La energía oscura y el fin de la historia – Alejo Stark

Acerca de las encrucijadas entre la ciencia y la lucha de clases a comienzos del siglo XXI

¿Es casual que las nuevas teorías cosmológicas, que hablan del “fin de la historia” cósmica, surjan en el mismo momento en que el capitalismo proclama el “fin de la historia” humana? Frente a esto, la relación entre la ciencia y lucha de clases sale a la luz y requiere ser analizada.

Alejo Stark

Físico – Colaborador

A finales de la década de los ’90 se descubre que el universo no solamente se esta expandiendo, si no que se expande cada vez mas rápido. Es decir, que las distancias entre las galaxias y las estructuras que componen el universo, a grandes escalas, se agrandan cada vez más y a un paso acelerado.

La gravedad, como bien sabemos con la conocida manzana de Newton, es una fuerza atractiva. Entonces, ¿como entendemos esta repulsión universal? Es decir, ¿qué puede vencer a la fuerza atractiva de la materia? A la masa-energía que tiene la capacidad de actuar como un tipo de “gravedad repulsiva” la llamamos energía oscura. Apoyados por evidencia empírica que se ha acumulado en la última década, los cosmólogos físicos proponemos que, de ahora en adelante, esta energía oscura (“oscura” más que nada porque refleja nuestro estado de ignorancia) dominará las dinámicas del universo. Puesto de otra manera, se podría decir que la energía oscura actualmente aparenta ser la única potencia capaz de determinar el futuro del universo en sus grandes escalas.

En esa misma década, después de la caída del muro de Berlín, el fin de la “guerra fría” y la derrota de movimientos revolucionarios anti-capitalistas en muchas partes del mundo, se “comprueba” la hipótesis hegeliana del politólogo norteamericano Francis Fukuyama, según la cual la sociedad humana, pensándola a gran escala, se encuentra ante el “fin de la historia”. Es decir, a grandes rasgos, el capitalismo y el liberalismo han triunfado y que consecuentemente de ahora en adelante el destino de la sociedad humana será determinado por esta formación social. Mas allá de las crisis recurrentes del capital, esta filosofía de la historia propone que la lucha de clases se ha agotado.

Nos interesa pensar, entonces, esta curiosa correlación contemporánea. El propósito de este articulo no es interrogar específicamente ninguna de estas dos filosofías de la historia (tanto la cosmológica como la hegeliana), si no plantearnos la siguiente cuestión: ¿como entendemos esta correlación entre la producción de conocimiento científico de la cosmología física y la de las dinámicas globales del capitalismo reciente? Relacionada a esta primera cuestión, también nos preguntamos ¿qué conclusiones podemos derivar de esta correspondencia tanto para la cosmología física como para la producción de la teoría social? Comencemos por explicar la emergencia de la teoría cosmológica contemporánea, para después pensar su relación con los procesos sociales que llevarían al “fin de la historia”.

La relatividad general 

La idea de la “expansión del universo” emerge a principios del siglo veinte y está fundamentalmente atada a la teorización de un pilar fundamental de la física contemporánea: la teoría de la relatividad general. La teoría de relatividad general es formulada por Einstein entre 1907 y 1915  con la ayuda de muchos matemáticos, físicos y filósofos, como David Hilbert, y Hermann Minkowski entre otros. En términos generales, esta teoría se puede reducir analíticamente a las llamadas “ecuaciones del campo de Einstein”.  Sin entrar mucho en detalles, lo que plantean estas ecuaciones es lo siguiente: las dinámicas del espacio-tiempo (el campo tetra-dimensional en el cual todos los fenómenos físicos transcurren) están relacionadas a la masa-energía en ese espacio-tiempo. Es decir, la geometría del espacio-tiempo cambia (es decir, se expande, obtiene curvatura) en base a la masa-energía que lo compone (como planetas, radiación/luz, galaxias, u otros campos de masa-energía más exóticos, como veremos.) Al mismo tiempo, la curvatura del espacio-tiempo le indica a la masa-energía como moverse. De esta manera, se podría decir que la masa-energía y el espacio-tiempo están relacionados dialécticamente.

La gravedad entonces no es simplemente una “fuerza” sino que es la curvatura misma del espacio-tiempo producida por masa-energía. Por ejemplo, el sol, como objeto masivo, le da curvatura al espacio-tiempo que habita. Esa curvatura es la razón por la cual los planetas de nuestro sistema solar y otros objetos se desplazan en orbitas alrededor del sol.

¿Qué tiene que ver todo esto con la cosmología? Bueno la cosmología física se refiere al corpus de modelos que describen, en grandes escalas, los principios, evolución, y “destino” del universo. Entonces si podemos determinar la evolución de los componentes energéticos y masivos del universo en su conjunto, podemos determinar cómo evoluciona el espacio-tiempo. En ese sentido ya podemos empezar a entender por qué la teoría de la relatividad, siendo una teoría de la gravedad, una teoría geométrica del espacio-tiempo, se puede utilizar para formular una teoría cosmológica, una teoría de la evolución del espacio-tiempo.

De un universo estático a un universo dinámico

Esta concepción dinámica del universo no era la concepción de Einstein cuando propuso su teoría. Al contrario, Einstein pensaba que el universo era estático incluso cuando sus ecuaciones le dictaban lo contrario. Para producir un modelo del universo sin expansión añadió la famosa “constante cosmológica”, que actuaba como una fuerza que contrarrestaba la expansión del universo. Esa misma “constante cosmológica” volverá a aparecer en las ecuaciones de la cosmología contemporánea, pero con el efecto opuesto. Como veremos, la “constante cosmológica” es el modelo de la energía oscura más favorecido por los datos brindados por la cosmología observacional.

A principios de la década de 1920, cinco años después de que Einstein desarrollara la teoría de relatividad general, el físico matemático soviético Alexander Friedmann, propuso una solución a las ecuaciones de campo de Einstein en el cual el espacio se podía expandir o contraer. Friedmann estableció este temprano modelo cosmológico en el llamado “principio cosmológico” ya elaborado por el mismo Newton. Este principio consiste en lo siguiente: en promedio, en grandes escalas, el espacio es homogéneo e isotrópico. Es decir, no hay ningún lugar que se diferencia, en términos de densidades, de algún otro lugar escogido aleatoriamente. En segundo lugar, no existe ningún patrón que indica que el espacio prefiere una dirección más que otra. Aunque Friedmann asumió este principio para simplificar sus ecuaciones, desde ese entonces se ha comprobado empíricamente con alta precisión. Con este principio, las ecuaciones de Friedmann establecen un modelo cosmológico relativístico que proponen que el espacio tiene la capacidad de expandirse en relación a las densidades en un lugar tal, pero no es necesario determinar precisamente en que “parte”, debido a que cualquier parte del universo, cuando es considerada en grandes escalas, es estadísticamente “igual” a cualquier otra.  Por último, observamos que, en contraste con el espacio, el tiempo es anisotrópico. Es decir, el tiempo, en contraste con el espacio, sí “prefiere” una dirección.

En 1927, sin relación con las investigaciones de Friedmann, el físico y sacerdote belga Georges Lemaître también utiliza el principio cosmológico para producir un modelo parecido al del soviético. La diferencia entre los modelos está en la interpretación. Lemaître concluye que si el espacio del universo se está expandiendo de una manera homogénea e isotrópica, y si el tiempo es anisotrópico, al “rebobinar la película” de la historia de expansión cosmológica nos encontramos necesariamente con el hecho de que, en algún momento pasado, el universo tendría que haber sido mucho más chico, y consecuentemente más denso y caliente que hoy. Es decir, que en un pasado el universo no era más que un denso “átomo,” un “huevo cósmico” como lo llamó Lemaître, desde el cual nuestro universo actual se ha desarrollado. Marcamos que esto no significa que el universo haya evolucionado desde un lugar especifico, sino que el tiempo y el espacio como tal empiezan en su totalidad en ese momento. Entonces, dentro de este marco no tiene sentido preguntar qué existía antes del segundo “cero”, porque sería casi como preguntar qué existía antes del espacio.

Solo dos años después, en 1929, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble descubrió que el universo efectivamente se estaba expandiendo, poniendo en duda la teoría de un universo estático. Décadas después, algunos físicos todavía mantenían la perspectiva de que el universo no era dinámico. El físico inglés Fred Hoyle, por ejemplo, propuso en la década del ‘40 un modelo estático y eterno del universo que al mismo tiempo podía explicar las observaciones de Hubble. Hoyle mismo, quien proponía que las galaxias devenían de la nada, fue el que bautizó a las teorías del universo dinámico con el despectivo nombre de “Big Bang theories”. El descubrimiento accidental, en 1965, por los radioastrónomos norteamericanos Arno Penzias y Robert Wilson de lo que hoy llamamos “radiación de fondo de microondas”, demuestra que, efectivamente, existe un pasado denso y caliente del universo.

Como hemos planteado, todo indica que el universo sí “empezó” en un tal “Big Bang.” Desde ese principio caliente y denso donde se producen los primeros elementos del universo (más que nada hidrógeno y helio) se ha expandido y consecuentemente enfriado, como el gas dentro de un cilindro empujando un pistón que también se enfría cuando se expande. La diferencia es que las partículas dentro de ese cilindro son átomos de algún elemento y las “partículas” del universo son galaxias compuestas por (mas o menos) mil millones de estrellas. Las galaxias se acumulan en cúmulos de galaxias, enormes nódulos compuestos por miles de galaxias que relacionan a otros cúmulos de galaxias por estrechos filamentos de materia y gas formando las enormes estructuras de la red cósmica. Al nivel galáctico, las estrellas se forman a medida que las grandes concentraciones de gas molecular (mas comúnmente compuestas por hidrógeno molecular) colapsan por la atracción gravitacional (es decir, por su propio peso). Las estrellas son hornos cósmicos que producen los elementos que conocemos (como carbono, oxigeno y nitrógeno, etc.) y nutren a los planetas y objetos que las orbitan con la energía-luz producida por la lucha entre la gravedad (que hace que la estrella colapse por su propio peso) y la energía termonuclear generada en su interior.

Esta es, en grandes rasgos, la historia del universo que propone la cosmología física contemporánea, que hoy entendemos que tomó unos 13,7 mil millones de años en transcurrir. ¿Cómo podemos estimar la “edad” del universo? Para poder responder a esta pregunta dentro de la teoría de relatividad general, necesitamos entender de qué está compuesto el universo en grandes escalas.

La expansión acelerada del universo y su “destino final”

Como planteamos anteriormente, el universo se expande desde su aparente origen como propone la teoría del “Big Bang” que acabamos de esbozar. La teoría de la relatividad nos dice que la dinámica de esa expansión está regulada por los componentes de materia y energía que componen el universo ¿Pero de qué está compuesto el universo?

En principio, podríamos proponer que el universo está compuesto de todo lo que nos rodea, como esta graficado en la tabla periódica de los elementos: hidrogeno, helio, carbono, oxigeno, etc. En realidad, esta materia solo es el 4,6% del “presupuesto” de la masa-energía del universo. El otro 95,4% está compuesto por dos tipos de materias-energías exóticas: un 24% por la llamada materia oscura y un 71,4% por la energía oscura. Es decir, hay todo un régimen de existencia que va mucho mas allá de lo que parece ser y encontramos en nuestra vida cotidiana.

La materia oscura, entonces, es materia que no interactúa con el campo electro-magnético, es decir, con la luz. Ya en 1933 el astrónomo sueco Fritz Zwicky, tratando de inferir la masa del cúmulo de Coma, descubrió que para que esta gran acumulación de galaxias pueda estar sujetada gravitacionalmente tendría que haber más masa de la que se podía ver. Es decir, Zwicky descubrió que necesariamente tendría que existir algún tipo de materia oscura para que este objeto pudiera existir como tal, dada nuestra teoría de gravedad. En 1970, la astrónoma norteamericana Vera Rubin descubrió que este fenómeno también se daba no solo en las grandes escalas de los cúmulos de galaxias, sino también a escala de galaxias individuales. Rubin estudió la rotación de las galaxias y concluyó que para que la fuerza de gravedad pudiera producir la rotación que ella observaba, tendrían que estar compuesta por más masa de la que podía observar.

Ya con una concepción intuitiva de lo que es la materia oscura, volvamos a la pregunta puesta en el final de la última sección: ¿cómo podemos estimar la “edad” del universo? Ya que tenemos una teoría del espacio-tiempo con la cual podemos calcular su evolución en base a la materia-energía que lo compone, y tenemos una idea de qué puede estar compuesto el universo (de átomos, de materia oscura, etc.), podemos calcular el tiempo entre el “segundo cero” y hoy. Ahora, si calculamos la edad del universo asumiendo solamente que está compuesto de “materia oscura” (debido a que lo que puede sumar la materia atómica y la energía de la radiación es muy poco) y que la geometría del universo es, en grandes escalas euclidiana, concluimos que el universo tiene unos 9 mil millones de años de edad.

Sin embargo, en los últimos veinte años hemos descubierto que las estrellas más viejas del universo, que habitan cúmulos globulares, pueden llegar a tener más de 9 mil millones de años de vida. ¿Cómo es posible que un grupo de estrellas sea más viejo que el universo? Asumiendo que estamos calculando la edad de los cúmulos globulares de estrellas correctamente, esta contradicción puso en tela de juicio los modelos cosmológicos que asumen que el universo está compuesto solamente de materia oscura a mitades de la década de los ‘90. Es decir, debe existir otra energía-materia que nos deje explicar este fenómeno, que genere otra historia de la expansión del universo, o simplemente nuestro modelo cosmológico, basado en la teoría de gravedad relativista, tiene que ser radicalmente modificado.

A finales de la década de los ’90 dos grupos de científicos descubren, de una manera independiente, que el universo no solamente se esta expandiendo, sino que se expande cada vez más rápido. De una manera parecida al descubrimiento de Hubble, estos astrónomos buscaban estudiar la expansión del universo utilizando las supernovas de tipo Ia. Este tipo de supernova (estrellas que explotan violentamente) tienen una luminosidad específica que es calculada analíticamente y, consecuentemente, pueden ser utilizadas para medir distancias. Por ejemplo, si uno sabe la luminosidad de una lámpara de luz (100 watts, por ejemplo) y que la luminosidad de esa lámpara disminuye cuanto más nos alejamos de ella, se puede entonces calcular la distancia que nos separa de ella. De esa manera, los norteamericanos Adam Riess y Saul Perlmutter, y el australiano Brian Schmidt, quienes recibieron en 2011 el premio Nobel de física por este descubrimiento, determinaron que el universo se expandía de una manera acelerada. Es decir, que las distancias entre todas las galaxias y las estructuras que componen el universo, en grandes escalas, se agrandan a un paso cada vez más rápido. Estos equipos de investigación proponen explicar este fenómeno reintroduciendo la “constante cosmológica”, que sería responsable ahora de que el universo se expanda cada vez más rápido, contrarrestando la fuerza atractiva de la materia.

¿Qué es esta “constante cosmológica”? En términos matemáticos es simplemente un número que entra en las ecuaciones derivadas de la teoría relatividad general, conocidas por el nombre de “ecuaciones de Friedmann”, que nos permiten explicar las expansión del espacio en su totalidad. Su valor positivo o negativo puede ayudar a la expansión del universo o contrarrestarla. Se considera una “constante” porque no cambia ni en el tiempo ni el espacio. Físicamente entonces se puede entender como un tipo de energía, “energía oscura”, que permea el espacio y que se convierte en la energía dominante después de que la expansión universo ha diluido la materia y su capacidad atractiva de contrarrestar la expansión del espacio. Cabe decir que es posible que esta energía cambie con el transcurso del tiempo, pero aún no existe un modelo físico que la describa. En términos físicos se entiende que sin su presencia no podríamos explicar el fenómeno de expansión acelerada que observamos. Cuando incluimos este componente exótico en nuestros cálculos de la edad del universo, determinamos que su edad es consistente con las observaciones de cúmulos globulares de estrellas. De esta manera también podemos determinar el porcentaje de la energía-materia que compone el universo que mencionamos antes: el 4,6% está compuesto de los átomos que conocemos. El otro 95,4% lo está por el sector “oscuro”: 24% por la materia oscura y 71.4% por la energía oscura.

Pero, como bien sabemos, el universo es dinámico. Esto significa que estos porcentajes eran diferentes en el pasado, y serán, en principio, diferentes en el futuro. La expansión del espacio hace que la materia (tanto la oscura como la atómica) se vaya diluyendo. La conclusión es entonces que el porcentaje de la energía oscura siga incrementando hasta llegar a componer el 100% de la masa-energía del universo. Es decir, desde finales de la década de los ‘90, y la evidencia desde ese entonces solo ha confirmado esta conclusión,  los cosmólogos concluyen que la lucha de masas-energías del universo ha llegado a su fin. Para la cosmología física contemporánea, vivimos de algún modo en el final de la historia (cosmológica). El único “sujeto” capaz de dominar el destino del universo de ahora en adelante es la energía oscura.

Lo que todavía se debate es precisamente cuál puede llegar a ser el destino del universo. Todavía no podemos concluir definitivamente si se va expandir para siempre y terminará en un “Big Chill” (“Gran enfriamiento cósmico,” un universo frio y vacío), o si, efectivamente, la energía oscura es capaz de hacer que el espacio-tiempo sea fragmentado por la aceleración en el llamado “Big Rip” (“Gran desgarramiento”).

Un destino u otro no hace la diferencia a nuestro argumento: la supuesta “energía oscura” forma ya más del 70% del “presupuesto” energético-material del universo y en un futuro será el 100%. Los cosmólogos proponen, entonces, que el universo ha llegado a un periodo en el cual predomina, y va  dominar para siempre, la energía oscura. Es decir, no existen para los cosmólogos otras materias-energías que le puedan plantear una lucha por la dinámica de la totalidad del universo a la energía oscura.

La cosmología física y los procesos sociales: ¿el fin de la historia?

¿Cómo podemos entender la correlación entre el “fin de la historia” en la producción de conocimiento científico y los procesos sociales? ¿Cómo entender el quiebre que hace posible este descubrimiento a final de la década de los ’90?

Primero cabe decir que estos descubrimientos fueron posibles por el desarrollo tecnológico del último siglo. La innovación tecnológica va necesariamente delimitando el espacio de parámetros y modelos posiblemente concebibles. Por ejemplo, no hubiese sido posible observar la radiación de fondo de microondas sin radiotelescopios. De una manera parecida, las conclusiones de los equipos que determinaron la aceleración del universo con las explosiones de supernova tipo Ia, no hubiesen sido posibles sin la red de telescopios globales que buscaban estas explosiones elusivas (se estima que, más o menos, explota una supernova de tipo Ia cada cien años por galaxia). Hay que considerar, además, todo lo que esto implica, por ejemplo, los avances en tecnologías de red y computación para procesar la vasta cantidad de información que capturan los telescopios actuales. Por último, es importante mencionar que las supernova Ia más decisivas (es decir, las más lejanas) recién fueron observadas por el telescopio espacial Hubble, el telescopio con la más alta resolución óptica existente.

Pero la tecnología no es más que una herramienta. Nuestras concepciones mentales son esenciales para poder apropiarnos de los fenómenos de la naturaleza. Está en la relación entre estas concepciones mentales y las herramientas disponibles la posibilidad de entender el universo más allá de sus apariencias. Por ejemplo, la concepción de la homogeneidad y la isotropía del espacio hizo posible elaborar los modelos cosmológicos que hemos esbozado. Otro ejemplo es el hecho de que en la década de los ’80 emerge una nueva manera de categorizar las explosiones de supernovas. Sin este último desarrollo no hubiese sido posible la utilización de las supernova de tipo Ia para la cosmología observacional.

El proceso de quiebre entonces está fundado tanto en desarrollos tecnológicos como teóricos que surgen necesariamente del desarrollo de la ciencia en su conjunto, sin descartar los descubrimientos aleatorios y accidentales, como el de la radiación de fondo de microondas que comentamos más arriba. Efectivamente, tanto el desarrollo tecnológico como las concepciones mentales y modelos teóricos están dialécticamente relacionados. No obstante, necesariamente, estos procesos están también vinculados al desarrollo de la sociedad en su conjunto, a sus condiciones políticas e ideológicas, en síntesis, al estado de la lucha de clases. ¿Es casual, entonces, que las nuevas teorías cosmológicas, que hablan del “fin de la historia” cósmica, surjan en el mismo momento en que el capitalismo proclama el “fin de la historia” humana?

¿Por qué decimos esto? Por lo siguiente: aunque en una primera instancia el descubrimiento de la aceleración del universo asombró a la comunidad científica, lo más asombroso todavía es la rapidez con la que fue aceptado el resultado, sobre todo, teniendo en cuenta que todavía no existe un modelo físico de la energía oscura. De hecho, existe un modelo simple que podría describir la energía oscura como una constante cosmológica que emerge de la energía del vacío (es decir, que el espacio “vacío” tiene energía). El problema es que cuando calculamos la energía del vacío dentro del marco de la teoría cuántica de campos descubrimos que nuestro resultado es 120 órdenes de magnitud más grande de lo que observamos cosmológicamente. Es decir, el calculo teórico le pifia por un magnitud que es comparable al número 1 seguido por… ¡120 ceros! Aunque existen otros modelos de la energía oscura, como el de quintessence entre otros, son todos modelos ad hoc con una débil motivación física.

En fin, la incorporación de la energía oscura en nuestros modelos cosmológicos nos deja explicar varios fenómenos independientes (como la radiación de fondo de microondas, la expansión acelerada del universo, las supernovas tipo Ia, y las estructuras de la red cósmica) con exactitud y precisión. Pero sigue siendo sorprendente que se acepte el dominio de la energía oscura cuando efectivamente no tenemos la más mínima idea de lo que puede llegar a ser. El hecho de que un modelo pueda describir fenómenos observados no significa que sea un fiel reflejo de la realidad. Para corroborar este último punto solo queda estudiar la historia del modelo geocéntrico de Ptolomeo en relación a la teoría heliocéntrica de Copérnico. Los dos modelos pueden explicar con exactitud los movimientos de los planetas pero con implicaciones físicas y concepciones mentales muy diferentes: uno postula que la Tierra es el centro del universo, el otro no.

No queremos simplemente marcar que existe una relación causal entre el “fin de la historia” pregonada por los ideólogos del capitalismo y la producción científica, sino que no es inconcebible, en la coyuntura histórica en la cual nos encontramos, que efectivamente la concepción de la totalidad de las dinámicas del universo se encuentre dominada por las concepciones sociales dominantes en el capitalismo actual. Dicho de otro modo, que la fácil y rápida aceptación de una idea muy productiva pero todavía incompleta, deba su repentino éxito a un clima de ideas que va en el mismo sentido: el “fin de la historia”.

Lo que intenta señalar este análisis no es que el devenir del “fin de la historia” social haya “causado” que los científicos produzcan tal o cual cosa, sino que ideológicamente (en el sentido althusseriano) los procesos sociales crean ciertas condiciones de posibilidad para que cierta ruptura en la producción de conocimiento sea aceptada (o no).  En este ultimo sentido la “curiosa correspondencia” no es sorprendente ni misteriosa sino que es propia a la coyuntura histórica actual.  Va de suyo que esta conclusión supone que la producción científica no opera afuera de los procesos sociales.

En una coyuntura de derrota de las fuerzas del cambio social, parece obvio reconocer que una cosmología que se adapta como anillo al dedo a esa situación ideológico político tenga todas las de ganar. Pero no es la primera vez que se ha anunciado, en la historia humana y en la historia cosmológica, el “fin de la historia”. En ese sentido, puede resultar apresurado decretar el fin de la lucha y el enfrentamiento. Tal vez, en las entretelas aun poco conocidas de ambos procesos aniden rupturas insospechadas. Tal vez, una nueva revolución en nuestra concepción del universo esté siendo estructuralmente reprimida. Seguramente, como ya ha sucedido, la historia nos seguirá sorprendiendo y seguirá escapando a esquemas que tratan de capturar su heterogeneidad radical, oscilando entre los limites de lo necesario y lo contingente.