Ideas sobre el universo

Un repaso por las ideas sobre el origen y la evolución del universo, desde la antigüedad hasta nuestros días.

En el año 340 a. C.  Aristóteles pensaba que la Tierra estaba en reposo y que el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas se movían en órbitas circulares alrededor de la Tierra. Lo pensaba porque creía, por razones místicas, que la Tierra era el centro del universo y que el movimiento circular era el más perfecto.

En el siglo 1 d.C. Ptolomeo desarrollo esta idea para dar un modelo cosmológico completo. La Tierra permanecía en el centro, rodeada por ocho esferas que llevaban a la Luna, el Sol, las estrellas y los cinco planetas entonces conocidos: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Además, para poder explicar las complicadas trayectorias de los planetas que se observaban en el cielo, estos debían moverse en círculos más pequeños ligados a sus respectivas esferas. La esfera externa arrastraba a las denominadas estrellas fijas, que siempre están en las mismas posiciones relativas, pero tienen un movimiento de rotación común. Lo que hay más allá de la última esfera no quedó nunca muy claro, pero ciertamente no era parte del universo observable para la humanidad. Este modelo fue adoptado por la Iglesia cristiana como una imagen del universo que estaba de acuerdo con las Sagradas Escrituras. Tenía la gran ventaja de que dejaba mucho margen fuera de la esfera de las estrellas fijas para el cielo y el infierno.

En 1514 Nicolás Copérnico propuso un modelo mucho más simple, Su idea era que el Sol estaba en reposo en el centro y que la Tierra y los planetas se mueven en órbitas circulares alrededor del Sol. Al principio, por miedo a ser acusado de herejía, Copérnico publicó su modelo de forma anónima. Pasó casi un siglo antes de que su idea fuera tomada en serio.

En 1609 Galileo Galilei empezó a observar el cielo nocturno con un telescopio, un instrumento que se acababa de inventar. Cuando miró al planeta Júpiter, Galileo descubrió que estaba acompañado por varios satélites pequeños, o lunas, que orbitaban a su alrededor. Esto implicaba que no todas las cosas tenían que orbitar directamente en torno a la Tierra como habían pensado Aristóteles y Ptolomeo. Por supuesto, seguía siendo posible creer que la Tierra estaba en reposo en el centro del universo y que las lunas de Júpiter se movían en trayectorias extraordinariamente complicadas alrededor de la Tierra, dando la impresión de que orbitaban en torno a Júpiter. Sin embargo, la teoría de Copérnico era mucho más simple, y decidió apoyar en público la teoría copernicana, pese al hecho de que las órbitas que predecía no encajaban perfectamente con las observadas.

Al mismo tiempo, Johannes Kepler había modificado la teoría de Copérnico, sugiriendo que los planetas no se mueven en círculos sino en elipses. Ahora las predicciones encajaban por fin con las observaciones. Para Kepler, las órbitas elípticas eran meramente una hipótesis ad hoc, y una hipótesis más bien desagradable, puesto que las elipses eran claramente menos perfectas que los círculos. Tras descubrir casi por accidente que las órbitas elípticas encajaban bien con las observaciones, no podía conciliar esto con su idea de que eran fuerzas magnéticas las que hacían que los planetas orbitaran en torno al Sol.

En 1687 Isaac Newton publicó sus Principia Matemática Naturalis Causae[1] . Esta fue probablemente la obra más importante publicada hasta entonces en las ciencias físicas. En ella Newton no solo proponía una teoría de cómo se mueven los cuerpos en el espacio y el tiempo, sino que también desarrollaba las matemáticas necesarias para analizar dichos movimientos. Además, Newton postulaba una ley de gravitación universal. Esta decía que cada cuerpo en el universo era atraído hacia cualquier otro cuerpo por una fuerza que era más intensa cuanto más masivos eran los cuerpos y más próximos estaban. Era la misma fuerza que hacía que los objetos cayeran al suelo. Newton demostró que, según su ley, la gravedad hace que la Luna se mueva en una órbita elíptica alrededor de la Tierra y hace que la Tierra y los planetas sigan trayectorias elípticas alrededor del Sol.

Las estrellas fijas no parecían cambiar sus posiciones relativas cuando la Tierra daba vueltas alrededor del Sol. Por eso llegó a ser natural suponer que las estrellas fijas eran objetos como nuestro Sol, pero mucho más alejados. Esto planteaba un problema. Newton se dio cuenta de que, según su teoría de la gravedad, las estrellas deberían atraerse mutuamente; por lo tanto, parecía que no podían permanecer esencialmente en reposo. ¿No deberían juntarse todas en algún punto?

Un hecho revelador sobre la corriente general de pensamiento anterior al siglo XX es que nadie había sugerido que el universo se estaba expandiendo o contrayendo. Se solía aceptar que o bien el universo había existido eternamente en un estado invariable, o bien había sido creado en un tiempo finito en el pasado, más o menos tal como lo observamos hoy.

EL COMIENZO DEL UNIVERSO

Aristóteles y la mayoría de los filósofos griegos creían que la especie humana y el mundo a su alrededor habían existido, y existirían, para siempre.

San Agustín, en su libro La ciudad de Dios, afirma que el hombre, y con ello también quizá el universo, no pudo haber existido siempre. De lo contrario, ya habríamos progresado más de lo que lo hemos hecho. San Agustín aceptaba una fecha en torno al 5000 a. C. para la creación del universo según el libro del Génesis.

Cuando la mayoría de la gente creía en un universo esencialmente estático e invariable, la pregunta de si tuvo o no un comienzo era realmente una pregunta metafísica o teológica. Se podía explicar lo que se observaba de una de dos maneras: o bien el universo había existido siempre, o bien se puso en marcha en algún tiempo finito de modo que pareciera que había existido siempre.

Nuestro Sol y las estrellas cercanas son parte de un vasto conjunto de estrellas llamado Vía Láctea. Durante mucho tiempo se pensó que esta galaxia era todo el universo.

En 1923, Edwin Hubble descubrió que muchas tenues manchas luminosas, llamadas nebulosas, eran en realidad galaxias, grandes conjuntos de estrellas como el Sol, pero a gran distancia de nosotros. Para que nos parezcan tan pequeñas y débiles, las distancias habían de ser tan grandes que la luz procedente de ellas habría tardado millones o incluso miles de millones de años en llegarnos. Ello indicaba que el comienzo del universo no podía haberse producido hace tan sólo unos pocos miles de años. Pero la segunda cosa que Hubble descubrió aún resultaba más sorprendente. Los astrónomos habían aprendido que, mediante el análisis de la luz de las otras galaxias, podemos averiguar si éstas se están acercando o alejando. Hallaron, estupefactos, que casi todas las galaxias se están alejando. Además, cuanto más lejos están, con mayor velocidad parecen estar alejándose. Fue Hubble quien se dio cuenta de las implicaciones espectaculares de este descubrimiento: a gran escala, todas las galaxias se están alejando de todas las demás galaxias. El universo se está expandiendo.

El descubrimiento de la expansión del universo fue una de las grandes revoluciones intelectuales del siglo XX. Constituyó una sorpresa radical y modificó completamente las discusiones sobre el origen del universo. Si las galaxias se están separando, debieron estar más juntas en el pasado. A partir de la tasa actual de expansión, podemos evaluar que, efectivamente, estuvieron muy próximas las unas a las otras hace unos diez o quince mil millones de años.

Este descubrimiento llevó finalmente la pregunta del comienzo del universo al dominio de la ciencia. Las observaciones de Hubble sugerían que hubo un momento, llamado el big bang, en el que el universo era infinitesimalmente pequeño y, por consiguiente, infinitamente denso. Si hubo sucesos anteriores a ese momento, no podrían afectar a lo que sucede en el tiempo presente. Su existencia puede ignorarse porque no tendría consecuencias observacionales. Se puede decir que el tiempo tuvo un comienzo en el big bang, simplemente en el sentido de que no pueden definirse tiempos anteriores.

Habría que dejar claro que este comienzo en el tiempo es muy diferente de los que se habían considerado previamente. En un universo invariable, un comienzo en el tiempo es algo que tiene que ser impuesto por un ser fuera del universo. No hay ninguna necesidad física de un comienzo. Se puede imaginar que Dios creó el universo literalmente en cualquier momento en el pasado. Por el contrario, si el universo se está expandiendo, puede haber razones físicas de por qué tuvo que haber un comienzo. Se podría seguir creyendo que Dios creó el universo en el instante del big bang. Incluso podía haberlo creado en un tiempo posterior de tal forma que pareciese que hubiera existido un big bang. Pero no tendría sentido suponer que fue creado antes del big bang. Un universo en expansión no excluye la figura de un creador, pero pone límites a cuándo Él podría haber realizado su obra.

Visto en retrospectiva, es fácil preguntar por qué nadie había pensado en ello antes. Newton y otros físicos deberían haberse dado cuenta de que un universo estático pronto empezaría a contraerse bajo la influencia de la gravedad. Pero supongamos que, en lugar de ser estático, el universo se estuviera expandiendo. Si se estuviera expandiendo lentamente, la fuerza de la gravedad haría que, con el tiempo, dejara de expandirse y luego empezara a contraerse. Sin embargo, si se estuviera expandiendo a una velocidad mayor que cierta velocidad crítica, la gravedad nunca sería lo bastante intensa para detenerlo, y el universo seguiría expandiéndose para siempre.

Este comportamiento del universo podría haberse predicho a partir de la teoría de la gravedad de Newton en cualquier momento del siglo XIX, del XVIII o incluso del siglo XVII. Pero la creencia en un universo estático estaba tan arraigada que persistió hasta principios del siglo XX. Incluso cuando Albert Einstein formuló la teoría de la relatividad general en 1915, estaba seguro de que el universo tenía que ser estático. Por eso modificó su teoría para hacerlo posible, introduciendo en sus ecuaciones una denominada constante cosmológica. Esta era una nueva fuerza de «anti gravedad», que, a diferencia de otras fuerzas, no procedía de ninguna fuente concreta, sino que estaba incorporada en el propio tejido del espacio-tiempo. Su constante cosmológica daba al espacio-tiempo una tendencia intrínseca a expandirse, y esta podría compensar exactamente la atracción de toda la materia en el universo de modo que resultara un universo estático.

Al parecer, solo un hombre estaba dispuesto a tomar la relatividad al pie de la letra. Mientras Einstein y otros físicos buscaban el modo de evitar la predicción que hacía la relatividad general de un universo no estático, el físico ruso Alexander Friedmann se propuso explicarla.

Las ecuaciones de la relatividad general, que determinan cómo evoluciona el universo con el tiempo, son demasiado complicadas para resolverlas con detalle. Así que lo que hizo Friedmann en su lugar fue proponer dos hipótesis muy simples sobre el universo: que el universo parece igual en cualquier dirección que miremos, y que esto también sería cierto si observáramos el universo desde cualquier otro lugar. Basándose en la relatividad general y estas dos hipótesis, Friedmann demostró que no deberíamos esperar que el universo fuera estático. De hecho, en 1922, varios años antes del descubrimiento de Edwin Hubble, Friedmann predijo exactamente lo que Hubble descubriría tiempo después.

A primera vista, el hecho de que el universo se vea igual en cualquier dirección que miremos parece sugerir que hay algo especial en nuestro lugar en el universo. En particular, podría parecer que, si observamos que todas las demás galaxias se alejan de nosotros, debemos estar en el centro del universo. No obstante, hay una explicación alternativa: el universo también podría parecer igual en todas direcciones visto desde cualquier otra galaxia. Esta, como hemos visto, era la segunda hipótesis de Friedmann.

La situación es muy parecida a hinchar continuamente un globo en el que hay varios puntos pintados. Conforme el globo se expande, la distancia entre dos puntos cualesquiera aumenta, pero no se puede decir que alguna mancha en particular sea el centro de la expansión. Además, cuanto más alejados están los puntos, con más rapidez se separan.

Aunque Friedmann solo encontró uno, hay tres tipos diferentes de modelos que obedecen a las dos hipótesis fundamentales de Friedmann.

En el primer modelo —el que Friedmann encontró—, el universo se está expandiendo a una velocidad lo suficientemente lenta como para que la atracción gravitatoria entre las diferentes galaxias haga que la expansión se frene y al final se detenga. Entonces las galaxias empiezan a acercarse unas a otras y el universo se contrae. La distancia entre dos galaxias vecinas empieza siendo cero, aumenta hasta llegar a un máximo y luego decrece de nuevo hasta cero.

En el segundo modelo de solución, el universo se expande tan rápidamente que la atracción gravitatoria nunca puede detenerlo, aunque lo frena algo. La separación entre galaxias vecinas en este modelo empieza siendo cero, y, con el tiempo, las galaxias se alejan a una velocidad estacionaria.

Por último, existe un tercer tipo de solución en la que el universo se expande con la velocidad justa para evitar que vuelva a colapsar. En este caso, la separación empieza también siendo cero, y aumenta para siempre. Sin embargo, la velocidad a la que las galaxias se alejan se hace cada vez más pequeña, aunque nunca llega a ser completamente nula.

Las observaciones actuales sugieren que probablemente el universo se expandirá para siempre. Pero no lo demos por hecho. De lo que podemos estar realmente seguros es de que incluso si el universo va a colapsar de nuevo, no lo hará durante al menos otros 10 000 millones de años, puesto que ya ha estado expandiéndose durante al menos ese tiempo. Esto no debería preocuparnos demasiado, puesto que, para entonces, a menos que tengamos colonias más allá del sistema solar, la humanidad habrá desaparecido hace tiempo, extinguida con la muerte de nuestro Sol.

Todas las soluciones de Friedmann tienen la característica de que, en algún momento en el pasado, hace entre 10 000 y 20 000 millones de años, la distancia entre galaxias vecinas debió de ser cero. En aquel momento, que llamamos el big bang, la densidad del universo y la curvatura del espacio-tiempo habrían sido infinitas. Esto significa que la teoría de la relatividad general —en la que se basan las soluciones de Friedmann— predice que hay un punto singular en el universo.

Todas nuestras teorías científicas están formuladas sobre la hipótesis de que el espacio-tiempo es suave y casi plano, de modo que todas dejarían de ser válidas en la singularidad del big bang, donde la curvatura del espacio-tiempo es infinita. Esto significa que incluso si hubo sucesos antes del big bang, no podrían utilizarse para determinar lo que sucedería a continuación, porque la predictibilidad dejaría de ser válida en el big bang. En consecuencia, si solo sabemos lo que ha sucedido desde el big bang, no podemos determinar lo que sucedió antes. Para nosotros, los sucesos anteriores al big bang no pueden tener consecuencias, de modo que no deberían formar parte de un modelo científico del universo. Por eso deberíamos eliminarlos del modelo y decir que el tiempo tuvo un comienzo en el big bang.

A muchas personas no les gusta la idea de que el tiempo tenga un comienzo, probablemente porque suena a intervención divina. (La Iglesia católica, por el contrario, ha aceptado el modelo del big bang, y en 1951 proclamó oficialmente que está de acuerdo con la Biblia). Hubo varios intentos de evitar la conclusión de que había habido un big bang.

En 1963 un trabajo de dos científicos rusos, Evgeni Lifshitz e Isaac Jalatnikov, mostraba que el universo podría haber tenido una singularidad —un big bang— si la teoría de la relatividad general era correcta. Sin embargo, no resolvía la pregunta crucial: ¿predice la relatividad general que nuestro universo debería tener un big bang, un comienzo del tiempo? La respuesta a esta cuestión llegó en 1965 con un enfoque completamente diferente iniciado por un físico británico, Roger Penrose. Se basaba en la forma en que se comportan los conos de luz en relatividad general, y el hecho de que la gravedad es siempre atractiva, para demostrar que una estrella que colapsa bajo su propia gravedad está atrapada en una región cuya frontera se contrae finalmente hasta un tamaño nulo. Esto significa que toda la materia de la estrella estará comprimida en una región de volumen nulo, de modo que la densidad de materia y la curvatura del espacio-tiempo se hacen infinitas. En otras palabras, se tiene una singularidad contenida dentro de una región de espacio-tiempo conocida como un agujero negro.

A primera vista, el resultado de Penrose no tenía nada que decir sobre la cuestión de si hubo o no una singularidad de big bang en el pasado. El teorema de Penrose había demostrado que cualquier estrella que colapsa debía terminar en una singularidad. Por la misma época, Stephen Hawking, un estudiante que completaba su tesis doctoral, propuso que, si se invertía la dirección del tiempo en el teorema de Penrose, de modo que el colapso se convirtiera en una expansión, las condiciones de su teorema seguirían cumpliéndose con tal de que el universo actual fuera aproximadamente similar, a gran escala, al modelo de Friedmann. El argumento con el tiempo invertido mostraba que cualquier universo en expansión como el de Friedmann debió de empezar con una singularidad. Por razones técnicas, el teorema de Penrose requería que el universo fuera espacialmente infinito. Esto le permitió utilizarlo para demostrar que debería haber una singularidad solamente si el universo se estuviera expandiendo con suficiente rapidez para evitar que colapsara de nuevo, porque solo ese modelo de Friedmann era infinito en el espacio. Durante los años siguientes Hawking desarrolló nuevas técnicas matemáticas para eliminar esta y otras condiciones técnicas de los teoremas que probaban que deben ocurrir singularidades. El resultado final fue un artículo que escribió conjuntamente con Penrose en 1970 que demostraba que debió de producirse una singularidad de big bang con tal de que la relatividad sea correcta y que el universo contenga tanta materia como la que observamos.

Muchos no estaban de acuerdo con este trabajo, sobre todo los rusos, que seguían la línea establecida por Lifshitz y Jalatnikov, pero también personas que creían que la idea de las singularidades era repugnante y echaba a perder la belleza de la teoría de Einstein. Sin embargo, el teorema matemático no admite discusión, de modo que ahora se acepta en general que el universo debió de tener un comienzo.

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Las nuevas ideas sobre el universo.

La teoría del big bang.

El universo en nosotros.

Teoría de cuerdas.

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