El naixement de l’univers

Breu referència bíblica

Al Llibre del Gènesi de la Bíblia hi llegim que Déu va crear el món en set dies. Aquesta descripció, encara que bastant precisa en alguns detalls, és força esquemàtica. Reflecteix la idea que, en el principi, partint del no-res, o millor dit, d’una “energia”: el “verb”, la “paraula” –que la Bíblia diu literalment que era el mateix Déu– aquest construí l’univers que veiem ara (Fig. 1).

Es tracta, per començar, d’una visió bastant estàtica i un xic mecanicista –encara que a gran escala– i que al final dona per acabada l’obra. L'evolució de l'univers mateix, tant la passada com la que encara continua avui dia, no es té prou en compte. Cal observar, però, que en la creació bíblica del món hi ha a més un altre punt cabdal, molt decisiu: el d’insuflar la vida i la consciència a Adam, un petit munt d’argila, i després a Eva, la seva companya. No tractaré aquí aquest darrer tema, que és d’una complexitat extraordinària i s’investiga per altres camins.

Així que tancarem ja aquesta breu introducció. No ens toca endinsar-nos en la descripció bíblica, ni tampoc criticar-la. Alguns la consideren com un pur relat poètic, heretat d’altres cultures més antigues; però té certament alguns punts de contacte fascinants amb la visió molt més precisa que ens dona la ciència avui. És aquesta última la que tractaré seguidament, de manera amena, però, al mateix temps, amb tot el rigor que aporta el que fins ara hem descobert.

He de fer l’advertència (per als seguidors del blog) que moltes de les coses que aquí resumiré les podeu trobar, i amb més detall, en entrades anteriors i a les referències que dono al final. Em sento satisfet en especial dels articles que he escrit prèviament a Divulcat sobre alguns d’aquests punts. A la present entrada li donaré un enfocament més concret, breu i precís, directament dirigit al fons de la qüestió plantejada. És, d'altra banda, la transcripció d'una xerrada recent que vaig donar al Festival de la Ciència de Barcelona, a la Rambla del Raval. Una iniciativa magnífica per despertar l’interès i la passió per la ciència, que tant es troben a faltar en la nostra societat.

La singularitat del big-bang i els infinits a dojo

La teoria tradicional del big-bang (BB) fa servir la relativitat general (RG) per descriure l’univers i, en particular, el seu origen; això és, l’origen de TOT. El primer gran problema és que aquesta magnífica teoria, realment meravellosa, excepcional (no es troben adjectius per poder qualificar-la com caldria) no serveix en absolut per estudiar l’univers quan aquest era molt i molt petit, no diguem ja el seu origen. A un nivell molt més entenedor, el nivell atòmic, que és més "proper" a nosaltres, se sap des de fa molts anys que és absurd fer servir la RG per tal de descriure els àtoms, i molt menys els seus nuclis (ordres de magnitud més petits). Els físics i físiques en som ben conscients d’aquest detall, des de fa un segle! (Fig. 2)

I ara pensem una mica, si us plau. La conseqüència immediata del que estic dient és que tot això que s’escriu arreu sobre la singularitat inicial, sobre un univers primitiu de densitat i temperatura infinites, i altres perles per l’estil –amb les que tants presumptes "entesos" ens pretenen deixar amb la boca oberta– són pures extrapolacions matemàtiques sense cap sentit físic. Cosa que podem comprovar de mil maneres, a part de la que ja he esmentat. Al món real, a la naturalesa, no n’hi ha, d’infinits! Tots els que han aparegut en tantes ocasions i a diverses èpoques, tots els que surten a les formulacions matemàtiques de la realitat física, intentant descriure-la –com les equacions d’Einstein, les de Newton o les de l'electrodinàmica– són sempre artefactes matemàtics; només apareixen perquè les equacions són, en determinades circumstàncies, poc precises o fins i tot inapropiades per descriure el món real.

Es dona el cas que, aquí on em veieu, jo soc, de fet, un seriós especialista en l’infinit. Bé, tot sigui dit, en alguns aspectes de l’infinit, ja que aquest té moltíssimes cares. Tantes, que més d'un matemàtic, com el gran Georg Cantor, que va dedicar gran part de la seva vida a estudiar-lo i avançà enormement en el seu coneixement, al final es va tornar boig, tal com sona. Un altre matemàtic insigne, Leonard Euler, estava convençut que totes les sèries infinites tenien sentit i que amb algun criteri raonable se’ls podia assignar sempre un valor finit. Per posar un exemple, a la sèrie infinita més senzilla, 1+1+1+..., li correspon el valor -1/2. I resulta que, quan les teories físiques més avançades s'apropien i fan un bon ús de tal descobriment, aquesta aparent "bogeria" adquireix un valor enorme a l´hora de descriure amb extraordinària precisió els fenòmens del món real.

Anant més enllà, és un fet que els horribles infinits que van aparèixer a les teories quàntiques de camps als anys 30 del segle passat –i que van portar de cap els més grans físics d’aquella època– tots aquells infinits es van poder renormalitzar mitjançant una teoria preciosa que rebé aquest mateix nom: la teoria de la renormalització. Aquesta gran troballa va ser reconeguda amb el premi Nobel, atorgat als seus descobridors i també als qui, més tard, la van aplicar a molt diverses situacions de la física. En definitiva i resumint breument la qüestió (el temps no em sobra): no n’hi ha, d’infinits a la física, al món real. Això hauria de quedar molt clar, d’una vegada per totes. Aquesta és la lliçó extremadament valuosa que hauríem d’aprendre avui: tots els infinits que apareixen, sigui on sigui, són sempre deguts a extrapolacions matemàtiques que es fan més enllà de l'àmbit de validesa de les equacions, i no corresponen a la realitat física.

Tornant al cas concret de la RG, les singularitats que sorgeixen a l’origen de l’univers, i en cada un dels incomptables forats negres que hi ha al cosmos, no són reals. I això, per molt que llegim a les grans enciclopèdies i llibres de text que són, tots ells, resultats matemàticament rigorosos, teoremes sense cap fissura demostrats per les ments més brillants, com Einstein, Hawking o Penrose. Tot això darrer és ben cert: són resultats rigorosos de genis excepcionals obtinguts per la més gran de les teories, la RG. Però resulta que hi ha un taló d’Aquil·les: com he dit abans, aquesta teoria, la RG, no és aplicable, no serveix per a res a escales molt petites; ja que entrem allí en un domini en què la RG deixa de ser vàlida. De fet, només cal corregir-la una mica, afegint a les fórmules un polsim de física quàntica (en llenguatge més tècnic: correccions quàntiques de primer ordre) i tots aquests infinits desapareixen de sobte, com per art de màgia.

La pregunta és ara òbvia: eren aquests grans científics –quan van proposar els seus rigorosos teoremes– conscients de les limitacions que acabo d'indicar? La resposta és que sí, i del tot. Només calia anar a la pàgina web de Stephen Hawking per veure-hi clarament explicat el que he dit aquí. Ell va ser precisament un dels primers a afegir les correccions quàntiques de què he parlat les quals, per al cas d'un forat negre, el van portar a trobar el famós efecte Hawking, el descobriment més important de tota la seva vida (llegiu "Homenatge a Stephen Hawking", l'article al blog que li vaig dedicar). Però aquesta "segona part" dels teoremes, la que té a veure amb les limitacions de la RG, tot just la trobareu explicada en ben pocs llocs.

Si us plau, a partir d’ara, no us deixeu entabanar mai més per aquests relats "a mitges", o pseudocientífics, que només busquen el que els francesos en diuen épater les bourgeois amb infinits i singularitats a dojo. Avui dia, sembla que si no hi ha una gran espectacularitat en el que es diu no hi ha crònica o article, perquè aquest no té sortida; si no es capta l’atenció del lector o espectadora amb quelcom molt grandiloqüent, no hi ha negoci.

El començament: inflació

Dit això, a partir d’ara em centraré en el que sí que se sap, sigui per evidències molt precises d’experiments de laboratori o per les observacions cada cop més acurades dels objectes celestes. Se sap, per començar, que el nostre univers va néixer fa 13.780 milions d'anys, ja que, per molt que s'han fet observacions del cel amb cura, mai no s'ha trobat cap objecte més vell; cosa que ja indica directament que el nostre univers va haver de néixer llavors. Però també hi ha altres evidències, independents entre sí, d’aquest fet.

I també se sap que, poc després del seu origen (quan tenia entre una bilionèsima i una milionèsima de segon), l’univers era tot ell un plasma molt calent, format per leptons, quarks i gluons. Se l'anomena el plasma primordial o el quark-gluon plasma. Els leptons són les partícules elementals més lleugeres, els quarks els components més simples de les partícules elementals no lleugeres (no leptòniques) i els gluons les forces d’interacció que els mantenen units per formar mesons (partícules de massa intermèdia, formades per dos quarks) i barions (les partícules més pesades, que en tenen tres). I s'han determinat molt bé les propietats d’aquest plasma primigeni. Però, com dimonis es va arribar a formar? I a partir de què?

Això ja no es té tan clar, però s’acumulen les evidències que indiquen que va ser com a conseqüència d’una expansió molt poderosa que va inflar enormement l'espai, com si es tractés d’un globus (el radi del qual seria el temps). Això és el que diu, a grans trets, la teoria cosmològica del big-bang, que pràcticament tots els cosmòlegs i físics teòrics avalen (i que no s'ha de confondre mai amb la singularitat del big-bang).

L'evidència que sustenta aquesta teoria és molt àmplia i precisa. S'ha descobert i estudiat amb molta cura l’empremta tèrmica del plasma primigeni, la radiació còsmica del fons de microones (CMB) que impregna l'univers. La teoria explica també la composició actual d'aquest, així com molts altres fenòmens. En resum, es tracta d’una teoria molt exitosa. Però resulta que, fa pocs anys, hom va descobrir que l'univers s'està expandint a un ritme cada cop més veloç. Això sí que ha generat un gran misteri que la teoria del BB no aconsegueix explicar de manera convincent.

A més, seguim preguntant-nos encara: Què va passar exactament quan va néixer el nostre univers? I com va anar prenent la forma que ara té?

No hi ha avui dia una teoria física vàlida per descriure l’origen de l’univers. Només unes poques propostes plausibles, i hem de concloure que, a hores d’ara, l’inici de l'univers segueix sent bastant tèrbol. Les més avançades idees científiques amb cap i peus, però encara no comprovades al laboratori, permeten arribar a quan el cosmos tenia tan sols 10^-36 segons. Això és, una trilionèsima d'una trilionèsima de segon, després de l’inici de tot.

En aquell moment, l'univers va experimentar una etapa d'inflació extremadament breu i dramàtica, expandint-se molt més de pressa que la velocitat de la llum. Va duplicar la seva mida potser fins a 100 vegades, o més, en una petitíssima fracció de segon. La seva temperatura baixà de 10²⁷ fins a 10²² K.

Aquí cal fer un incís. Podria semblar que la inflació viola la teoria de la relativitat especial, però no ho fa. De fet, la relativitat sosté que no es pot transportar ni informació ni matèria entre dos punts de l'espai a més velocitat que la de la llum. Però la inflació va ser només una expansió del propi espai en si, i no hi va haver cap transport.

Abans de la inflació no hi havia gairebé res; tan sols uns minsos ingredients, els necessaris per engegar-ho tot: el mateix espaitemps, el camp de Higgs, el camp que s’anomena inflató, etc. No hi ha cap evidència científica sobre com aquests van aparèixer. Però el que sí que sembla bastant clar és que es va necessitar alguna cosa com la inflació per engrandir sobtadament l'univers i així poder dotar-lo de les propietats que ara s'observen.

Aquest univers en ràpida expansió era pràcticament buit de matèria, però, d’acord amb la teoria més acceptada, albergava grans quantitats d'energia fosca. I aquesta és, precisament, la força misteriosa que molts científics creuen que també està impulsant l'actual expansió accelerada del cosmos.

El reescalfament

L’energia fosca va produir la inflació i quan, després d’un breu instant, aquesta es va aturar, aquella energia es transformà en matèria ordinària i en radiació, mitjançant un procés anomenat reescalfament. L’univers, que havia quedat molt fred durant la inflació, es va escalfar fins a assolir una temperatura altre cop molt alta (d'uns 10²⁵ K) i quedà constituït en un plasma primigeni, format per leptons, quarks i gluons, que són els components més elementals de tota la matèria que veiem ara. Amb tot, no hi ha una evidència científica clara sobre com va aparèixer la inflació.

Inflació o univers cíclic?

Gran part dels cosmòlegs consideren que la inflació és ara per ara la teoria més adient per explicar les característiques actuals de l'univers; en particular, el fet que és, a escales grans, molt pla i homogeni, amb si fa no fa la mateixa quantitat de matèria repartida per igual en totes les direccions. Diverses evidències apunten que la inflació va ocórrer de debò, però no n'hi ha encara cap prova concloent, definitiva.

Tanmateix, no es poden descartar altres models teòrics alternatius, com l’anomenat model cíclic, que recorda el concepte d’univers ekpiròtic dels filòsofs estoics. Sosté que l’univers no va sorgir d'un punt, del no-res, sinó que més aviat va rebotar cap a l'expansió –a un ritme molt més tranquil del que prediu la teoria de la inflació– a partir d'un univers preexistent que s'hauria anat refredant i després contraient. Si aquesta teoria és la correcta, el nostre univers hauria patit una successió indeterminada d’expansions i contraccions.

El model cíclic planteja que de fet l'univers té onze dimensions, només quatre de les quals podem observar (la brana espaitemps). Podria haver-hi altres branes a l'aguait, a l'espai d'onze dimensions, i una col·lisió entre dues branes podria haver sacsejat el cosmos portant-lo de la fase de contracció a la d'expansió i estimulant la radiació CMB que detectem –d’acord amb el que ara veurem– i que coincidiria amb la del model de BB.

L'univers que coneixem pren forma

Just després de la inflació, l'univers era un plasma primigeni molt dens, fosc i calent. Quan tenia al voltant d’una bilionèsima de segon (10^-12 s) va entrar en la que s'anomena fase electrofeble, en la qual hi havia presents bosons, vectorials i escalars, sense massa. Poc després, els fotons es van formar, a partir dels primers, i el bosó de Higgs va adquirir massa i, seguidament, la va proporcionar a la resta dels bosons; tot això en perfecte acord amb la teoria quàntica de camps electrofeble. L’univers tenia aleshores uns 300 segons llum d’extensió (comparable a la distància entre el Sol i Venus).

Amb el pas del temps es va seguir refredant, fins que va entrar en l’etapa, ja esmentada abans, en què es formaren els quarks i gluons. Quan el cosmos tenia un microsegon (10^-6 s), a partir dels quarks i gluons es van ja poder constituir els primers protons i neutrons i, en molta major proporció encara, també els primers mesons (muons i pions, fonamentalment). A més a més, les seves corresponents antipartícules, encara que la producció d’aquestes va quedar molt aviat frenada per una asimetria providencial (asimetria bariònica), que encara no s'ha aconseguit explicar del tot.

Tot això que he dit s’ha pogut reproduir fidelment als laboratoris d’altes energies com el LHC al CERN (que, de fet, pot arribar fins als 10^-15 s) i als grans col·lisionadors d'ions pesats. Quan el cosmos va tenir un segon d'existència, els neutrins aconseguiren alliberar-se de la sopa primigènia i viatjar per fi pertot arreu. L’univers tenia aleshores uns deu anys llum d’extensió (poques vegades superior a la distància als estels més propers al Sol).

Passats els tres primers minuts, protons i neutrons van començar a fusionar-se, formant nuclis de deuteri, i aquests es van unir uns amb els altres, per formar nuclis d’heli-4.

Recombinació: l'univers es fa transparent

Els nuclis atòmics no podien encara constituir àtoms, ja que l'univers era massa calent per possibilitar la captura dels electrons. El primer àtom que es va poder formar fou el d’hidrogen, el més senzill de tots (té un protó i un electró). Això va ocòrrer quan l’univers ja tenia 378.000 anys, i aquesta època és coneguda com a recombinació. En poc temps, els ions d'hidrogen, i també els d’heli, van anar captant electrons, formant així àtoms elèctricament neutres, que són molt transparents a la llum. De sobte, els fotons foren per fí lliures per creuar tot l'univers. I de cop i volta, per primera vegada, es feu la llum!, que quedà definitivament separada de la tenebra (Fig. 3).

La recombinació va canviar dràsticament l'aspecte de l'univers que fins aleshores havia estat una boira opaca i fosca i que, tot d'una, es va tornar transparent. La radiació còsmica del fons de microones (CMB) que encara avui observem, tot i que molt tènue, és la llum d'aquella època.

La reionització

Però l'univers, en el seu conjunt, va romandre encara bastant fosc durant molt de temps després de la recombinació. L'expansió l'anava engrandint constantment, i no hi havia encara objectes de gran lluminositat, fora de la tènue radiació de fons. El cosmos només es va il·luminar de debò quan els primers estels començaren a brillar, uns 300 milions d'anys després del seu naixement. Les estrelles primerenques, i potser algunes altres fonts encara poc conegudes, o per descobrir, van llançar prou radiació a l’espai per separar, altre cop, la major part de l'hidrogen que hi havia en els seus protons i electrons constituents.

Aquest procés, conegut com a reionització, sembla haver seguit el seu curs al voltant de 1.000 milions d'anys, pel cap baix, després del big-bang. Però s’ha de tenir en compte que ara l'univers ja no era opac, com ho havia estat abans de la recombinació, perquè ara ja s'havia expandit moltíssim i la seva densitat era molt més petita. Avui dia, les interaccions de dispersió de fotons són bastant rares a gran escala, encara que segueixen tenint una importància de primer ordre a escales locals, en el si de les grans galàxies.

Amb el temps i per acció de la gravetat, les estrelles van anar formant galàxies i estructures còsmiques cada cop més grans i interconnectades, a gran escala; és el que s'anomena la cosmic web (teranyina còsmica). Els planetes es van anar constituint després al voltant d'algunes estrelles que s'acabaven de formar, com fou el cas del nostre Sol. I fa 3.800 milions d'anys, la vida arrelà a la Terra. Però això és un capítol a part, tant o més apassionant que aquest d'ara, com bé he dit al començament.

Ja per acabar: cinc cèntims sobre el futur del nostre univers

La missió Planck de l'Agència Espacial Europea (ESA), que orbità la Terra entre el 2009 i el 2013, va ajudar a precisar encara més les teories sobre la naturalesa del cosmos i el seu orígen. El mapa detallat del fons còsmic de microones, generat per la missió, revelà clarament que el nostre univers –encara que no es pot descartar del tot que pugui haver sorgit d'un predecessor– el més probable és que no es tornarà mai més a contreure en el futur. I això va en contra de la possibilitat dels universos cíclics (Fig. 4).

Utilitzant les dades de Planck, s'han pogut afinar les estimacions de l'edat de l'univers i de les quantitats de matèria visible, de matèria fosca i d’energia fosca que conté. La missió no va aportar cap gran sorpresa, confirmant en gran mesura les teories ja existents i corroborant que l’evolució futura de l'univers serà, dit en poques paraules, bastant avorrida i trista.

Tot i així, dels seus resultats n'han sorgit també noves preguntes. Per exemple, la constant de Hubble, que descriu la velocitat d'expansió del cosmos, mesurada per Planck a l'univers llunyà, dona un valor diferent de l’obtingut amb el telescopi espacial Hubble a l'univers proper. Aquesta important tensió entre ambdós resultats s’està ara investigant febrilment.

S'espera que la missió Euclid, de l’ESA, que serà llançada l’any 2023, ens ajudarà definitivament a entendre els grans misteris de l'energia i de la matèria fosques, que són dues de les grans incògnites que romanen encara obertes en el nostre coneixement del cosmos.

Bibliografia i recursos addicionals

• https://www.enciclopedia.cat/divulcat/Emili-Elizalde
• E. Elizalde, “Cosmología moderna: desde sus orígenes”, Ed. Catarata, 2020, ISBN 978-84-1352-125-1.
• Entrevista el 28/02/21 al programa A noite é necesaria (Radiovoz): Cosmoloxia Moderna, conversa con Emilio Elizalde (en castellà).
• S. Weinberg, “Los tres primeros minutos del universo”, Alianza Ed. 2009.
• https://home.cern/science/physics/early-universe#:~:text=Origins,which%20we%20are%20all%20made
• https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe
• https://www.space.com/13347-big-bang-origins-universe-birth.html
• https://www.nature.com/articles/d41586-018-04157-6
• https://sci.esa.int/web/planck
• https://sci.esa.int/web/euclid