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Universo singular. Javier Sánchez Cañizares
Читать онлайн.Название Universo singular
Год выпуска 0
isbn 9788418360336
Автор произведения Javier Sánchez Cañizares
Жанр Документальная литература
Серия Razón Abierta
Издательство Bookwire
Por primera vez en la historia de la ciencia, el espacio y el tiempo entran en las ecuaciones de Einstein con el mismo rango lógico que otras magnitudes físicas, como la energía o la velocidad. De hecho, las ecuaciones de la relatividad pueden entenderse como un sistema acoplado en que la materia-energía modifica las propiedades geométricas del espacio-tiempo y el espacio-tiempo modifica las propiedades dinámicas de la materia-energía. La teoría de Einstein ha sido validada en varias ocasiones mediante la observación de fenómenos físicos que la mecánica de Newton era incapaz de resolver o explicar. Por ejemplo, la relatividad fue capaz de predecir con exactitud la variación del perihelio de Mercurio, que cambia una centésima de grado cada siglo. La teoría también predijo el valor de la desviación que se produce en un haz de luz al pasar cerca de una estrella de gran masa (una medición que realizó Arthur Eddington en 1919) y el cambio de la frecuencia de los movimientos periódicos de un reloj atómico a causa de la gravedad. En la actualidad, todos los sistemas GPS han de tener en cuenta este efecto.
La mecánica de Newton no fue desplazada en la física del día a día. De hecho, se sigue utilizando con gran éxito para la mayoría de los cálculos donde las velocidades de los cuerpos son mucho más pequeñas que la de la luz, donde conservan su rango aproximado de validez. Pero sí fue absorbida dentro de una teoría más general, la de Einstein. Y este hecho va a cambiar la manera de entender el universo, pues ya no tiene sentido tratar el espacio y el tiempo como realidades absolutas e invariables. La teoría de la relatividad pasaría a ser el nuevo marco para abordar la descripción científica global de todo el universo.
Con la relatividad general quedaron firmemente sentadas las bases sobre las cuales deberían construirse los nuevos modelos cosmológicos. Einstein, como todos los grandes científicos anteriores, continuó creyendo en un universo estático e inmutable. Sin embargo, al aplicar su modelo a todo el cosmos, fue consciente de que, en algún momento, se produciría el colapso del universo por causa de la gravedad, ya que dicha fuerza tiene siempre un carácter atractivo. Ese efecto había de ser equilibrado de alguna manera en sus ecuaciones para no llegar a un absurdo. Con este fin, el padre de la nueva teoría incluyó en sus ecuaciones un término repulsivo que contrarrestara la atracción gravitatoria. Denominó a dicho término la constante cosmológica y ajustó su valor exactamente para obtener un universo estable. No obstante, cuando algunos años más tarde se comprobó experimentalmente la expansión del universo (es decir, que el universo no es estático), Einstein consideró que introducir la constante cosmológica había sido el mayor error de su vida». Lo que resulta aún más curioso es que, hoy día, dicha constante es necesaria en las ecuaciones para poder describir la expansión acelerada del universo atestiguada por los datos experimentales actualmente disponibles, como veremos más adelante.
1.1.4. Un universo dinámico
Pero la ciencia no es una empresa meramente individual y se beneficia de muchas contribuciones. Si bien la primera hipótesis de un universo no estático parece corresponder al holandés Willem de Sitter (1872-1934) —quien plantea en 1917 que su curvatura debe crecer—, será entre 1922 y 1924 cuando el científico ruso Aleksandr Fridman (1888-1925) publique dos artículos en los que considera soluciones dinámicas a las ecuaciones de Einstein para todo el cosmos. En efecto, si se abandona la hipótesis de un universo estático, las ecuaciones relativistas admiten infinitas soluciones, en las cuales la distancia entre dos puntos cualesquiera del espacio-tiempo puede ir variando en función del tiempo. Surgen muchas posibilidades que permiten considerar un universo en evolución, de modo que la literatura científica se enriqueció notablemente con estas aportaciones.
La clasificación más sencilla de las posibles soluciones conduce a tres alternativas para el universo, dependiendo de la relación entre la inercia de la expansión y la interacción gravitatoria: un universo cerrado, un universo abierto o un universo plano. En un universo cerrado, la gravedad es más fuerte que la fuerza expansiva. En este caso, la expansión progresa hasta un punto en el cual la gravedad comienza a imponerse y causa la contracción del universo, que acabaría implotando sobre sí mismo. Por el contrario, si la inercia de la expansión es superior a la interacción gravitatoria, el universo es abierto y estará en expansión permanente. El universo plano es un caso límite entre las dos posibilidades anteriores; en esta situación, la expansión y la gravedad se compensan exactamente, de modo que el universo crece hasta alcanzar de modo asintótico una dimensión constante. Las mediciones actuales presentan pruebas evidentes a favor de un universo en expansión.
No obstante, resulta especialmente notable que, en los tres casos citados, la teoría de la relatividad siempre apunta a una singularidad en el origen del tiempo: un momento en el cual las magnitudes físicas relevantes se hacen infinitas o dejan de estar bien definidas. Si consideramos hacia atrás la historia del cosmos, todo parece apuntar a que el universo debió partir de un estado muy simple, de altísima concentración de materia y energía. Con esta constatación, la ciencia moderna comenzó a considerar por primera vez con su método el problema de un origen para el universo, para el mismísimo espacio-tiempo; una cuestión largamente enraizada en el pensamiento filosófico y teológico.
Fue el sacerdote y científico belga Georges Lemaître (1894-1966) el primero en formular lo que hoy se conoce como teoría del Big Bang. Además de desarrollar de manera independiente las soluciones cosmológicas dinámicas de la teoría de la relatividad, relacionó sus resultados con los incipientes resultados experimentales sobre la velocidad de desplazamiento de las galaxias lejanas (hablaremos de ello enseguida), lo que consideraba como un indicio evidente de la expansión del universo. Lemaître presentó en un artículo de 1931 la atrevida hipótesis de una evolución del universo a partir de un átomo primitivo. Según esta teoría, el universo debió comenzar a partir de una especie de átomo elemental, extremadamente denso, que fue creciendo mediante una gigantesca explosión, de modo que los diversos fraccionamientos y reagrupamientos sucesivos de la materia y energía allí contenida habrían dado lugar al cosmos que observamos hoy. No se trata de una explosión en el sentido habitual del término, mediante la que el espacio se va llenando a lo largo del tiempo con los fragmentos de un estallido. El mismo espacio-tiempo del universo se va agrandando, estirando, análogamente a como se hincha la superficie de un globo, sin que nada físico exista fuera de ese proceso de inflamiento.
La teoría de Lemaître tuvo en sus comienzos una mala acogida por algunos de los físicos más importantes de la época, que la veían como poco atractiva. Parecía dar pie a que dentro de la ciencia se introdujesen subrepticiamente la filosofía y la teología para hablar de una causa primera o de una creación. De hecho, el nombre popular de Big Bang fue acuñado por Fred Hoyle (1915-2001), quien utilizó por primera vez el término de modo irónico para referirse al modelo. Sin embargo, Lemaître siempre fue muy claro respecto de lo que pretendía con su teoría, y distinguía con claridad entre la búsqueda científica del origen del universo que observamos y la reflexión filosófico-teológica sobre la existencia de este. Durante la primera mitad del siglo XX, la teoría del Big Bang hubo de competir con otros modelos cosmológicos sobre la evolución del cosmos, como el universo estacionario con creación continua de materia del mismo Hoyle y de Dennis Sciama (1926-1999). La teoría del Big Bang fue enriqueciéndose durante estos años con mejoras y refinamientos teóricos y hubo de esperar la confirmación de varios resultados experimentales para su establecimiento como teoría estándar del origen del universo. Pasamos ahora a mencionar los más importantes.
1.2. EL BIG BANG Y SU RESPALDO EXPERIMENTAL
La contrastación de una teoría científica con los experimentos es esencial para el avance de la ciencia, de modo que se puedan aceptar o rechazar los modelos propuestos según su acuerdo o desacuerdo con los resultados obtenidos. Una consecuencia de lo que acabamos de decir es que el avance de la ciencia suele implicar tanto a la parte teórica como a la experimental y, necesariamente, el progreso tecnológico de los aparatos de medida.
1.2.1. El desplazamiento hacia el rojo de la luz emitida por las galaxias
La cosmología física no es ajena a este escenario. Así, gracias a la mejora en el diseño y la construcción de los telescopios, la