Como suele ser habitual en este blog, os muestro mi presentación y una transcripción extendida de mi charla en Naukas Valladolid 2024 [YouTube]. Titulada «La ciencia no piensa», la conocida frase de Martin Heidegger, gran filósofo del siglo XX. El inicio de mi charla era una boutade, la ciencia del futuro no existe, pues la ciencia no puede predecir el futuro por su naturaleza metodológica intrínseca. A pesar de ello, me atreví a presentar lo que el paradigma actual, el modelo cosmológico de consenso, predice para el futuro del universo a largo plazo. El origen de mi boutade es el reciente libro de Gastón Giribet, «Heidegger en los márgenes de la ciencia», Salta El Pez (2024) [web], que te recomiendo si te gusta la filosofía.

Por cierto, debo pedir perdón por el brusco corte al final de la charla. Al ver que el tiempo (25 minutos) se me acabó (cuando pensaba que me sobraría al menos un minuto), tomé una decisión rápida no pensada, cortar lo más rápido posible, para no penalizar el turno del siguiente ponente. Lo siento, fue un error, tenía que haberme despedido de forma más pausada y educada. A pesar de ello, ¡que disfrutes de la charla y de su transcripción!

[PS 16 nov 2024] Recomiendo el libro de Brian Greene [traducido por Joan Lluís Riera], «Hasta el final del tiempo: Mente, materia y nuestra búsqueda de significado en un universo en evolución,» Drakontos (2020) [512 páginas], a todos los que quieran saber más sobre el futuro lejano del universo. [/PS]

La ciencia del futuro es un oxímoron. La ciencia no piensa en el futuro. Ni puede pensar en él.

El gran filósofo existencialista Martin Heidegger, tras escribir «La pregunta por la técnica» (1949), afirmó que «la ciencia no piensa» en 1951 y lo puso por escrito en su libro “¿Qué significa pensar?” (1954).

Que la ciencia no pueda pensar no es una desventaja, todo lo contrario, es su gran virtud. Porque la ciencia no puede responder a las grandes preguntas existencialistas: ¿por qué existe el universo? ¿Por qué existe la vida inteligente? ¿Para qué existe la inteligencia en el universo? La inteligencia, ¿es contingente o necesaria? ¿Por qué existes tú? ¿Cuál es el sentido de tu vida?

[Aclaro que para Heidegger la filosofía (el pensar) debe responder a estas preguntas existencialistas desde lo cotidiano, lo que de verdad tiene relevancia para vuestra vida, lo que él llama la cotidianidad.]

El objetivo de la ciencia es adquirir conocimiento de forma metódica. Sin métodos científicos no hay ciencia. Pero no podemos experimentar y observar el futuro; para predecirlo tenemos que usar modelos teóricos basados en las leyes físicas conocidas, que están en continuo cambio. Por ello solo podemos predecir el futuro a corto plazo.

La técnica piensa es una paráfrasis del libro de Heidegger “La pregunta por la técnica” (1949). La técnica comprende la tecnología y la ciencia aplicada, ambas con el objetivo de resolver problemas, los que tú tienes y los que aún no sabes que tienes.

Solo la técnica piensa en el futuro, aunque sea a corto plazo, quizás unas décadas. Por ello no se puede hablar de la ciencia del futuro y nos tenemos que limitar a la técnica del futuro.

Como dijo David Autor, predecir el futuro es imposible porque la humanidad puede modificarlo. El futuro de la técnica es inventado por la humanidad. Podemos modificar el futuro de la Tierra.

[Añado que, si llega a existir la posthumanidad, también podrá modificar el futuro del Sistema Solar, quizás incluso de nuestra galaxia y de todo el universo. Quizás la inteligencia en el universo no es contingente, sino necesaria para modificar el futuro del universo.]

Como dijo Dennis Gabor, solo un científico soberbio (aquí aludo al podcast Coffee Break: Señal y RUido) se atreve a predecir el futuro en contra de la inventiva humana.

[Añado que el futuro a largo plazo depende lo que hagas tú y tus descendientes. Por eso dicho futuro es imposible de predecir.]

Yo investigo en la física no lineal de ondas, entre el efecto mariposa en sistemas que disipan energía y el problema de los tres cuerpos en los que conservan la energía. Estos fenómenos caóticos hacen que el futuro sea impredecible. Edward Lorenz se preguntó en 1972 si el aleteo de una mariposa en Brasil puede originar un tornado en Texas. Hoy sabemos que no, que lo más probable es que los vórtices del aleteo se disipen. Pero se llama efecto mariposa a la sensibilidad exponencial a las condiciones iniciales en sistemas disipativos con exponentes de Lyapunov positivos.

[Añado que se llama caos determinista a este tipo de comportamiento caótico.] Fuente de la imagen: «Hurricane Florence from the International Space Station» [wikipedia].

En la década de los 1970 se estimó (Mintz y Arakawa) que las pequeñas perturbaciones en meteorología tienen un periodo de duplicación de 5 días, luego el tiempo meteorológico es impredecible más allá de unos 15 días. Hoy en día se cree que es algo mayor, pero predecir más allá de unas pocas semanas siempre será imposible. Sin embargo, se puede predecir la climatología en escalas de tiempo de cientos de años.

Fuente de la imagen: Servicio de Cartografía Rápida de Emergencia de Copernicus (ESA) [vía La Vanguardia].

En los sistemas físicos que conservan la energía también hay sensibilidad a las condiciones iniciales, pero se llama problema de los tres cuerpos. Las órbitas periódicas son resultado de resonancias (como las ilustradas en la figura), que son destruidas por pequeñas perturbaciones (teoría KAM de Kolmogorov, Arnold y Mosaer, 1954–1963). Solo pueden sobrevivir las órbitas cuasiperiódicas (no resonantes, con periodos que son números irracionales), pero en ellas también es imposible predecir la órbita futura a largo plazo.

[Añado que se llama caos hamiltoniano (o estocasticidad) a este tipo de comportamiento caótico; también se caracteriza con exponentes de Lyapunov, y con la entropía de Kolmogorov–Sinai]. Fuente de la imagen: «20 different examples of periodic solutions to the three body problem» [GIF animado de PeRosello en wikipedia].

Para el Sistema Solar se estima un exponente de Lyapunov que implica que es imposible predecir las órbitas de los planetas más allá de unos 500 millones de años. De hecho, no sabemos si el Sistema Solar es estable. Según muchas simulaciones, Mercurio podría ser expulsado y la órbita de la Tierra podría alejarse del Sol. Más aún, no sabemos si la órbita de la Tierra seguirá por mucho tiempo en la zona de habitabilidad del Sol.

Fuente de la imagen: «Solar System true color» [CactiStaccingCrane en wikipedia].

Por cierto, la zona de habitabilidad solar cambiará porque el Sol se está calentando, lo que aleja la zona habitable. El brillo del Sol aumenta un 1 % cada 100 millones de años conforme consume hidrógeno y acumula helio en su núcleo, para poder fusionar el hidrógeno que lo rodea. Si la Tierra sigue en su órbita actual, en unos mil millones de años perderá su atmósfera y dejará de tener agua líquida en su superficie. No podrá sustentar la vida multicelular compleja y ocurrirá una extinción masiva final.

Fuente de la imagen: Kazumi Ozaki, Christopher T. Reinhard, «The future lifespan of Earth’s oxygenated atmosphere,» Nature Geoscience 14: 138-142 (01 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41561-021-00693-5.

De hecho el Sol pasará a la fase de gigante roja en unos 5000 millones de años. Su tamaño crecerá rápido hasta superar las órbitas de Mercurio y Venus, hasta alcanzar la órbita de la Tierra, que quedará calcinada. En unos 5100 millones de años ocurrirá el flash de helio, se encenderá la fusión de helio en el interior del Sol; entrará a la rama asintótica de las gigantes rojas y su tamaño se reducirá hasta ser similar a la órbita de Mercurio. En uno 7500 millones de años expulsará sus capas externas formando una nebulosa planetaria y solo quedará su núcleo en forma de estrella enana blanca; tendrá un tamaño similar a la Tierra pero con una masa entre el 50 % y el 60 % de la masa actual. Esta enana blanca se enfriará en unos 1000 millones de años.

Fuente de la imagen: «Ciclo de vida del Sol» modificación de NACLE2 del original de Oliver Beatson, «Solar Life Cycle» [wikipedia].

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, y la galaxia de Andrómeda (M31) se acercan y en unos 5000 millones de años podrían llegar a colisionar.  Esto no nos afectará porque las galaxias en su mayor parte son espacio vacío; solo 1 parte en diez mil trillones (10²²) del espacio del disco galáctico está ocupado por estrellas. Así que es casi imposible que dos estrellas colisionen durante la fusión galáctica. Pero según las últimas simulaciones publicadas este año, que tienen en cuenta sus dos grandes galaxias satélites, la Gran Nube de Magallanes de la Vía Láctea y la galaxia del Triángulo (M33) de Andrómeda (M31), solo hay una probabilidad del 44 % de que estas galaxias se fusionen. Pero como están ligadas por la gravitación en el Grupo Local, si no colisionan volverán a acercarse en el futuro, en un baile cósmico que conducirá a su fusión final en una única galaxia, en la que también se fusionarán sus respectivos agujeros negros supermasivos.

Fuente de la imagen: «Colliding galaxies make love, not war» [Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgement: B. Whitmore ( Space Telescope Science Institute) and James Long (ESA/Hubble)].

El futuro del universo más allá es difícil de predecir con [el paradigma vigente en] la cosmología. El libro “Las cinco eras del universo” (“The Five Ages of the Universe”), de Adams y Laughlin (1999) nos propone cinco grandes eras del universo separadas (en números redondos aproximados) por potencias de diez en años. Veamos cada una de ellas de forma separada.

La era primordial se inicia en tiempo de Planck (10⁻⁵⁰ años ≈ 10⁻⁴³ segundos) y acaba en la recombinación, cuando se forman los primeros átomos (10⁵ ≈ 380 mil años). La teoría del big bang describe las transiciones de fase, cómo cambia el contenido, del universo conforme se expande y se enfría. El bang del big bang, cuando el universo se rellena de partículas, ocurre en el recalentamiento, cuando finaliza la inflación cósmica. En ella el universo crece en un factor mayor de 10²⁸ (si fuera una uña (un centímetro) crecería hasta el tamaño del universo observable).

Tras la asimetría materia-antimateria, en la que mil millones y una partículas se aniquilaron con mil millones de antipartículas, resultando en dos mil millones de fotones por cada protón actual, se produce la transición de fase electrodébil en el primer picosegundo (billonésima de segundo) en la que el campo de Higgs cambia de vacío y las partículas adquieren masa. Ya en el primer microsegundo se forman los protones y neutrones (hadronización de quarks), en los tres primeros minutos los primeros núcleos compuestos (75 % de hidrógeno, 25 % de helio y trazas de litio y berilio), y al final de esta era se forman los primeros átomos que vuelvo transparente el universo para los fotones. Los observamos como el fondo cósmico de microondas.

Fuente de la imagen: Blog Space Karina (sin fuente explícita, por ello estuve tentado a usar una similar del CERN).

La era actual es la estelífera (o de las estrellas), que se inicia con la formación de las primeras estrellas (10⁶ = un millón de años) y acaba con el final de la fusión en las estrellas (10¹⁴ años = cien billones de años; recuerda que el universo tiene unos catorce mil millones de años). La materia oscura domina el universo en forma de la llamada web cósmica, una especie de espuma con grandes vacíos y paredes donde se acumula la materia bariónica en forma de estrellas, galaxias, cúmulos galácticos y supercúmulos dinámicos.

Fuente de la imagen: «Línea de tiempo de la gran explosión» (traducción de Luis Fernández García de una imagen de Theophilus Britt Griswold de la Colaboración WMAP [wikipedia]).

Las primeras estrellas (población 3) eran supergigantes azules de entre 100 y 1000 masas solares (que aún no hemos observado); consumen su hidrógeno muy rápido y en pocos millones de años acaban como agujeros negros, enriqueciendo el medio interestelar de elementos más pesados. En sus restos se forman las estrellas de población 2, como las estrellas más viejas de la Vía Láctea y las que acabaron como estrellas de neutrones.

Las estrellas de población 1, como el Sol, una enana amarilla, se formaron en los restos de estas últimas. Las estrellas más abundantes son las enanas naranjas (entre 0.5 y 0.8 masas solares) y las enanas rojas (entre 0.08 y 0.5 masas solares) que fusionan su hidrógeno de forma muy lenta, acabando su vida en forma de enanas blancas. Finalmente, tenemos las enanas marrones, con entre 3 y 80 masas jupiterinas, que no fusionan hidrógeno, pero pueden fusionar deuterio de forma muy lenta.

La aceleración de la expansión cósmica debida a la energía oscura hará que las galaxias más lejanas crucen el horizonte cósmico y el universo observable vaya vaciando hasta que solo quede una galaxia en el centro de su universo observable.

Fuente de la imagen: Stellar evolution (ESA).

La era degenerada (o era de las remanentes) se inicia hace (10¹⁵) mil billones de años y acaba con la desintegración del protón (10³⁹ años). Los remanentes de las enanas marrones se acabarán enfriando por completo para dar lugar enanas negras (aún no observadas). En esta era podría haber fusiones de enanas marrones que activen de forma temporal la fusión, pero que también se apagarán.

Fuente de la imagen: Brown Dwarf Comparison (Planetkid32 para wikipedia).

Las enanas blancas serán los remanentes más comunes (resultado del 97 % de las estrellas con menos de 8 masas solares), estando formadas por átomos de oxígeno y carbono ligados por la presión de degeneración electrónica asociada al principio de exclusión de Pauli y el principio de indeterminación de Heisenberg. Muy pequeñas, para una masa solar tendrían el tamaño de la Tierra. Fusión hidrógeno de forma muy lenta, pero sostenida, pueden pasar por una fase enanas azules (aún no observadas) en la que habría convección del helio en su interior. En la era degenerada puede haber fusiones de enanas blancas. Además, las enanas blancas pueden asimilar materia oscura que se aniquilaría en su interior y emitirían cierta energía, pero antes de 10³⁰ años se habrá aniquilado toda ella.

Fuente de la imagen: White dwarf [Mark Garlick/University of Warwick vía Universe Today].

Las estrellas de neutrones son como núcleos atómicos gigantes, remanentes de estrellas entre 8 y 20-25 masas solares. Su masa está entre 1.4 y 2 masas solares, y su radio es de unos 12 km. No conocemos su estructura interna en detalle, pero sabemos que rotan muy rápido y poseen intensos campos magnéticos. En la era degenerada se enfriarán lentamente.

Fuente de la imagen: What is a neutron star? [ESA].

Los agujeros negros son el resultado del colapso de estrellas con masas superiores a 20-25 masas solares, y de la fusión de agujeros negros más pequeños, pero estas fusiones serán cada vez más raras en un universo tan disperso como el resultante del efecto de la energía oscura.

Fuente de la imagen: Sombra de Sgr A* en polarización [EHT].

El paradigma actual de la física de partículas sugiere que las interacciones fundamentales se unifican en una teoría de gran unificación que permite la desintegración del protón. Sabemos que la vida media del protón es mayor de 10³⁴ años, siendo razonable que sea menor de 10⁴⁰ años. Con la desintegración del protón todas las estrellas degeneradas acabarán desintegradas en fotones, neutrinos, electrones y positrones, en un universo en el que solo quedarán agujeros negros.

Fuente  de la imagen: Fred C. Adams, Gregory Laughlin, «A dying universe: the long-term fate and evolutionof astrophysical objects,» Review of Modern Physics 69: 337-372(01 Apr 1997), doi: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.69.337.

La era de los agujeros negros se inicia a los 10⁴⁰ años y acaba en números redondos a los 10¹⁰⁰ años,  límite superior para la evaporación por radiación Hawking de los agujeros negros supermasivos. Porque los agujeros negros se «evaporan», muy lentamente por radiación de Hawking, emitiendo fotones y gravitones, y en sus últimas fases de vida incluso otras partículas con masa.

Fuente de la imagen: Elaboración propio para este blog (LCMF, 27 Jul 2020).

En la era oscura final, a partir de 10¹⁰¹ años, en el universo solo quedarán fotones, electrones, positrones y neutrinos de energía extremadamente baja. Estas partículas fundamentales estarán separadas por enormes distancias impidiendo sus colisiones mutuas.

[Aclaro que este estado final se puede parecer al estado inicial tras el recalentamiento, pero hay grandes diferencias. En el universo primordial el universo estaba lleno de partículas de todo tipo (todas las conocidas, que aparecen en esta tabla) que estarán tan juntas que colisionarán de forma continua todo el tiempo. Sin embargo, en la era oscura final solo existirán fotones y leptones ligeros, que estarán tan separados que la probabilidad de colisión será nula].

Fuente de la imagen: Ethan Siegel [Starts with a Bang].

[Por cierto, tenía esta transparencia como comodín del tiempo (lo sé, soy un optimista); me hubiera gustado acabar con tiempo suficiente para describir los 118 campos cuánticos responsables de todas las partículas fundamentales conocidas, pero me resultó imposible].

[El modelo estándar es una teoría quiral, porque la interacción débil diferencia entre las componentes izquierdas y derechas de los fermiones; para ella las componentes izquierdas se agrupan en parejas, tanto para los quarks como para los leptones de cada familia; pero las componentes derechas van separadas porque no hemos observado neutrinos derechos. En total hay 36 campos de quarks y 9 de leptones que junto a los de sus 45 antipartículas nos dan 90 campos fermiónicos. Además, hay 8 campos de gluones y un campo del fotón con dos componentes, porque no tienen masa; pero los campos de los bosones W y Z tienen 3 componentes por tener masa y el campo de Higgs solo tiene una componente. Así hay 28 campos bosónicos y en total en la Naturaleza hemos observado 118 campos cuánticos.]

Fuente de la imagen: Elaboración propia a partir de una presentación de Mikhail E. Shaposhnikov.

Os he resumido el futuro según el paradigma actual de la cosmología. Sin embargo, ignoramos cómo cambiarán este paradigma en las próxima décadas y se han especulado muchos otros finales alternativos para el universo. La ciencia no piensa en el futuro y por ello toda predicción del futuro a largo plazo es incorrecta. ¡Gracias!