El difícil arte de llevar razón estando totalmente equivocado

Si preguntamos a físicos profesionales, estudiantes o aficionados acerca de sus «héroes» en el campo seguramente obtengamos diversas respuestas comunes. Los populares de la clase, los sensación de vivir de la física, seguramente sean Feynman, Einstein, Newton y algún otro.  Si me preguntan a mí, respondería, sin dudarlo, que mi ídolo es Sir Fred Hoyle.

Este señor fue un portento de la física que aunaba cualidades que no he encontrado en ningún otro físico relevante en la historia. Tenía el don de llevar razón estando totalmente equivocado. Y eso, quieran que no, le da esperanzas a cualquiera.

No entraré aquí a hacer un esbozo biográfico del bueno de Hoyle, simplemente diré que vivió de 1915 a 2001, sin duda uno de los periodos más convulsos, crueles y excitantes de la historia universal y de la historia de la física. Estoy convencido de que vosotros, queridos lectores, tenéis los suficientes recursos para encontrar datos biográficos de este señor.  Lo que pretendo es dar mi visión personal, sesgada y subjetiva, sobre el trabajo de este físico.  Espero que sepan apreciar la belleza de su cabezonería y su terquedad.

El campo donde brilló su estrella fue la astrofísica (nótese aquí la genialidad de la frase que me acabo de sacar de la manga). Hoyle es sin duda uno de los gigantes de este campo de la física aplicada al universo que nos rodea.  Sus contribuciones nunca pasaron desapercibidas y generaron mucha controversia. Permitidme dar unas breves pinceladas sobre las que a mi parecer son las más interesantes.

Las nubes moleculares

Allá por los años cuarenta del pasado siglo, los físicos habían sido capaces de detectar la presencia de nubes intergalácticas en las que había evidencia de la existencia de grandes cantidades de átomos de hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más ligero posible, su átomo más simple está formado por un protón y un electrón que están ligados entre sí por la fuerza eléctrica debido a que sus cargas son iguales en magnitud y opuestas en signo.

Hoyle supuso que además de átomos de hidrógeno en dichas nubes de «polvo» esparcidas por el espacio deberíamos encontrar moléculas más complejas.  Las moléculas están conformadas por la unión química de varios átomos. Intentó publicar este resultado con la ingrata sorpresa de que fue rechazado en varias publicaciones. Cualquiera hubiera desistido de insistir con el tema, es muy difícil luchar contra el castillo ortodoxo y en ese castillo estaba asentada la opinión de que nada más complicado que el hidrógeno podría existir ahí fuera, en el espacio.

Pero, afortunadamente, no todos somos como Hoyle y él tuvo la audacia de explicar detalladamente su idea en una novela de ciencia ficción llamada The black cloud (La nube negra) y publicada en 1957.

En esta novela una gran nube compuesta de moléculas más complicadas que el hidrógeno se acerca al sistema solar y priva a la tierra de la luz del sol (hasta aquí el spoiler). Lo maravilloso de esto es que hoy por hoy las nubes moleculares son objetos astrofísicos bien conocidos y en permanente estudio.  Cada vez hay mayor evidencia de que en el espacio se pueden encontrar moléculas bastante complejas, incluso moléculas orgánicas que podrían ser precursoras de algunas moléculas biológicamente activas. Además, es en estas nubes moleculares donde se da el nacimiento de nuevas estrellas.

Esta es una gran forma de estar equivocado a los ojos de todo el mundo. Para mí quisiera este tipo de errores.

La excitación del carbono

En la actualidad es vox populi que el mecanismo por el que una estrella brilla y da calor es debido a reacciones nucleares donde se funden determinados núcleos para da lugar a núcleos más pesados. Una estrella no es más que una bola de gas comprimido por efecto de la gravedad. Al comprimirse el gas se calienta y llega un momento en el que tiene la suficiente energía como para dar lugar a reacciones de fusión nuclear en su seno.  A partir de este momento, el gas se calienta aún más, esto aumenta la presión hacia fuera y se produce una competición entre la gravedad que intenta comprimir el gas y la presión hacia fuera que intenta expandirlo debido a las temperaturas tan altas que se alcanzan.

El mecanismo más simple y el más popular entre las estrellas es el de convertir núcleos de hidrógeno (esencialmente protones) en núcleos de helio (también llamados partículas alfa). Este  proceso explica la generación de fotones que son capaces de salir de la estrella y son los que le dan su brillo.  Un esquema de este proceso es el siguiente

Y algo más visual:

El problema aquí es responder a la pregunta, ¿qué pasa cuando esta reacción ya no puede tener lugar porque se ha consumido todo el hidrógeno nuclear disponible?

La respuesta es simple, la estrella se enfría y domina la gravedad produciendo un colapso del material hacia su núcleo. Pero pronto los físicos se dieron cuenta de que al comprimir el material gaseoso de la estrella se produciría un aumento de la temperatura. ¿Pudiera ser que este aumento permitiera nuevos procesos de fusión esta vez con núcleos más pesados que el hidrógeno?

Esta pregunta llevó de cabeza a los físicos una temporada y aquí Fred Hoyle volvió a sorprender al personal. Dijo que sería posible mantener una fusión si se pudiera dar la reacción de fusión entre tres núcleos de helio simultáneamente. Esta reacción es extremadamente difícil de conseguir, hay que tener unas condiciones muy especiales, y de hecho estaba medio descartada como segunda fuente de energía estelar. Pero Hoyle removió otra vez la astrofísica haciendo una impresionante predicción: esta reacción sería factible y eficiente si existiera un estado nuclear excitado del carbono.

Los núcleos pueden estar en diferentes estados de energía; tenemos un estado de mínima energía denominado estado fundamental y los estados de mayor energía se denominan estados excitados. En algunos procesos los núcleos se pueden generar en estados excitados y  espontáneamente pasar a su estado fundamental. Para ello lo que hacen es emitir la energía que los separa del estado fundamental en forma de fotón, las partículas de luz.

Resulta que la reacción triple alfa sería mucho más probable si existiera un estado excitado del carbono que se separara una energía de 7.65MeV de su estado fundamental. Esta predicción fue hecha por Hoyle en 1957 y nunca se había visto experimentalmente este estado excitado del núcleo carbono. Pero poco después Ward Whaling y su equipo encontraron experimentalmente la existencia de este estado excitado.

Así que la reacción

es posible y nos da de regalo fotones, con lo cual las estrellas pueden seguir brillando, gracias a que existe un estado excitado del carbono que hemos representado por C*.

Dado que esta reacción es posible gracias a la combinación del aumento de densidad de las capas interiores de la estrella por la contracción gravitatoria y la existencia del estado excitado del carbono, se vuelve a producir energía que tiende a ejercer presión hacia fuera sobre las capas exteriores.  Este proceso da lugar a una expansión de dichas capas externas y las estrellas crecen en tamaño convirtiéndose en gigantes rojas. Eso es lo que le pasará a nuestro sol en unos 5000.000.000 de años y acabará comiéndose a los planetas interiores del Sistema Solar, incluida la Tierra.

Hoyle, junto a Margarett y Geoffrey Burbidge y Willy Fowler, además propuso los mecanismo por los que las estrella podrían llegar a crear núcleos más pesados como el oxígeno, nitrógeno, neón, silicio y los del grupo del hierro. Con esto se explica la aparición de estos elementos pesados vía generación estelar. Estos procesos de síntesis de elementos pesados se dan en estrellas muy grandes que acaban sus días con explosiones supernova, contaminando el medio interestelar con núcleos pesados que luego conforman planetas y nosotros mismos.  Así que podemos decir que somos las cacas de las estrellas.

El tema cosmológico

Sin lugar a duda, las ideas más controvertidas de Hoyle hacen referencia a la cosmología. Hoy tenemos una visión del origen y evolución del universo que se puede resumir en los siguientes puntos:

1.-  El universo tuvo su origen en un tiempo pasado en un proceso de creación desde el vacío cuántico de forma espontánea.

2.-  En los primeros instantes el universo sufrió un proceso de expansión acelerada denominada inflación cosmológica que provocó un sorprendente aumento de su tamaño y proporcionó el medio para crear las distintas partículas que nos componen, aprovechando la energía sobrante que resultó del proceso de frenado de este fenómeno inflacionario.

3.-  Durante este proceso se crearon las semillas para las galaxias que conforman la estructura a gran escala del universo. Este universo está en expansión constante y además lo hace de forma acelerada.

Estas ideas, que están muy resumidas, han sido corroboradas observacionalmente.  Las pruebas más fiables son de dos tipos:

a)  Este modelo predice la proporción en la que se encuentra el hidrógeno, helio, litio y otros elementos en el universo y coincide muy bien con los datos que hemos obtenido con las observaciones.

b)  Además, se predice una radiación de fondo, fotones que se crearon unos 300.000 años después del origen del universo y que nos llegan desde todos los puntos del cielo. La distribución de energía/temperatura de esta radiación es casi homogénea teniendo variaciones muy pequeñas que concuerdan con las predicciones del modelo cosmológico estándar.

Aquí es donde Hoyle sacó toda la artillería y se empecinó en llevarle la contraria a todo el mundo. No podía aceptar un universo que había nacido en el pasado, consideraba que el universo debería de ser eterno y puso sobre la mesa un modelo que explicaba esa idea. Es lo que se conoce como la teoría del estado estacionario.

Uno de los mayores «aciertos» de Hoyle en este respecto fue que en unas lecciones que dio en la BBC por radio intentó ridiculizar la imagen estándar de la cosmología, diciendo que según sus defensores todo había empezado en un Big Bang (gran explosión). Hemos de reconocer que su intento de burlarse de dicha teoría sufrió algo que hoy llamaríamos como efecto Streisand. Así que deberíamos de llamar al efecto Streisand el efecto Big Bang. No hace falta decir que es el nombre por el que se conoce la teoría cosmológica estándar.

Pero pasemos a resumir las locas ideas de Hoyle respecto a la cosmología. Sorprendentemente ninguna de ellas ha sido aceptada por los físicos y, sin embargo, hoy tenemos muchos modelos que podrían pasar por modelos propuestos por el mismísimo Hoyle.

La teoría del estado estacionario se puede resumir como sigue:

Se parte de que el principio ha sido como lo vemos desde siempre y seguirá siéndolo por siempre. A esto se le conoce como Principio Cosmológico Perfecto.

Hoyle sabía que el universo se estaba expandiendo, por lo tanto, para que la densidad del universo fuera constante y del valor que vemos en la actualidad, tuvo que introducir un campo que llamó campo C (la C viene de Creación) que tenía como efecto crear neutrones. Las características de este campo harían que la expansión del universo fuese acelerada. Para que no hubiera problemas con la conservación de la energía, el campo C debería de tener una energía negativa, y por lo tanto produciría repulsión gravitatoria en lugar de atracción como los campos usuales de energía positiva.

Ni que decir tiene que le cayeron palos de todos los sitios. Pero permitidme hacer varios comentarios al respecto de las críticas del modelo y de los modelos que se usan actualmente en física cosmológica.

Primera crítica:

El campo C es responsable de crear neutrones. Pero los neutrones son un tipo de partículas llamadas bariones, que son partículas formadas por tres quarks. Existe una ley de conservación de bariones que nos dice que el número de bariones iniciales y finales en un proceso ha de ser el mismo.  Por lo tanto, no es aceptable un campo que cree bariones de la nada.

En la actualidad hay muchos modelos que predicen violaciones a esta ley de conservación de bariones. Por ejemplo, los modelos de gran unificación que intentan dar con la teoría que describiría a la vez los procesos electromagnéticos, los procesos de radioactividad de la interacción débil y los procesos de la interacción fuerte responsable de la estructura nuclear entre otras cosas.  Lo que en los tiempos de Hoyle, allá por los cuarenta, era una crítica, hoy es algo que los físicos aceptan de entrada. No hay ninguna razón fundamental por la que el número de bariones del universo tenga que ser contante.

Segunda crítica:

El campo C tiene una energía negativa lo cual carece de sentido físico. Además, produciría una expansión acelerada en el universo lo cual va en contra de lo esperable.

Cosas de la vida, actualmente sabemos que el universo se expande de forma acelerada y, para rizar el rizo, sabemos que la mayor parte de nuestro universo es algo que llamamos energía oscura que entre otras cosas tiene energía negativa. La verdad es que equivocarse así da gusto.

Evidentemente, el modelo estacionario tiene más problemas que estos y por eso no es la corriente estándar en la cosmología. Pero lo que me interesa remarcar aquí es que Hoyle tuvo la suficiente valentía y confianza en sus resultados para equivocarse de la mejor manera. Por favor, con esto no estoy haciendo un alegato del error per se, sino del hecho de que la ciencia cambia sus ideas con el paso del tiempo y lo que un día son ideas alocadas en un futuro pueden ser ideas aceptadas. Pero, eso sí, todo lo que dijo este hombre lo demostraba siguiendo las reglas de la ciencia, proponía sus modelos teóricamente de forma matemática y proponía la forma de comprobarlos experimentalmente. Por desgracia para él, la naturleza ha preferido otra forma de hacer las cosas.

Uno puede tener todas las ideas raras que quiera pero ha de poder demostrarlas y defenderlas y, por supuesto, aceptar la sentencia del experimento.

Miscelánea

Hasta aquí todo lo que quería contar, pero Hoyle fue polémico en muchos más campos. Fue uno de los primeros en proponer la panspermia como posible origen de la vida en la tierra. Además defendió el diseño inteligente, cosa que no resiste un análisis muy minucioso. Por tener, tiene hasta una falacia a su nombre.  La falacia de Hoyle dice así:

¿Qué probabilidad hay de que un tornado se forme a partir de un conjunto de planchas metálicas, componentes electrónicos y tornillos de un Boeing 747?  Pues imagínese usted la probabilidad de crear vida a partir de un conjunto de moléculas abióticas en el medio terrestre primitivo.

Sí, la probabilidad de ese proceso es casi nula, pero se le olvidó introducir el tema de la evolución. La creación de la vida no fue un proceso directo y sin cortes de principio a fin. Fue una auténtica cadena de errores de las que solo unos pocos intentos tuvieron éxito en sobrevivir, adaptarse y evolucionar hasta formas complejas de vida. Vamos, que los mamiferos no salieron de una sopa de aminoácidos, glúcidos y ácidos nucléicos disueltos en agua, tuvieron que esperar hasta que sonó la flauta. Pero estos son otros temas de los que algún día me atreveré a decir algo.

Un abrazo, Fred.