas “aparentes” o “efectivas” del espacio-tiempo no están excluidas por la relatividad general, pero su verosimilitud física no está actualmente confirmada. Algunos ejemplos son el motor de Alcubierre, los tubos de Krasnikov, los agujeros de gusano y los túneles cuánticos.
Las consecuencias de los viajes más rápidos que la luz, según nuestro nivel de conocimiento sobre el espacio, son difíciles de predecir porque requieren nueva física y experimentos. Una posible consecuencia sería la posibilidad de viajes en el tiempo y paradojas lógicas relacionadas con la causalidad. Otra consecuencia puede ser la posibilidad de estudiar estrellas y planetas distantes durante la vida de una persona. Por ejemplo, la estrella más cercana fuera del Sistema Solar, Próxima Centauri, está a unos 4,25 años luz de distancia. Viajar a la velocidad de la luz tomaría sólo 4 años y 3 meses, y viajar más rápido que la luz tomaría incluso menos tiempo.
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¿Dónde desaparecen los planetas? ¿Qué les está pasando?
Los planetas perdidos son objetos hipotéticos del sistema solar, cuya existencia no ha sido confirmada, pero se ha realizado en base a observaciones científicas. Hoy en día existen suposiciones científicas sobre la posibilidad de la existencia de planetas desconocidos que pueden estar más allá de nuestro conocimiento actual.
Uno de esos planetas hipotéticos es Phaeton, o el planeta de Olbers, que podría haber existido entre las órbitas de Marte y Júpiter, y su destrucción habría dado lugar a la formación de un cinturón de asteroides (incluido el planeta enano Ceres). Actualmente, esta hipótesis se considera poco probable porque el cinturón de asteroides tiene una masa demasiado baja para haberse originado a partir de la explosión de un planeta grande. En 2018, investigadores de la Universidad de Florida descubrieron que el cinturón de asteroides se formó a partir de fragmentos de al menos cinco o seis objetos del tamaño de un planeta, en lugar de un solo planeta.
Otro planeta hipotético es el Planeta V, que, según John Chambers y Jack Lisso, alguna vez existió entre Marte y el cinturón de asteroides. La suposición sobre la existencia de tal planeta se basó en simulaciones por computadora. El Planeta V pudo haber sido responsable del Gran Bombardeo ocurrido hace unos 4 mil millones de años, que creó numerosos cráteres de impacto en la Luna y otros cuerpos del Sistema Solar.
También existen diversas hipótesis sobre planetas más allá de Neptuno, como el Planeta Nueve, el Planeta X, Tyche y otros, que intentan explicar la existencia de aparentes anomalías en las órbitas de algunos objetos transneptunianos distantes. Sin embargo, ninguno de estos planetas ha sido observado directamente y su existencia aún es discutible. Aunque los científicos todavía están intentando estudiar el espacio entre Marte y Júpiter, más allá de Neptuno. Quizás más adelante tengamos nuevas hipótesis y descubrimientos.
Siempre ha sido importante para la humanidad conocer las respuestas sobre el cosmos, sobre la Tierra y sobre sí misma. Pero hasta ahora nuestro conocimiento es limitado, aunque los científicos no se quedan quietos, tratando de encontrar respuestas y abriendo nuevos caminos hacia el espacio exterior. Porque debe haber una respuesta a cualquier pregunta o acertijo. Así está organizado el hombre, así está organizado el Universo.
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