Una breu i atzarosa història de la vida

LES CLAUS DE LA VIDA

› Al nostre univers el temps aparentment sempre va endavant, i a aquest fet l’anomenem la fletxa del temps. És aquest flux unidireccional el que permet la causalitat, és a dir, la relació entre causa i efecte. Sense aquesta direccionalitat els processos físics i químics de l’univers no progressarien i nosaltres no hi seríem.

› No sembla haver-hi a penes res, en les nostres teories físiques, que obligui el temps a anar només en una direcció. Tan sols trobem aquesta restricció en la segona llei de la termodinàmica.

› L’univers va néixer amb un grau de desordre (entropia) menor que l’actual. Aquest fet és el que ha permès que el cosmos estigui viu i sigui dinàmic. S’han desenvolupat estrelles, planetes i galàxies gràcies al fet que l’univers pot evolucionar cap a un estat de major desordre (entropia).

› Hauria estat molt més probable que el nostre univers hagués nascut desordenat. Si hagués sigut d’aquesta manera, potser a hores d’ara el desenvolupament de l’univers hauria arribat a la seva fi.

1. Com a admirador que soc del gran Carl Sagan i de la seva novel·la Contact, no em podia resistir a triar aquesta estrella, entre infinites, per desenvolupar el raonament que segueix.

2. La velocitat de la llum en el buit és de 299.792,458 quilòmetres per segon. En altres mitjans, la llum es mou a velocitats lleugerament menors, i és perfectament possible que una determinada partícula aconsegueixi desplaçar-se per aquell mitjà més ràpid que la llum mateix.

3. Aquest efecte relativista en el temps tan sols és rellevant quan es viatja a velocitats properes a les de la llum.

4. Sense aquesta correcció, els nostres GPS s’errarien aproximadament en uns nou quilòmetres… acumulables dia rere dia!

5. Ens retrobarem amb la termodinàmica en diverses ocasions al llarg del llibre, com quan parlem del funcionament de les estrelles, o de com va anar el debat sobre l’estimació de l’edat de la Terra.

6. Un mecanisme similar al descrit és perfectament possible, com fa a cada minut la nevera de la cuina, per exemple. Però no ho fa espontàniament, sinó a costa d’una despesa energètica que veiem retratada a la factura de la companyia elèctrica.

7. Segons aquest model, la pilota que rebota i s’acaba aturant ho fa perquè, a cada xoc amb el terra, part de la seva energia de moviment es transforma en calor, que escalfa la goma i també el lloc d’impacte, i que després es transfereix al voltant, per exemple a l’aire. D’aquesta manera la pilota va perdent energia progressivament i finalment s’atura.

8. Aquesta és la raó per la qual es pot parlar d’una temperatura mínima de la natura: la temperatura de zero absolut, corresponent a −273,15 °C, que seria la que faria que els àtoms s’aturessin totalment.

En aquest sentit, un termòmetre no és més que un instrument per mesurar el moviment de les partícules.

9. Com veurem en uns instants, assimilar el concepte d’entropia de Boltzmann exactament al grau de desordre no sempre és aclaridor, si abans no som capaços de posar-nos d’acord sobre el que significa estar ordenat o desordenat. Per aquest motiu, aquesta assimilació ha rebut històricament moltes i dures crítiques, però la seguirem emprant en aquest text com una forma entenedora de visualitzar el funcionament del segon principi de la termodinàmica, sense oblidar en cap moment, però, que es tracta d’una simplificació de l’enunciat original de Boltzmann (que en cap cas parla en termes d’ordre o desordre).

10. És una simplificació. Boltzmann ens va ensenyar que les partícules no es mouen totes exactament a la mateixa velocitat, sinó sobre la base d’una distribució estadística, a una corba de velocitats que es troba centrada en un valor mitjà.

11. La imaginació serà un valuós instrument al qual recorrerem en més d’una ocasió en aquesta obra per enfrontar-nos amb realitats tan complexos que només tornant a recuperar l’habilitat que teníem quan érem nens podrem saltar barreres de coneixement aparentment infranquejables.

12. En realitat, i seguint el raonament estadístic de Boltzmann, no es pot descartar que, de manera espontània, un determinat mecanisme violi per un instant el segon principi, i amb el seu moviment aleatori els àtoms trobin per casualitat una configuració absolutament ordenada. Però les probabilitats que això passi són tan petites que per a la majoria de casos pràctics no hi hauria temps suficient al llarg de la història de l’univers per poder caçar un d’aquests esdeveniments.

13. La despesa d’agenollar-nos, recollir els fragments i, molt pacientment, enganxar-los un a un per recuperar el got.

14. Serà que no existeixen els dimonis nans?

15. Més enllà de fluctuacions estadístiques.

16. Poc importarà, ja que en aquells moments farà molt que no existirà en tot l’univers res ni ningú que pugui observar un temps inexistent i fascinar-se davant d’aquest fet.

17. Sí, perquè al cap i a la fi hi ha moltíssimes més formes de crear una cosa caòtica que ordenada.

18. Per descomptat, hem desenvolupat diverses hipòtesis per intentar explicar aquest fet, com per exemple que en realitat només estiguem observant una minúscula fracció d’un cosmos molt més gran, i que aquesta fracció hagués fluctuat en el passat, i de forma aleatòria, cap a un estat de menys entropia. Però aquesta i altres hipòtesis de moment no són més que elucubracions més o menys elaborades sobre un fet que desconeixem.

2
L’origen d’un univers perfecte

Moltes de les «casualitats» de què anirem parlant, i que han estat fonamentals per a l’existència de la vida, es van produir durant els primers instants del nostre univers. En aquells moments es van forjar els fonaments de tot el que vindria a continuació. I quan un reflexiona sobre el moment zero, i sobre els processos que es van desencadenar a continuació, descobreix molts esdeveniments que podrien perfectament no haver estat. O simplement haver estat lleugerament, o molt, diferents. Tot el que va passar, i de la manera en què va passar, ha convertit aquest petit i perdut racó del cosmos en habitable.

Al llarg dels capítols que segueixen repassarem els primers instants de l’univers. Com es van crear les partícules que formen tot el que ens rodeja. Com es van forjar les forces fonamentals de la natura que permeten, per exemple, que els àtoms puguin existir, o que nosaltres tinguem consistència física.

En el nostre viatge a través dels fets primigenis del cosmos, la nostra primera parada serà el mateix moment zero. El moment en què tot va començar i es van col·locar les primeres peces del trencaclosques de la vida.

Cordem-nos el cinturó, perquè ens traslladem a l’instant del Big Bang!

Hi havia una vegada un univers

Sembla lògic pensar que com més gran sigui el nostre univers observable,¹⁹ com més racons tingui, més probable serà que en algun aparegui i es desenvolupi la vida.

Perquè, per molt ben dissenyats que estiguin els paràmetres fonamentals de la natura que afavoreixin la vida, després de la creació de l’univers perfecte quedarà moltíssima feina a fer per generar tot el que veiem aquí, a la Terra. Encara desconeixem els processos que fan que la vida més bàsica aparegui, i ara mateix ens podríem imaginar multitud d’esdeveniments que escombrarien del tot qualsevol intent de desenvolupar vida: des d’impactes catastròfics a morts explosives d’estrelles, o a forats negres massa propers.

Per tant, en un cosmos immens el pes de les xifres ens juga a favor. Tal com anirem veient al llarg del llibre, la part d’univers que som capaços d’observar està habitada per milers de milions de galàxies, cadascuna amb milers de milions d’estrelles, de sols.²⁰ I no cal dir que cada una d’aquestes estrelles acostuma a tenir planetes.²¹ Però no va ser fins ben entrat el segle XX que vam començar a intuir la dimensió del trosset d’univers en què vivim. I la cosa va portar discussions, sorpreses, i també la increïble manca d’autoconfiança del que ha estat el geni científic més gran de la història.

A començaments del segle XX, l’ortodòxia científica parlava d’un univers estàtic descrit, bàsicament, pel que veien els telescopis de l’època, que es reduïa a la nostra pròpia galàxia. La Via Làctia, el nom amb què l’hem batejat, és una entitat enorme. La manera més efectiva que he trobat d’explicar què és una galàxia és la següent: si suposem que una estrella, un sol, és un edifici, llavors una galàxia no és més que una ciutat.

Les galàxies, aquestes ciutats còsmiques, acostumen a ser immenses, plenes d’estrelles. En una galàxia típica les podem comptar per centenars de milers de milions! Igual que les nostres ciutats, podem pensar en les galàxies com a metròpolis que tenen una estructura, com per exemple uns llindars i un centre (molt concorregut, per cert). Venen a ser quasi auto-suficients, i dins una galàxia la vida i la mort se succeeixen amb independència del que passa a les altres ciutats. Així, en una galàxia hi neixen estrelles (es construeixen edificis), que molt més tard moren (s’enderroquen les construccions velles).

Però com també passa a la nostra vida quotidiana, tot el procés de construcció i enderroc es fa a costa del consum de material.²² I tot i que en molts casos s’intenta reciclar el material dels enderrocs per edificar de nou, no sempre és fàcil aconseguir justament els ingredients necessaris si no hi ha cap provisió externa que renovi els components exhaurits. Per tant, de vegades els nuclis urbans, ja sigui degut a la seva tendència a fagocitar-ne d’altres, o justament amb l’objectiu de poder sobreviure, es fusionen entre si, creant macroestructures encara més grans i revifant amb nous recursos l’activitat urbana.

La nostra estrella, el Sol, i nosaltres habitem un barri tranquil de la nostra ciutat galàctica, aproximadament a la meitat del recorregut que va des del centre al límit exterior. Des de la posició que ocupem, quan elevem la vista al cel nocturn contemplem la llum dels edificis que tenim al costat, al nostre carrer. Amb molta sort, si la nit acompanya, podem arribar a captar la feble llum d’estrelles que es troben al barri veí. I en alguns casos remarcables captem la brillantor d’edificis força més llunyans, la qual cosa només pot voler dir que aquestes estrelles són gegants i molt lluents perquè les puguem detectar a tanta distància.

En els mesos d’estiu, quan sortim de vacances fora de les ciutats, ens sorprèn una taca feble i nebulosa de llum, allargada en el cel, que el creua fins a perdre’s a l’horitzó. Va ser justament la visió d’aquesta meravellosa, alhora que subtil, franja de llum la que va inspirar als nostres avantpassats el nom de la galàxia, la Via Làctia, com un camí d’aparença lletosa.

Doncs bé, la part més densa d’aquesta visió estival correspon justament al downtown de la nostra ciutat còsmica: al centre de la Via Làctia, un lloc que és tan lluny del barri on vivim que som incapaços de distingir les estrelles individualment, i tot el que veiem és la llum agregada i difusa dels barris centrals. Una llum, per cert, que va sortir del centre galàctic quan l’home habitava les coves d’Altamira, fa aproximadament 25.000 anys!²³

La cosa es posa molt més interessant amb un telescopi. Perquè amb aquest instrument, com qui surt al balcó de casa equipat amb uns prismàtics, podem allargar la visió i observar estrelles que habiten altres regions de la Via Làctia. Podem, per exemple, dividir la taca nebulosa de la nostra galàxia en estrelles individuals.²⁴

Des de la invenció del telescopi, i amb instruments cada cop més potents, els astrònoms van començar a mesurar les dimensions de la Via Làctia. Les xifres estimades d’estrelles es disparaven. No era tan sols el que es podia veure, sinó justament el que no. La llum i la pols del disc galàctic ens amaguen les regions que, des de la nostra perspectiva de visió, queden situades al darrere. Conscients d’aquest fet, els científics de finals del segle XIX i començaments del XX van dibuixar una ciutat que era immensa. Que probablement contenia milers de milions d’estrelles.

De fet, actualment estimem les dimensions de la galàxia en 100.000 anys llum (que equival a dir un trilió de quilòmetres!), unes xifres tan enormes que no es necessitava res més que la nostra Via Làctia per donar compte de tot l’univers. Si ja és difícil que el nostre limitat cervell pugui manegar-se amb quantitats de l’ordre de les que estem parlant, a qui se li acudiria pensar que la nostra galàxia no era sinó una més entre moltes?

La descripció de l’univers que es tenia, per tant, corresponia a un lloc gegantí però format únicament per la nostra galàxia. I, a més, una galàxia que es trobava en situació estàtica. Per estàtica entenem que, a part d’algunes estrelles suficientment properes perquè es pogués detectar el seu moviment propi quan giren al voltant de la galàxia, no hi havia res que fes sospitar cap desplaçament global. Cap canvi d’estructura rellevant. Cap expansió o contracció de l’espai.

Era, per dir-ho així, un univers feliçment estàtic. I, és clar, si ara era estàtic es podia pensar que sempre ho havia estat. Es tractava, doncs, d’un cosmos etern, en llenguatge científic temporalment infinit, i per tant no es podia parlar en cap cas de res similar a un inici.²⁵ I així pensaven la majoria de científics, entre els quals es trobava un dels genis més destacats de tota la història, i que ja hem trobat al primer capítol: Albert Einstein.

L’any 1917, Einstein va publicar la seva teoria de la relativitat general, un marc magnífic i absolutament trencador que explica com funciona la gravetat. I tan trencador va ser que va sorprendre fins i tot el seu creador.

Després d’un gran aparat matemàtic, la relativitat general es condensava en una única fórmula, quasi màgica, que establia com la massa i l’energia modifiquen la forma, la topologia, de l’espaitemps, i com les deformacions d’aquest, al seu torn, condicionen com es comporta la massa i l’energia.

El concepte d’espaitemps ja havia estat emprat uns anys abans pel mateix Einstein, en parlar de la relativitat especial. Aquesta entitat vindria a ser com el teixit que forma l’univers: un espai, amb tot el que això ens evoca de quan estudiàvem les tres coordenades espacials, però incorporant una nova variable temporal com a quarta dimensió.

En aquest punt vull evitar les complicacions implícites en l’enigmàtic concepte de temps, per la qual cosa m’he proposat mantenir-lo reclòs dins el primer capítol del llibre. Intentaré, per tant, no parlar de les (enormes, extraordinàries, fascinants, però complexes) conseqüències que la incorporació de la dimensió temporal té en tot el que aniré explicant al llarg del llibre. La meva deformació professional farà que vetlli normalment per seguir emprant el terme espaitemps per referir-me al que vulgarment anomenaríem simplement espai. Però no pateixis, abnegat lector, que intentaré complir el compromís de no deixar que la bèstia s’escapi de la primera part del llibre.

Per entendre el que ens explica la relativitat general, podríem pensar en l’espaitemps com una tela elàstica, ben bé com el teixit sobre el qual es mouen els diferents objectes de l’univers. Llavors és molt senzill d’imaginar²⁶ què passa quan es col·loca una bola pesada al mig de la tela: la tela s’enfonsa, i es crea una deformació al voltant seu en forma de pou, més o menys pronunciat en funció de com de pesada sigui la bola que hem emprat. Si per allà a prop circula una altra bola i passa pel costat del pou, en el cas que no porti suficient velocitat per escapar-se’n pot ser que tingui tendència a caure-hi. I si cau, ho farà descrivint una espiral, com l’aigua que marxa pel desguàs.

Doncs bé, Einstein ens ve a dir que la gravetat, que havia estat elevada a la categoria de força de la natura per Newton quasi tres segles abans, no és més que una deformació de l’espaitemps provocada per una massa (o energia): el pou de la tela creat per la bola.

La revolució és brutal! Newton, a la tomba, potser s’hauria irritat en veure com es degradava la seva estimada gravetat de força a deformació, a simple efecte topològic.²⁷ A més, la relativitat general no només explica que un pèsol, una persona, un planeta o una galàxia deformen l’espaitemps i creen, així, el que anomenem gravetat, sinó que la deformació causada, és a dir la gravetat, al seu torn modifica el comportament del pèsol, de la persona, del planeta o de la galàxia, fent que desviï la seva trajectòria.

La criatura que Einstein acabava de crear, però, presentava un comportament que al seu pare no li agradava gens i que va voler, com a bon progenitor, educar. La relativitat general, aplicada a l’univers, dibuixava un cosmos que no era estàtic. Les equacions conduïen cap a un escenari dinàmic, en contracció degut a l’acció de la gravetat acumulada de tota la matèria de l’univers. Einstein, contrariat, va decidir introduir artificialment un nou paràmetre a les seves equacions. L’anomenada constant cosmològica estava pensada per domar les tendències dinàmiques de l’univers que resultaven de la relativitat general, actuant com a força repulsiva per contrarestar la gravetat i obtenir, així, un cosmos estàtic, com tocava.

Però malgrat l’intent de domar les fórmules, la situació d’equilibri forçat era molt inestable. Una breu anàlisi de les equacions mostrava que el joc mutu entre matèria/energia i deformació de l’espaitemps provocaria, quan es produís el més mínim canvi, un efecte en cadena, imparable i creixent, que trencaria l’equilibri i conduiria cap a un univers en ràpida transformació.

Sorpresa! El cosmos és immens!

Aquella va ser una època gloriosa. En qüestió d’anys, al començament del segle XX, la ciència estava reunint les peces més importants del puzle de la natura, algunes a pesar dels seus propis descobridors i enmig de grans polèmiques i discussions. La revolució extraordinària de la relativitat coincidia amb el terratrèmol que la mecànica quàntica va significar per al món d’allò més petit, de les partícules subatòmiques. I una altra de les revolucions que es preparava tenia a veure, de nou, amb l’univers. En concret, amb les seves dimensions.

Feia un cert temps que els astrònoms s’havien fixat, cada cop amb més interès, en uns objectes d’aspecte feble que els observadors telescòpics dels segles anteriors havien anomenat nebuloses. Es creia que aquestes nebuloses eren grans concentracions de gas que brillaven pel fet d’estar calentes. I així era en realitat, almenys en la majoria de casos. Però no totes eren el que semblaven, ni tothom tenia clara la seva naturalesa.

Per exemple, a mitjan segle XVIII alguns agosarats pensadors s’havien atrevit a dir que potser algunes d’aquelles nebuloses eren enormes agrupacions d’estrelles similars a la nostra Via Làctia. I posteriorment, durant el segle XIX, i a mesura que es van anar millorant els instruments òptics, uns pocs d’aquests objectes van anar perdent la característica de simple taca i van començar tímidament a mostrar estrelles. Què eren en realitat? Barris de la nostra galàxia? O potser es trobaven molt més lluny i es tractava d’altres ciutats còsmiques?

En general, a les persones no ens agraden gaire els canvis radicals i som animals de costums. Defensem l’ordre establert, l’statu quo, de vegades cecs a les evidències que ens diuen que estem equivocats. I la ciència no és una excepció (no ho podria ser mai, atès que el desenvolupament científic el fem les persones).

A finals de la primera dècada del segle XX es va obrir una intensa discussió sobre el tema, anomenada històricament el Gran Debat. La posició majoritària de la comunitat científica corresponia al model conservador, el que deia que objectes com ara la Gran Nebulosa d’Andròmeda, una gran concentració d’estrelles, eren satèl·lits de la Via Làctia, i com a tals es trobaven relativament a prop. Per la seva banda, els rebels defensaven que aquelles taques de llum eren altres ciutats, altres galàxies, i per tant eren enormement grans, potser tant com la Via Làctia o més. I que tan sols la seva llunyania explicaria per què les observàvem relativament petites. Pels rebels, Andròmeda no havia de ser una gran nebulosa, sinó una gran galàxia.

Evidentment, cada grup de discussió presentava els seus arguments, sustentats en evidències (poques, i de vegades incorrectes) i suposicions. I així va arribar el punt culminant, el dia 26 d’abril de 1920 al Museu d’Història Natural de l’Institut Smithsonian. Devia ser un d’aquells moments que pagaríem per poder espiar per un foradet. Una important representació dels millors astrofísics de l’època es van reunir per debatre sobre la naturalesa de les nebuloses/galàxies.

Els arguments de la defensa van ser presentats per l’eminent astrònom Harlow Shapley. Entre altres coses, argumentava que la Gran Nebulosa d’Andròmeda no podia ser una galàxia com la nostra, ja que si ho fos allò implicaria que hauria d’estar situada a una distància enorme, de milions d’anys llum, un concepte que semblava senzillament impossible. Un altre argument es basava en unes enigmàtiques estrelles anomenades noves pels astrònoms. Eren astres que, tot d’una, augmentaven la seva llum de forma extraordinària i passaven a brillar amb una potència equivalent a la de tota la galàxia.²⁸ Algunes de les noves s’havien observat a Andròmeda, i això ja parlava de la increïble potència energètica que havien de generar aquells fenòmens perquè poguessin lluir d’aquesta manera des d’un barri allunyat de la Via Làctia. Però de cap manera es podia acceptar que existís un fenomen energètic tan gegantí perquè aquelles estrelles es veiessin tan brillants des de la Terra si de debò Andròmeda estava situada massa lluny, fora completament de la Via Làctia.

La posició dels revolucionaris era defensada per Heber Curtis, un astrònom tretze anys més gran que el seu oponent. Curtis va emprar l’argument de les noves des d’un altre punt de vista, i es va preguntar com era que es detectaven moltes més d’aquelles estranyes estrelles a Andròmeda que a qualsevol altre lloc del cel. Què feia que les noves es concentressin en una regió del firmament? La seva conclusió era que Andròmeda havia de ser en realitat molt gran, immensa per contenir tantes noves. A més, Curtis i els seus seguidors es recolzaven en el fet que s’havien detectat bandes obscures en les observacions d’algunes d’aquelles nebuloses/galàxies, bandes similars a les que ens oculten parts de les zones centrals de la Via Làctia.

Si bé la discussió a l’Institut Smithsonian no va deixar tancada la qüestió aquell mateix dia, sí que va significar un punt d’inflexió. A partir d’aquell moment, a poc a poc es va anar imposant la tesi dels rebels. Visca la revolució! De sobte, en pocs anys de debat, l’univers havia crescut de la mida de la Via Làctia a un espai encara més immens, molt més enllà, segurament insondable, habitat per altres galàxies, cadascuna amb milers de milions de sols!

Tot semblava a punt per a l’explosió final. O hauria de dir inicial?