John C. MATHER
“La imaginación no alcanza para visualizar el big bang”
Este astrofísico y cosmólogo estadounidense ha dedicado su vida al estudio de la radiación de fondo cósmico de microondas, que contribuyó a consolidar la teoría del big bang. Por sus investigaciones, ganó el Premio Nobel de Física en 2006 y ha sido considerado por la revista Time como una de las cien personas más influyentes del mundo.
El pasado noviembre se cumplieron treinta años del lanzamiento por la NASA del telescopio COBE, que hizo las primeras mediciones sobre el big bang y el origen del universo. El COBE dató su edad en 13800 millones de años y obtuvo una imagen del eco de esa primera explosión, poco después de formarse (300 000 años). La idea del proyecto la había tenido en 1974 John Mather (Virginia, 1946), un físico entonces de veintiocho años que hacía su tesis doctoral. Por sus estudios ganó el Premio Nobel de Física en 2006. Ya hubo un precedente teórico en 1948, cuando el físico George Gamow y el cosmólogo Ralph Alpher predijeron en un artículo que el big bang habría dejado una radiación en la materia que podría detectarse y medirse. Luego, en los 60, los físicos Arno Penzias y Robert Wilson midieron en un laboratorio de Nueva Jersey la radiación de fondo cósmico de microondas surgida del big bang, lo que les valió el Nobel de Física en 1978.
Pero la medición del cosmos desde la Tierra tiene muchas interferencias. Había que ir más allá, y entonces Mather tuvo su idea loca: colocar un ojo en el espacio, el satélite COBE, que operó entre 1989 y 1993. Desde 1995, Mather trabaja como director científico de un heredero de los telescopios espaciales COBE, WMAP y Hubble (este aún en activo): el telescopio espacial James Webb (JWST), un portento tecnológico destinado a revolucionar la ciencia del universo, cuyo lanzamiento está previsto para marzo de 2021. Mather nos recibe en su despacho del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la
NASA, en las afueras de Washington. Es un hombre sonriente, alto y delgado, con gafas muy grandes. Sobre la mesa, algunos papeles, el ordenador y varios ejemplares del libro The Very First Light (1996), en el que contó la historia de COBE y de sus investigaciones.
En noviembre se cumplieron treinta años del COBE, una idea que planteaste en tu tesis y que calificaste de loca. ¿Cómo lo recuerdas? Fue una idea entre alocada y necesaria [sonríe]. Hay que imaginar lo que podría ocurrir en vez de lo que parece que podría ocurrir. Le planteé la propuesta a mi jefe, él habló con otras personas y prosperó.
¿Los resultados obtenidos con COBE han cambiado el universo descrito por Einstein del mismo modo que este cambió el de Newton? No. Einstein nos dio las herramientas descriptivas del cosmos como lo vemos ahora. No estaba equivocado. Su teoría general de la relatividad ha sido testada de muchas maneras, y encaja. Lo único que no previó fue que el universo se pudiera estar expandiendo. Él creía que tenía que ser estático. Su teoría es cierta, pero cometió ese error.
Has dicho que el término big bang para ilustrar ese primer instante no es muy acertado. ¿Por qué?
Big bang suena como si acabara de explotar un petardo. Una explosión es un acontecimiento que sucede en un lugar y un momento concretos, pero no sucedió eso, sino que el universo entero empezó a expandirse y además muy tranquilamente. Ocurrió algo casi opuesto a lo que la gente imagina cuando oye la expresión big bang.
¿Hay espacio para un dios ahí fuera?
Un creyente diría que estamos contemplando lo que él hizo. Pero
lo que dice la Biblia no es lo que vemos en el espacio. La ciencia no puede explicar todo, pero sí muchas cosas. Desde luego los principios generales en los que nos movemos parecen ser ciertos, solo que no es posible emplear esos principios para predecir y describir todos los detalles de la realidad. La idea de que dos seres humanos como tú y yo estemos manteniendo esta conversación no podría haber sido predicha desde las leyes de la naturaleza.
Parece chocante y contraintuitiva la idea de un universo infinito, de que puede que no hubiera un principio. Hace falta mucha imaginación para tratar de entender eso.
Es cierto. En la imagen de un universo en expansión no existe un primer momento, igual que no existe un número positivo que sea el más pequeño, el primer número. Cuando tratamos de llegar a esos momentos tempranos del big bang, a esas fracciones de fracciones de segundo, la imaginación no alcanza. Como la temperatura y la densidad eran altísimas, aventuramos que las reglas de la naturaleza no operaban igual que ahora. Pero la gran cuestión es: ¿qué sucede cuando la gravedad es tan fuerte como las otras fuerzas naturales? Si la gravedad afecta al espacio y al tiempo, puede que este último se convierta en algo sin sentido. Son cuestiones misteriosas, desconocemos la respuesta y podríamos no conocerla nunca, porque ¿cómo la testaríamos? Cuando alguien dice: “Puede que hubiera algo antes, que hubiera previos universos que colapsaran y que dieran lugar al universo en expansión que tenemos”. Tal vez, pero solo podemos plantearlo como suposiciones.
¿Pudo haber universo antes de la expansión del big bang? Puede que sí. También dicen los matemáticos que podría haber otros cosmos además de este. No podemos saberlo. Además, la idea de universo ¡ya lo incluye todo! Eso sí, tenemos suerte de haber encontrado pruebas para sostener muchas teorías y conceptos. Ahora, por ejemplo, queremos saber qué son la materia y la energía oscuras, pero es muy posible que jamás sean medidas en un laboratorio, ya que son extremadamente débiles. No las hemos visto –por definición no pueden verse–, pero podemos medir sus efectos. Cuando se dice materia oscura la gente imagina que es negra, como un jersey negro, pero no es así: la materia oscura es transparente. Un 75% del universo está compuesto por energía oscura, el 21 % por materia oscura y el resto por la materia ordinaria que vemos.
Si lo que sabemos del universo procede de mediciones hechas desde un ridículo planeta en torno a una estrella vulgar en una galaxia más, ¿podemos estar seguros de algo? En ciencia uno nunca puede estar seguro de nada. Es complicado elaborar una historia que encaje con todo. Cabe pensar que no observamos directamente las cosas, así que no podemos saber si la realidad se adapta a la idea que teníamos de ella. También cabe la posibilidad de que haya otras explicaciones ciertas que aún no se hayan descubierto. Es una cuestión casi de pura imaginación. Siempre habrá zonas que no podremos alcanzar. No se puede medir cada momento del universo. No podemos describirlos directamente. Solo podemos elaborar una idea y comprobar
si las predicciones realizadas a partir de esa idea encajan con lo que se puede ver. No es posible probar de forma definitiva que algo es cierto. Solo demostrar que es falso.
Para la física teórica, ¿son posibles los viajes en el tiempo? No sabemos lo suficiente para decir que son imposibles, pero tampoco cómo podrían hacerse. Hay un concepto llamado agujeros de gusano (wormholes), unas hipotéticas estructuras de espacio-tiempo. Si existieran, quizá podrían emplearse para ir de una parte del universo a otro. Pero no sabemos si existen, y, según parece por los cálculos realizados, si existieran serían inestables, así que desaparecerían, de manera que no podríamos usarlas. De momento solo sabemos ir hacia delante, pero podemos viajar hacia atrás en el tiempo con la imaginación. Esta cualidad es maravillosa para la ciencia. Ir hasta el big bang e imaginar cómo fue. Cuando observamos el espacio también viajamos en el tiempo: vemos las cosas como fueron.
Por la luz, pero ¿ha habido siempre luz en el universo? Hasta donde sabemos, sí. Ignoramos si fue lo primero que se creó, pero probablemente en el universo primigenio hubo ondas lumínicas en los mismos inicios. La luz es una de las cosas más importantes para la vida. El universo está lleno de materia, protones, electrones y neutrones tal cual los vemos hoy, y todos estaban aquí desde el inicio, como la antimateria, que era abundante, y la gravedad, que es una fuerza muy potente. No estaríamos aquí sin ellos.
Cuando hablas de esos primeros momentos, ¿te refieres a unos millones de años, a miles, cientos, cuánto tiempo? A una fracción de una minúscula fracción de segundo.
¿Qué es la antimateria?
Fue predicha hace un siglo a partir de la idea de que además de partículas debería haber antipartículas, y que al chocar se liberarían cantidades ingentes de energía en forma de luz. Materia y antimateria son opuestas y se negarían una a la otra. Sabemos que podemos crear antimateria haciendo colisionar dos elementos, pero no se empieza por la antimateria. Si haces chocar dos electrones se produce suficiente energía para crear partículas a partir de ella y terminas por obtener nuevas partículas que son a partes iguales materia y antimateria. Esto es extraordinario: la materia puede ser convertida en energía y viceversa.
¿Podría haber áreas del universo compuestas de antimateria, de forma que habría antiplanetas y antigalaxias?
No. Si hubiera una parte con antimateria chocaría con otra con materia y el contacto provocaría la aniquilación de ambas y una liberación enorme de energía. No se ve nada en el espacio que exprese eso. No es imposible desde el punto de vista lógico, pero es improbable.
¿Por qué hay leyes de la física?
La evidencia dice que las hay y que actúan en todas partes. La ciencia estudia las que rigen en la Tierra y luego observa si operan en otros lugares. Como cuando usamos un espectrómetro para hacer un análisis químico de los fuegos artificiales, que producen diferentes colores según los distintos elementos químicos. Pues lo mismo sucede con las estrellas y planetas que descubrimos, y vemos que todo funciona de forma similar. Todos los átomos del universo parecen ser iguales. Una galaxia lejana es como la nuestra en los elementos que la componen. Parece que hay solo unas pocas leyes físicas y que operan en todas partes: la ley de la gravedad, la relatividad de Einstein, la velocidad de la luz, que es constante, o la radiación de fondo cósmico
“No podemos decir que los viajes en el tiempo son imposibles, pero tampoco cómo podrían hacerse”
de microondas. Luego hay cosas que van cambiando porque el universo se está expandiendo y enfriando, pero las leyes naturales no cambian. Es el contenido del cosmos el que se transforma.
¿Por qué vemos el universo tan misterioso y bello como un cuadro de Leonardo da Vinci o una catedral?
Porque la historia que cuenta es extraordinaria. Las fotos del Hubble narran de dónde venimos: vemos ejemplos de cómo nacieron las estrellas, cómo surgieron los planetas, galaxias como la nuestra, y pensamos: “Esta es mi historia, de ahí es de donde vengo”.
¿Cómo y cuándo surgió tu vocación?
Muy pronto. En primaria oí hablar del infinito y cogí todos los libros de ciencia que encontré. Con ocho años leía sobre grandes científicos y pensaba que quería imitarlos, aunque no sabía en qué campo. La astronomía era apasionante en 1954. Hoy lo es más porque hay muchos descubrimientos gracias a los telescopios espaciales. Desde la Tierra, la atmósfera impide ver bien. Mucha información del espacio llega en forma de ondas, y la atmósfera las enturbia. Pero un telescopio espacial puede ver galaxias formadas miles de millones de años después del big bang solo con un espejo de 85 cm de diámetro.
Eres el director científico del telescopio espacial James Webb (JWST), que se lanzará en marzo de 2021.¿Qué objetivos te planteas? Hemos retrasado el lanzamiento porque ha sido complicado construirlo. El problema es que es muy grande y tendrá que vivir en el frío espacio exterior. Hay que probarlo en un entorno similar, creado en el Centro Espacial Johnson, en Houston: un gran tanque de 20 m de diámetro por 4 m de alto que fue levantado para los astronautas que iban a la Luna. Testar el JWST en el tanque es lento y caro.
¿Qué esperáis encontrar con este nuevo aparato?
Queremos observar objetos cercanos y también las primeras galaxias, estrellas y agujeros negros que se generaron tras el big bang. Vamos a estudiar los procesos gravitacionales que hicieron surgir la Vía Láctea, a fotografiar la historia del universo y a rastrear las zonas de nacimiento estelar. En torno a las nebulosas hay una acumulación de gases y estrellas; algunas de ellas apenas tienen tres millones de años, y sabemos dónde se están creando. Las estrellas nacen en regiones muy frías de polvo cósmico. A menor temperatura, menor presión. La gravedad puede vencerla y amasar los materiales y los gases en un objeto compacto que acaba siendo una estrella. ¿Por qué son tan importantes las estrellas para la ciencia?
En el big bang solo había hidrógeno y helio, dos gases. Los demás elementos fueron fabricados después en las estrellas. Estamos hechos de materiales que fueron generados en su interior, somos reciclaje estelar. El oro, por ejemplo, surgió de la colisión de neutrones estelares. Ellos generaron, junto con las estrellas y la gravedad, todos los elementos. Y nosotros somos paleontólogos del universo.
Los proyectos espaciales generan nuevas tecnologías e inventos que más tarde usamos en la vida cotidiana. ¿Qué nos legará el JWST? Un miembro del equipo diseñó un sistema para corregir los errores de los espejos del telescopio y se dio cuenta de que podía aplicarlo para calcular los fallos de visión en la lente del ojo humano. Así que si vas al oculista, puede que veas mejor gracias al telescopio JWST.
¿Cuánto tiempo estará en funcionamiento el James Webb?
Diez años. Seis meses después del lanzamiento empezará a recopi
“Las estrellas nacen en regiones muy frías de polvo cósmico”
lar datos. Se situará a 1,5 millones de kilómetros, en un punto donde el Sol, la Tierra y el telescopio estarán alineados y podremos desplegar su parasol para que esté frío y protegido del calor solar.
¿Por dónde crees que podrían llegar las sorpresas?
Hay muchos objetos y fenómenos misteriosos en el espacio, como las ráfagas rápidas de radio, descubiertas en 2007, que proceden de lugares muy remotos, pero no sabemos qué las produce. Tal vez con el telescopio lo averigüemos. También queremos estudiar exoplanetas. Sabemos que la mayoría de las estrellas los tienen y que algunos podrían tener la temperatura adecuada para albergar vida.
¿Crees que podría haber vida en otras partes del universo?
Sí, el cosmos es inmenso, así que hay muchas probabilidades. Si un planeta reúne la temperatura y el tamaño adecuados y contiene agua es probable que haya algún tipo de vida en él. En cuanto a vida inteligente, el que haya dos personas en otra parte teniendo una conversación similar a esta, quizá sea más improbable.
¿Cómo surgió la Tierra?
Según datos recientes, el Sol se creó a partir de gases y materia en una región muy fría en que la gravedad pudo amalgamarlos. La Tierra habría surgido de los restos de esos materiales. Hay sucesos similares en el universo, pero no hemos logrado ver a planetas formarse, aunque sí hay imágenes de la formación de sistemas solares.
Por un lado parece que el universo es caótico pero a la vez nos surge la imagen de un ente estable y ordenado. ¿Cómo es en realidad? Ambas cosas. La estabilidad depende del tiempo. Para nosotros, el Sistema Solar es muy estable. El sol sale invariablemente cada veinticuatro horas. Pero si manejas una escala temporal de diez millones de años, ves que el clima ha cambiado y muchas especies también, y a cien millones de años vista encuentras que los continentes se han movido. En cuanto al universo, está muy estructurado jerárquicamente: hay elementos enormes, las galaxias, que a su vez están reunidas en grupos y que contienen otros elementos más pequeños que son las estrellas, que están rodeadas de planetas. Y todo está influido por la gravedad, que actúa sobre todos los elementos y ordena la estructura. Y en los lugares del universo en los que no hay galaxias hay polvo cósmico.
¿El big bang tuvo que ocurrir o sucedió porque algo fue mal?
No tenemos otro universo con el que comparar. Según la teoría de Alan Guth del universo inflacionario, se formó por una inestabilidad que propició el big bang y todo lo que vino después. Pero a largo plazo todo es inestable. La gravedad hace que las cosas lo sean.
¿La expansión que desató el big bang se está acelerando?
El universo se está acelerando. Las galaxias se alejan unas de otras debido a la energía oscura. En los primeros 9000 millones de años, la gravedad ofrecía resistencia y pudo reducir la velocidad de expansión del universo. Sin embargo, en los últimos 5000 millones de años, está yendo cada vez más rápido debido a la energía oscura.
¿Se expandirá por siempre?
Sí, debido a la energía oscura que contiene. ¿Podría pararse la expansión? No contamos con un motivo que lo justifique, así que lo más probable es que siga expandiéndose siempre. Aunque si desapareciera la energía oscura, el universo detendría su expansión.
¿Se volvería a contraer de nuevo y luego volvería a expandirse? Parece ser que no, pero no hay modo de saberlo. La teoría del gran rebote defiende que el universo se contrae y comprime cíclicamente. Hay científicos que piensan que es posible.
¿Existe la nada para un físico?
No podemos decir mucho. Podemos hablar de cómo una cosa se transforma en otra, pero no hay manera de explicar que en algún momento hubo la nada absoluta y después surgió algo. Para mí, ese concepto de la nada no tiene significado, no quiere decir nada.