El Universo y sus enigmas

Asombra un poco oir (con más freecuencia de lo que sería deseable) a personas que se consideran inteligentes, decir que ellos saben lo que pasó en los primeros tres minutos a partir de lo que llamamos Big Bang. En realidad, se están refiriendo a que tienen un modelo del Universo temprano, y que este modelo encaja con los resultados que hasta el momento hemos obtenido mediante experimentos y observaciones pero, están apareciendo algunos datos que no dejan bien parado al Big Bang o, por lo menos, lo sitúa en una zona de interrogantes.

Como nadie estuvo allí para captarlo, basados en los datos que hemos podido recopilar, nos imaginamos lo que pudo ser (si es que realmente fue) lo ocurrido en aquellos primeros momentos del Big Bang. Al decir primeros, sitúo ese comenzar a después de la primera fracción de segundo, tiempo en el que, ni las matemáticas nos dejan entrar en él para buscar lo que realmente pasó.

No siempre este modelo científico (el Big Bang) es una fiel imagen de la realidad. Los átomos y las moléculas que componen el aire que respiramos, por ejemplo,  se pueden describir en términos de un modelo en el que imaginamos cada partícula como si fuera una pequeña esfera perfectamente elástica, con todas las pequeñas esferas rebotando unas contra otras y contra las paredes del recipiente que las contiene.

Esa es la imagen mental, pero es sólo la mitad del modelo; lo que lo hace modelo científico es describir el modo como se mueven las esferas y rebotan unas contra otras mediante un grupo de leyes físicas, escritas en términos de ecuaciones matemáticas. En este caso, éstas son esencialmente las leyes del movimiento descubiertas por Newton hace más de trescientos años. Utilizando estas leyes matemáticas es posible predecir, por ejemplo, que le pasará a la presión ejercida por un gas si se aplasta hasta la mitad de su volumen inicial. Si hacemos el experimento, y, el resultado que se obtiene encaja con la predicción del modelo, este será un buen modelo.

De hecho, todos los modelos científicos tienen aplicabilidad limitada. Ninguno de ellos es “la verdad “. Cuando un científico afirma, por ejemplo, que el núcleo de un átomo está compuesto por partículas denominadas protones y neutrones, lo que en realidad debería decir es que el núcleo de un átomo se comporta, bajo determinadas circunstancias, como si estuviera formado de protones y neutrones. Los mejores científicos toman el “como sí “, pero entienden que sus modelos son, efectivamente, sólo modelos; científicos menores a menudo olvidan esta diferencia crucial.

                                         Democrito, nunca pudo sospechar, hasta donde llegaría su idea

Los científicos menores, y muchos no-científicos, tienen otra idea equivocada. A menudo piensan que el papel de los científicos hoy en día es llevar a cabo experimentos que probarán la exactitud de sus modelos con una precisión cada vez mayor (hacia posiciones con más y más decimales). ¡En absoluto! La razón para llevar a cabo experimentos que demuestren predicciones previas no comprobadas es descubrir dónde fallan los modelos. Encontrar defectos en sus modelos es la esperanza abrigada por los mejores científicos, porque esos defectos destacarán los lugares donde necesitamos una nueva comprensión, con modelos mejores, para progresar.

El arquetípico ejemplo de esto es la gravedad. La ley de la gravedad de Isaac Newton se consideró la pieza clave de la física durante más de doscientos años, desde la década de 1680 hasta comienzos del siglo XX. Pero había unas pocas, aparentemente insignificantes, cosas que el modelo newtoniano no podía explicar o predecir, referente a la órbita del planeta mercurio y al modo como la luz se curva cuando pasa cerca del Sol. El modelo de gravedad de Albert Einstein, basado en su teoría general explica lo mismo que el modelo de Newton pero también explica esos detalles sutiles de órbitas planetarias y curvatura de la luz. En ese sentido, es un modelo mejor que el anterior, y hace predicciones correctas (en particular, sobre el Universo en general) que el viejo modelo no hace. Pero el modelo de Newton todavía es todo lo que se necesita si se está calculando el vuelo de una sonda espacial desde la Tierra a la Luna.

¿SABEMOS COMO COMENZÓ EL UNIVERSO?

Saber saber, sabemos muchas cosas pero, ninguna de ellas es el comienzo del Universo del que sólo podemos tener una aproximación de como pudo ser. De todas las maneras nos hemos quedado con la imagen que más se adapta a lo que hemos podido observar y comprobar.

Esta ahora ampliamente aceptado que el Universo donde habitamos surgió a partir de una singularidad con densidad y energía “infinita“ que dio lugar a una bola de fuego caliente y densa a la que llamamos Big Bang. En los años veinte y treinta, los astrónomos descubrieron por primera vez que nuestra Galaxia es simplemente una isla de estrellas dispersa entre muchas galaxias similares, y que grupos de estas galaxias se están apartando las unas de las otras a medida que el espacio se expande. Esta idea del Universo en expansión fue realmente predicha por la teoría general de la relatividad de Einstein, terminada en 1916 pero no se tomó en serio hasta que los observadores hicieron sus descubrimientos. Cuando se tomó en serio los matemáticos descubrieron que las ecuaciones describían exactamente el tipo de expansión que observamos, con la implicación de que si las galaxias se van alejando con el tiempo entonces deberían haber estado más juntas en el pasado, y hace mucho tiempo toda la materia en el Universo debería estar acumulada en una densa bola de fuego.

Es la combinación de la teoría y de la observación la que hace que la idea del Big Bang sea tan convincente; en los años sesenta llegó una clara evidencia, con el descubrimiento de un siseo débil de ruido de radio, la radiación cósmica de fondo, que viene de todas las direcciones del espacio y se interpreta como la radiación restante del mismo Big-Bang.

Como la expansión del Universo, la existencia de esta radiación de fondo fue predicha por la teoría antes de ser observada experimentalmente. A finales del siglo XX, la combinación de teoría y observaciones había establecido que el tiempo que ha pasado desde el Big Bang es de unos 14 mil millones de años, y que existen cientos de miles de millones de galaxias como la nuestra dispersas de un extremo al otro del Universo en expansión.

La radiación de fondo nos viene a…”casi” confirmar la existencia de un Big Bang. La pregunta a la que se están enfrentando ahora los cosmólogos es ¿cómo empezó el mismo Big Bang? ¿Cómo consecuencia de qué se produjo? ¿Fue una fluctuación del vacío en el espacio-teimpo de otro universo? Y, mil preguntas más.

El punto de partida para enfrentarnos a esta pregunta es el modelo estándar propio de los cosmólogos, que combina todo lo que han aprendido de las observaciones del universo en expansión con el entendimiento teórico del espacio y el tiempo incorporado a la teoría general de Einstein. El establecimiento de este modelo se ha visto favorecido por el hecho de que cuanto más lejos miramos del Universo, más tiempo atrás vemos. Debido a que la luz viaja a una velocidad finita, cuando miramos galaxias alejadas millones de años luz, la vemos como si estuvieran presentes como eran millones de años antes, cuando salió la luz que llega ahora a nuestros telescopios.

Con telescopios potentes, los astrónomos pueden ver qué aspecto tenía el Universo cuando era más joven (y la radiación cósmica de fondo nos permite “ver-con radiotelescopios- la última etapa de la bola de fuego que fue el Big bang).

Todo el universo primitivo era un plasma muy caliente que se expandió frenéticamente en aquellos primeros momentos. Lo llamamos la espansión de Hubble. Sin embargo, otros opinan de manera diferente. El Premio Nobel de física en 1970 y fallecido ya en 1995, Alfvén sostenía que el universo era infinito en el tiempo y en constante evolución y, por tanto, que nunca había ocurrido un Big Bang.

Alfvén pasó de la investigación del plasma en laboratorio al estudio de cómo evoluciona el universo. El plasma está compuesto de gases calientes conductores de la electricidad. Ahora se sabe que el 99% de la materia del universo es plasma. Mientras que en un gas normal los electrones están ligados a sus núcleos, en un plasma se pueden mover libremente porque el intenso calor los separa de ellos. Los cosmólogos del plasma plantean un universo “entrecruzado por vastas corrientes eléctricas y potentes campos magnéticos, ordenados por el contrapunto cósmico del electromagnetismo y la gravedad”. En los años 70, las sondas espaciales Pioneer y Voyager detectaron la presencia de corrientes eléctricas y campos magnéticos rellenados con filamentos de plasma alrededor de Júpiter, Saturno y Urano.

Científicos como Alfvén o Anthony Peratt han elaborado un modelo de universo dinámico, no estático, que no requiere un inicio en el tiempo. La expansión de Hubble necesita una explicación, pero no tiene que ser necesariamente el big bang. Un big bang provocaría una explosión, pero una explosión no requiere necesariamente un big bang.

El modelo alternativo sugerido por Hannes Alfvén y Oskar Klein admite que pudo haber una explosión provocada por la combinación de gran cantidad de materia y antimateria en un pequeño rincón del universo visible, que generase gran cantidad de electrones y positrones energéticos. Atrapados en campos magnéticos, estas partículas empujaron el plasma durante cientos de millones de años. “La explosión de esta época, hace unos diez o veinte mil millones de años, esparció el plasma a partir del cual se condensaron las galaxias posteriormente (en la expansión de Hubble). Pero esto de ninguna manera fue un big bang que creó materia, espacio y tiempo. Fue sólo un big bang, una explosión en una parte del universo. Alfvén es el primero en admitir que esta explicación no es la única posible. ‘El quid de la cuestión ‘, insiste, ‘es que existen alternativas al big bang”.

Lo más atrás que hemos visto, el origen de la radiación de fondo corresponde a un tiempo unos pocos cientos de miles de años después del momento del Big Bang, cuando todo el Universo estaba lleno de gas caliente (conocido técnicamente como plasma) a aproximadamente la misma temperatura que la que tiene la superficie del Sol hoy en día, unos pocos miles de grados Celsius. En ese momento, lo que ahora es el Universo visible entero era solo una milésima parte de su tamaño actual y no había objetos individuales en la escala de las estrellas o galaxias en el remolino de material caliente.

Moviéndonos hacia delante en el tiempo, las irregularidades observadas en la radiación de fondo son justamente del tamaño y estructura correctos para explicar el origen de las galaxias y de los grupos de galaxias – son las semillas donde creció la estructura que vemos en el Universo hoy- .

Yendo hacia atrás en el tiempo, la estructura de las irregularidades vista en la radiación de fondo nos habla sobre el tipo de irregularidades que había en el Universo cuando era incluso más joven, justo hasta ese momento atrás en que la teoría general por sí misma se rompe.

Se ha descubierto radiación de cuerpo negro y anisotropía en la radiación de fondo, lo que nos viene a decir que, el universo, no se expandió de la misma manera para todas las regiones, y, al no ser isotrópico el movimiento de expansión, podemos pensar que tal anomalía puede estar provacada por la clase de materiales que se estaban formando y sus distintas intensidades.

Lo primero, y más importante, que hay que decir sobre estas irregularidades en la radiación de fondo es que son diminutas. Son tan pequeñas que al principio era imposible medirlas, y la radiación parecía que viniera perfectamente uniforme desde todas las direcciones en el espacio (isotropía). Si la radiación fuera perfectamente uniforme, todo el modelo estándar del Universo se desbarataría, ya que si no hubiera habido irregularidades en la bola de fuego del Big Bang no habría habido semillas desde donde las galaxias pudieran crecer, y nosotros al no haberse formado las estrellas y fabricado en sus núcleos los materiales complejos de los que estamos hechos, no estaríamos aquí. El hecho de que los científicos estén tratando de resolver estas preguntas han convencido a los astrónomos de que debería haber irregularidades en la radiación de fondo, sólo había que desarrollar instrumentos sensibles para medirlas.

En este sentido podríamos citar el satélite de la NASA COBE  que fue capaz de hacer medidas suficientemente sensibles para demostrar que había efectivamente minúsculas ondulaciones en la radiación de fondo. Las dos preguntas clave derivadas del descubrimiento son: ¿por qué la radiación de fondo es casi lisa?, ¿Qué crea las ondulaciones?

COBE Satélite de la NASA

La primera pregunta es más profunda de lo que se pueda pensar, porque incluso hoy, 14 mil millones de años después, el Universo es todavía casi liso. Esto no es obvio si contrastamos la luminosidad de una galaxia como nuestra Vía Láctea con la oscuridad del espacio entre las galaxias pero enseguida se hace evidente a mayores escalas. El Universo no es exactamente uniforme, pero incluso en términos de distribución de las galaxias es uniforme en cierto sentido. Si tomamos una fotografía de las galaxias vistas en una pequeña zona del cielo se parecerá mucho a otra fotografía de una zona del mismo tamaño de otra parte del cielo. La radiación de fondo es incluso más uniforme, y parece exactamente la misma desde todos los puntos del espacio dentro de una fracción del 1 por ciento. La profundidad de esta observación descansa en el hecho de que no ha pasado el tiempo suficiente desde el Big Bang para que todas las diferentes partes del Universo interactúen unas con otras y deje de ser liso.

Esta homogeneidad está relacionada con otra característica extraña del Universo denominada subplanitud. La teoría general de la relatividad nos dice que el espacio (en sentido estricto, el espacio-tiempo) se puede curvar y deformar por la presencia de materia. Localmente, cerca de un objeto como el Sol o la Tierra, esta deformación del espacio-tiempo produce el efecto que llamamos gravedad. Cósmicamente, en el espacio entre las estrellas y las galaxias el efecto combinado de toda la materia en el universo puede producir una curva gradual en el espacio en uno de los dos sentidos.

representación gráfica de las tres clases de universo que podrían ser, el universo plano, el universo cerrado y, el universo abierto y todo ello, estaría supeditado a la cantidad real de materia que nuestro universo pueda contener.

Aquí tendríamos que continuar hablando de la densidad crítica y de la clase de universo que tendríamos en función de la cantidad de materia que este contenga. Sin embargo, dejaremos ese punto del universo cerrado, abierto o plano, ya que, en uno de los comentarios muy recientes de esta colaboración ya quedaron explicados de manera suficiente.

Estudios cada vez más sofisticados de la radiación de fondo, que culminaron con las observaciones hechas por el satélite WAP de la NASA a principios de éste siglo XXI y del Planck Explorer de ESA un poco más tarde, mostraron que el Universo efectivamente está indistinguiblemente cerca de la plenitud, de modo que su densidad debería estar indistinguiblemente cerca de la Densidad crítica. Esto dio lugar al rompecabezas  de donde estaba la masa “desaparecida” (esa que llamamos materia oscura que, nunca se ha visto, ni produce radiación, ni sabemos como se hizo, de qué clase de partículas está conformada – si es que son partículas- y, un sin fin de interrogantes más que, ahora no sabemos contestar).

En realidad, la teoría de la inflación es todavía un trabajo en progreso, y, como en el caso de la GUT, existen diferentes variaciones o modelos sobre el tema. Lo que está claro de todo esto es que, no se puede negar, ni el esfuerzo realizado, ni el éxito alcanzado que, sin ser aún lo que se desea, sí es un paso importante en el conocimiento del Cosmos. Ahora sabemos de él muchísimo más que se sabía en los tiempos de Galileo, y, tanto la técnica como las matemáticas y la física, han desarrollado la Astronomía y la Astrofísica, hasta unos niveles encomiables, teniendo en cuenta que estamos estudiando una cosa muy, muy grande y cuyos objetos están muy, muy lejos.

Sin embargo, podemos obtener imágenes de galaxias lejanas y de nebulosas que se encuentran a miles o millones de años luz de la Tierra y, mediante técnicas del estudio del espectro, saber, de que materiales están formados.

Es aún muy grande el espacio oscuro que tenemos que alumbrar para conocer en plenitud nuestro vasto Universo, son muchas las zonas que están en la penumbra, y, debemos y tenemos la obligación de continuar profundizando en el saber del Universo que nos acoge.

Yo, que soy un enamorado del Universo y apasionado de todas las maravillas que encierra que, sin que lo pueda evitar me fascinan, a veces pienso en que, el Universo entero podía haber surgido de una fluctuación cuántica del vacío, gracias a la combinación de inflación y a una curiosa propiedad de la gravedad. ¡Es todo tan complejo y misterioso!

    ¿Donde estará guardada la energía negativa de la Gravedad? Y, si hace acto de presencia, ¿donde y cuando lo hace?

Esta curiosa propiedad de la gravedad es que guarda energía negativa. Cuando algo (¡cualquier cosa!) cae hacia debajo de un campo gravitacional (como el agua que se precipita desde la montaña) la energía es liberada………Pero eso, será otra historia que ya contaremos. Ahora, para no cerrar en falso el comentario, diré que, no existe ningún límite, en principio, en cuanta masa (en sentido estricto masa-energía, teniendo en mente E=mc2) puede tener una fluctuación cuántica, aunque cuanto más masiva sea una fluctuación, menos probable es que suceda.

emilio silvera

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