El cosmos en una partícula de pols

Estudiant de l’Abbot Academy fent servir un telescopi, 1940-1949 | The Trustees of Phillips Academy, Digital Commonwealth | CC BY-SA

«Estimats Amics de Radioactive, avui he fet una cosa terrible com a físic teòric: he introduït una nova partícula que ningú serà capaç de veure mai.»

Wolfgang Pauli, anys 1930

Hi ha qui diu que som una força geològica. Al llarg de la breu història de la humanitat hem après a transformar els materials de la biosfera segons ens convingués. Els especialistes han rebut la formació necessària per transformar roques en turons cúbics per tal de poder habitar-hi. Les tecnologies de la comunicació també han contribuït a la formació de nous paisatges de la superfície del nostre planeta. Darrerament, en l’àmbit de la ciència s’han destinat esforços a desenvolupar mètodes i eines de disseny per arribar a un entorn de bioenginyeria integrada, i la biologia sintètica promet arribar a ser el terreny propici per a un procés gradual i evolutiu d’integració amb la natura. Estem preparats per dissenyar la matèria pròpiament dita. Però, segons l’astrofísica, aquesta matèria i qualsevol altra que sigui visible en la immensitat del nostre univers amb prou feines representa el 4 % de tota l’existent. La resta no la podem veure, i justament per això l’anomenem matèria fosca.

Poden els dissenyadors explorar maneres de comprendre i d’interactuar amb la matèria fosca? Fins a quin punt és possible modificar la matèria visible i fins i tot afrontar reptes impensables dins del nostre actual model de producció? Tot i que pugui semblar agosarat, abordar la matèria fosca és una hipòtesi real, i especular sobre el seu potencial en termes de disseny podria contribuir a desentranyar els confins del disseny i de les seves realitats subsegüents. Al cap i a la fi, ningú es va prendre gaire seriosament Fritz Zwicky quan als anys 1930 va parlar per primera vegada de l’existència de la matèria fosca.

Que hi ha enginyers que treballen en el camp de la biologia i dissenyadors que exploren materials del futur no són especulacions, sinó pràctiques reals. Les fronteres del disseny han esdevingut possibles gràcies a la confluència dels avenços tècnics i la col·laboració creixent entre les diferents àrees del coneixement. Actualment es proven productes de bioenginyeria en laboratoris, ja que els dissenyadors s’han acostumat gradualment a interactuar i intercanviar idees amb biòlegs, científics de la matèria, enginyers biològics i bioprogramadors.

Hem arribat a un punt en què podem manipular la matèria de què està feta la pròpia vida: la cèl·lula. Formada per molècules d’àtoms units per l’energia, que posteriorment s’han dividit en configuracions de protons, neutrons i electrons, la matèria viva està feta dels mateixos elements químics que la inerta; i totes dues es regeixen per les mateixes lleis físiques i químiques en l’àmbit macroscòpic. Els astrònoms s’hi refereixen com «matèria bariònica». El fet d’investigar sobre la matèria fosca ens fa endinsar en el món pràcticament desconegut de la matèria «no-bariònica».

Imatge del telescopi Hubble Space del clúster galàctic MACS0416 (esquerra), i la mateixa imatge (dreta) sobreposada amb la distribució de la matèria fosca, que es mostra de color blau. Exploracions a càrrec de Priyamvada Natarajan i el seu equip, que estudien la distorsió de la llum provinent de grup de galàxies llunyanes | ESA/Hubble | Domini públic

Matèria fosca com a regla del Cosmos

«Vivim en un univers peculiar, sens dubte. L’inventari del nostre univers és molt estrany. Gran part d’allò que coneixem no és més que una minúscula fracció de l’univers; el 4 o 5 % és la matèria que coneixem, els àtoms que coneixem, els elements que hi ha a la taula periòdica. La immensa majoria de tot allò que conforma l’univers –tant la matèria fosca com l’energia fosca, que dominen l’univers–, el seu destí i el seu contingut, es desconeixen. Soc prudent quan dic que estem buscant una bretxa, perquè, de fet, esperem alguna mena de revolució. Però ningú no sap ben bé quan comencen les revolucions.»

El cosmos està format principalment per energia fosca i matèria fosca. Tot i que és pràcticament imperceptible, es creu que la matèria fosca representa aproximadament el 83 % de tota la matèria de l’univers. La matèria fosca atreu les coses entre si, genera força de gravetat i fins i tot suggereix noves espècies de partícules. Per tal de comprendre les estructures més grans del cosmos hauríem d’entendre l’estructura de les seves partícules més petites, desplaçant-nos de l’espai exterior a l’interior, com si féssim el viatge que suggereix Eames al seu curtmetratge Powers of 10. Encara que la majoria de la matèria de l’univers és fosca, només en percebem els seus efectes gravitacionals. La matèria, tal com nosaltres la coneixem, no és res més que una xarxa de fils que connecten els clústers de matèria fosca. La matèria fosca s’acumula en els seus i és així com es formen les galàxies.

Ningú sap del cert de què està feta la matèria fosca. La hipòtesi de la matèria fosca freda propugna que són «partícules massives d’interacció feble» (WIMPs en anglès, de Weakly Interacting Massive Particles), perquè poden travessar matèria ordinària sense conseqüències, tot i tenir massa. S’ha parlat d’alguns WIMPs hipotètics, entre els quals trobem neutrins, axions i neutralins. Un neutrí és una partícula elemental sense càrrega elèctrica capaç de travessar la matèria ordinària sense experimentar pràcticament cap alteració. Els neutrins tenen una massa gairebé insignificant, però no nul·la. Els axions són partícules amb una massa mínima que haurien estat produïdes en abundància al Big Bang. S’han proposat per explicar la neutralitat elèctrica dels neutrons. Els neutralins són partícules massives que probablement tinguin un volum de 30 a 5.000 vegades superior a la massa d’un protó.

Els científics ja han començat a investigar l’aparició d’aquestes partícules tant a les profunditats de la terra com a l’espai exterior. Un bon exemple  és l’activitat duta a terme al laboratori de física de partícules CERN, situat a l’extrem nord-oest de Ginebra, a la frontera francosuïssa, amb el túnel subterrani Large Hadron Collider, a cent metres sota terra, situat a la zona que hi ha entre l’aeroport de Ginebra i les veïnes muntanyes de Jura. D’altra banda, també hi ha el telescopi de neutrins del llac Baikal per dur a terme la investigació de neutrins en aigües profundes. L’Observatori de neutrins IceCube és el telescopi de neutrins més gran del món, situat a la part més meridional del planeta, on un equip d’investigadors pioners ha enterrat milers de sensors sota el gel, a molts quilòmetres de profunditat, amb l’esperança de poder capturar un neutrí atípic, procedent de fonts atmosfèriques i astrofísiques, en el moment d’esclatar en un conjunt d’àtoms de gel.

Les propostes teòriques i experimentals més recents posen de manifest l’existència d’indicis interessants: un físic dels EUA ha calculat que la matèria fosca podria sorgir en una senzilla teoria quàntica generalitzada sobre la gravetat. Altres teories, com la de Maxim Pospelov, postulen estructures com bombolles, anomenades «murs de domini», que es podrien detectar amb una xarxa de magnetòmetres  situada estratègicament al voltant del món. La professora Priyamvada Natarajan explora i traça un mapa de la matèria fosca i la seva distribució a l’univers mitjançant lents gravitacionals (curvatura de la llum per la matèria fosca) i apunta que existeixen zones amb una major concentració de matèria fosca. Kathryn Zurek i Dan McKinsey, de Berkeley Lab i UC Berkeley, han dut a terme nous experiments amb heli líquid i cristalls d’arsenur de gal·li amb l’objectiu de detectar traces de matèria fosca de massa baixa en gammes de partícules de massa i d’energia que encara no s’havien explorat mai. En cas que es trobessin nous mètodes d’observació, de simulació o d’especulació al voltant de la matèria fosca, convindria comptar amb la participació d’altres disciplines, com l’art i el disseny, entre d’altres, perquè aportarien idees inesperades sobre què buscar i en quines ubicacions.

El detector antineutrins de Daya Bay | Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory | Domini públic

Dissenyar amb la matèria fosca

És possible dissenyar amb la matèria fosca? És possible interactuar i fins i tot manipular allò que no podem veure? Si amb els nostres experiments estem arribant als límits de la sensibilitat, és possible que la primera cosa que calgui fer sigui dissenyar eines de percepció més àmplia. L’artista Neil Harbisson ja ha demostrat que hi ha noves maneres d’ampliar la percepció: ell mateix porta un artefacte que li permet escoltar els colors. Podríem seguir el suggeriment de Maxim Pospelov i començar a identificar els aparells que expandeixen el nostre camp de percepció de l’espectre de la matèria. A Planetary Echoes, Lukas Feireiss i Michael Najjar suggereixen que imaginar els éssers humans com espècies multiplanetàries ha deixat de ser una fantasia i han fet uns quants intents per connectar la investigació artística amb les ciències teòriques abstractes. Podem especular sobre com seria la percepció humana de la matèria fosca.

Possiblement caldria una plataforma oberta d’investigació que interrelacionés tots els esforços efectuats individualment des de diferents disciplines. Es podrien organitzar tallers interdisciplinaris i espais que aprofitessin els nous mètodes de fabricació que ja es posen en pràctica als laboratoris de biologia comunitaris com GenSpace o bioCurious. El CERN ja acull el programa Arts at CERN per fomentar el diàleg entre artistes i físics, en una nova experiència col·lectiva que pogués imaginar nous aparells per experimentar amb la matèria en l’àmbit quàntic: des de biolàsers quàntics fins a maquetes de noves estacions interestel·lars construïdes amb materials sense carboni i desplaçament quàntic utilitzant el teletransport. Aquests laboratoris podrien explorar noves maneres d’habitar planetes llunyans com a formes evolucionades dels cíborgs humans adaptats a condicions d’aquesta mena.

La teoria de la mecànica quàntica postula que la intersecció entre la física i la consciència a nivell atòmic es pot aplicar a tot, fins i tot a l’univers sencer. És possible que, en el futur, es creïn de manera col·lectiva nous artefactes, encara no imaginats, que ens permetin percebre i manipular els neutrins i altres partícules subatòmiques, i que d’aquí passem a programar àtoms, així com avui en dia som capaços de programar cèl·lules. Ens podríem moure a través dels forats espai-temporals excavats en la matèria fosca que circula per estats embullats en companyia del gat de Schrödinger.