La teoría del Big-Bang (1).
El inicio del tiempo.
por Bruno Pedro De Alto
El inicio.
La validez de la teoría del Big Bang lleva a una afirmación fantástica: la gran explosión no tuvo lugar dentro del espacio existente, sino que lo creó mientras se expandía. Y especialmente en lo que a nosotros nos interesa: en ese instante se habría iniciado el tiempo.
En 1920, el astrónomo americano Edwin Hubble descubrió que las galaxias se estaban alejando entre si y que las más distantes eran las que se apartaban más deprisa, como si el universo entero estuviera en expansión.
La conclusión que sugería este descubrimiento era que: si las galaxias estuvieron en otro tiempo más próximas unas a otras, todo el cosmos debía haber sido creado por una gigantesca explosión. En efecto, la idea original del Big Bang la desarrolló entre 1927 y 1933 Georges Henri Lemaître, un sacerdote belga dedicado a la astronomía. Sin embargo, no fue hasta 1964 cuando la teoría emergió como la explicación dominante de cómo el universo llegó a ser lo que es. Ese año dos radioastrónomos americanos descubrieron lo que parecía ser un débil resplandor del primitivo cataclismo. Ese brillo, es conocido como radiación cósmica de fondo.
Entonces la formulación de la Teoría del Big Bang, quedó enunciada así: hubo un momento en que el universo fue infinitesimalmente diminuto, infinitamente denso y extremadamente caliente. En un tiempo cero, hace miles de millones de años, aquella bolita no mayor que un átomo o una partícula subatómica explotó a una temperatura un trillón de veces más alta que el núcleo del sol.
Pero ¿Cuando ocurrió aquello? Hallar el radio del universo es equivalente a obtener su partida de nacimiento. De acuerdo con las observaciones realizadas hasta la fecha, el espacio tendría una edad entre 10.000 y 20.000 millones de años y un diámetro aproximado de 20.000 a 40.000 millones de años luz.
Una vara de medir que pueden usar los astrónomos para calcular distancias cósmicas con gran precisión es la constante de Hubble, propuesta por Edwin Hubble en los años 20 al descubrir que el universo en su conjunto se expande de manera uniforme. La velocidad de expansión y separación de las galaxias es proporcional a la distancia entre ellas.
Una constante de Hubble grande da lugar a un universo joven. Si el cosmos se dilata muy deprisa, es que ha llegado rápidamente a su tamaño actual y el Big Bang sería reciente. Por su parte, una constante de Hubble pequeña da lugar a un universo viejo. El problema que se deriva del uso de esta constante es que nadie sabe con certeza su longitud exacta.
Conseguir determinar de forma más precisa estos impresionantes datos se ha convertido en el mayor problema de la cosmología actual, de hecho, decenas de astrónomos lo están intentando desde 1920 y todavía no han sido capaces de ponerse de acuerdo. De todos modos, se coincide generalmente en asignarle al universo una edad de 15.000 millones de años.
Un problema adicional: una medición exacta de sus fronteras nos permitiría conocer si el universo se expande eternamente hacia una muerte de equilibrio termodinámico o si desaparecerá en un gran colapso, el Big Crunch.
El final.
Los científicos opinan que existirá un final del universo. Únicamente difieren en la forma:
· según unos, moriremos congelados a 273 grados bajo cero,
· según otros achicharrados a miles de millones de grados.
Como vemos, sus discusiones se limitan al cómo y al cuando de un final que todos, sin excepción, consideran inevitable.
El quid de la cuestión está en saber si el estado actual de expansión del universo continuará indefinidamente o no. Si la respuesta es afirmativa, entonces las estrellas, las galaxias, los quásares y demás estructuras cósmicas seguirán alejándose entre sí, hasta que se desintegre el último protón. Si, por el contrario, la expansión se detiene en algún momento, comienza un proceso de contracción. El universo irá haciéndose cada vez más pequeño, hasta quedar reducido a un punto menos que microscópico, pero de infinita densidad; un punto similar al que, hace cerca de 15.000 millones de años, explotó para dar origen a todo lo que hoy existe.
De las dos posibilidades la respuesta está en la materia. Conociendo cuánta materia hay en el universo, podemos saber cómo está actuando la gravedad, como fuerza cosmológica fundamental. La gravedad es una fuerza de atracción que tiende a comprimir la materia y que, por lo tanto, se opone a la expansión.
Por ejemplo, si lanzamos una piedra al aire pueden suceder dos cosas: o bien la piedra, después de elevarse un poco, vuelve a caerse al suelo, o si la tiramos con la suficiente fuerza seguirá subiendo hasta vencer el campo gravitatorio terrestre y se perderá para siempre en el espacio.
En el primer modelo de un universo abierto el lanzamiento de la piedra comenzó hace cerca de 15.000 millones de años a partir de la explosión inicial -el Big Bang-, de un punto muy denso del que surgió toda la materia, todo el espacio y todo el tiempo. La expansión que se observa en la actualidad podría ser considerada como la onda expansiva de aquella explosión.
Si existe en el cosmos la cantidad suficiente de materia, esto es, si tiene la densidad crítica, la gravedad podría finalmente detener la expansión, y nada podría salvar al universo del colapso total. Si la densidad resultara ser menor que ese valor crítico, entonces el universo permanecería abierto; la gravedad frenaría la expansión, aunque nunca llegaría a detenerla.
El fin de este modelo, sería lentísimo, solo quedarían algunas rastros del universo en forma de radiación. Ello ocurriría a los 10100 años. Toda la maquinaria cósmica se habría parado, prevalecerá el equilibrio y la entropía habrá alcanzado su punto culminante. La temperatura reinante llegará al cero absoluto: 273 ºC. Sin embargo el fin de la vida es un suceso mucho más anterior: las estrellas terminarían su combustible y se apagarían dentro de 85.000 millones de años.
Pero en el caso contrario, si después de todo existiera en el universo materia suficiente como para detener la expansión, su final será mucho más rápido y espectacular. La fase de contracción será bastante parecida a su inversa, la de la expansión actual. Suponiendo que la expansión se detuviera ahora mismo, al universo le quedaría de vida exactamente el mismo tiempo que ha transcurrido desde el Big Bang: 15.000 millones de años. Durante ese período -miles de millones de años- se observará el movimiento involutivo de miles de más y más galaxias. Al mismo tiempo empezará a aumentar la temperatura de la radiación de fondo, pues cualquier cuerpo que se contrae se calienta.
Mientras sigue la contracción de las estrellas, su velocidad aumentará paulatinamente. De pronto, el movimiento de las estrellas quedará alterado por la lenta comprensión de los cúmulos estelares. Al no ser ya distinguibles las galaxias, las estrellas llenarán todo el universo y el cielo nocturno brillará cubierto por una verdadera alfombra de estrellas.
La radiación de fondo, hasta ahora inapreciable, se vuelve cada vez más caliente. La contracción del espacio será entonces tan grande que la temperatura de esta radiación alcanzará pronto miles de grados, mayor que la de la superficie de las estrellas. como estas no podrán desprenderse de la energía generada por los procesos nucleares, su temperatura interna aumentará para acomodarse a las elevadas temperaturas de su entorno. Seguramente se producirán inestabilidades explosivas, pero, en cualquier caso, el tremendo calor creciente que las rodeará las irá vaporizando hasta que desaparezcan todas.
Cuando el universo llegue a los 10.000 millones de grados, los procesos cuánticos adquirirán importancia y el espacio-tiempo empezará a resquebrajarse. a partir de aquí nada se sabe, porque deja de ser aplicable la física conocida.
Aunque sea posible que para ese entonces la humanidad esté muy evolucionada, el final se producirá tarde o temprano. Contra eso no hay nada que el hombre pueda hacer.
¿Otra vez el inicio?
Siguiendo la segunda posibilidad, la de un universo que luego de expandirse vuelva a concentrarse, es probable que toda la materia se comprimida en un punto parecido al original, con una densidad infinita. Existen algunas teorías que hablan de la posibilidad de que llegado a ese punto, el universo rebote en otro Big Bang, con el que comenzará un nuevo ciclo de existencia. El universo volvería a nacer y se expandiría hasta que comenzara otra fase de contracción. Sería un universo cíclico, con períodos alternos de expansión y contracción. Según los cálculos de los científicos, en cada ciclo sucesivo el universo sería mayor y duraría más tiempo. En el ciclo siguiente al nuestro, la fase de expansión duraría dos veces la actual, y las anteriores habrían sido más cortas: el cosmos que habitamos estaría, como máximo, a cien rebotes del primordial.
Dudas.
La teoría del Big-Bang presentó durante mucho algunas dudas.
En primer lugar, si bien para los científicos era ciertamente creíble la hipótesis de una gran explosión a partir de un punto de concentración infinitamente denso, no se podían explicar porqué la distribución de la materia del universo era uniforme en sus principios, la radiación cósmica así lo indicaría, y las aglomeraciones que, en cambio, presenta en la actualidad, con muros de galaxias dispuestas en torno a gigantescas esferas vacías semejantes a burbujas de aire. El universo parece tener una estructura bastante similar a la de una esponja, formada por agujeros interconectados y sujetos entre sí por filamentos de galaxias enlazadas por la atracción gravitacional.
Si la homogeneidad se ubiera mantenido, es posible imaginar al universo actual, unos 15.000 millones de años después de haberse formado, como una nube de gas virtualmente interminable. El cielo sería negro y nosotros no estaríamos aquí para observarlo. Sin embargo, sabemos por nuestra existencia misma que algo en la evolución cósmica hizo que la materia se condensase para formar estrellas y planetas, y finalmente la vida.
Tal paradoja desconcertaba a los astrónomos. El astrónomo Georges Smoot y su equipo (2) trabajaron sobre dos ideas: la radiación de fondo no es homogénea y que la razón de ello es que durante el primer instante del Big-Bang, rigieron las leyes de la mecánica cuántica.
La posibilidad era ésta: muy poco después del Big Bang, al cabo de pequeñísimas fracciones de segundo, la cantidad de energía liberada comenzó a expandirse rápidamente. Las leyes de la física cuántica -que rigen los ámbitos de lo diminuto, y el universo entonces lo era-, dejan un margen de incertidumbre que explicaría el origen de la materia que puebla el cosmos, no sólo en su génesis, sino también a lo largo de su evolución.
Encontrar diferencias de valor en la radiación cósmica sería además de un importante descubrimiento, una prueba contundente para la validez del Big-Bang.
Smoot, logró detectar esas pequeñas variaciones en el año 1993, en su libro dice: “Es a través de la radiación de fondo como mis colegas y yo descubrimos nuestras arrugas en el tiempo, el santo Grial de la cosmología”.
La segunda cuestión a revisar en ésta teoría, es si existió una singularidad en el origen del tiempo, es decir si realmente existió un tiempo cero.
En la noción de tiempo lineal sólo hay dos posibilidades: que éste se prolongue hacia atrás en el pasado para siempre, o que tenga un principio. Puede entonces imaginarse como una línea que va del Big Bang al Big Crunch.
Si la Teoría De La Relatividad General (3) es cierta, debió existir esa singularidad originaria del tiempo. Este fenómeno constituiría el principio del universo. Pero ante él, todas las leyes de la ciencia conocidas se vendrían abajo, pues supone un estado infinitamente concentrado y denso, sin espacio, sin tiempo y por ende sin gravitación. Esto significa que, los científicos no podrían deducir cómo comenzó el cosmos.
Evidentemente se necesitan leyes que pudieran ser válidas en cualquier estado. Cualquier cosa que hubiera antes no podría considerarse parte del cosmos.
Ya hemos hablado de cómo las observaciones de las galaxias remotas indican que se están alejando de nosotros; el universo está en expansión. Esto implica que los astros tenían que estar juntos en el pasado. Aquí surge la cuestión: ¿Hubo un tiempo pretérito en el que todas las galaxias estuvieron comprimidas y la densidad del cosmos era infinita o hubo una fase previa de contracción en la cual las galaxias evitaron chocar entre si? Quizá pasaron unas al lado de otras a gran velocidad y luego comenzaron a distanciarse.
Quién se hizo estas preguntas y logró hallar respuestas es el científico norteamericano Stephen Hawking. Para ello se requería nuevas técnicas matemáticas. Estas, en su mayor arte, fueron desarrolladas entre 1965 y 1970 por Roger Penrose y por el mismo Hawking.
Para contestar a la pregunta que planteaba que si era posible que no existiese ninguna singularidad y que si la teoría general de la relatividad era cierta, ¿Existió un estado de densidad infinita en el pasado? Hawking sugiere: “[...] que el espacio y el tiempo eran finitos en expansión, pero que estaban encerrados en sí mismos sin límites, al igual que la superficie del planeta Tierra es finita aunque no tiene fronteras.
Si la propuesta de la ausencia de límites es correcta, no habría ninguna singularidad, y las leyes de la ciencia serían siempre válidas, incluso al comienzo del universo”.
Luego dice algo fascinante sobre la dirección del tiempo: “[...] aunque también puede considerarse otro sentido del tiempo en ángulo recto al real. Es la llamada dirección imaginaria. En ella no tiene porqué haber ninguna singularidad que constituya un comienzo o un fin para el universo. El espacio no sería creado ni destruido.
Quizá el tiempo imaginario sea el auténtico tiempo real y lo que llamamos tiempo real sea sólo un producto de nuestra imaginación” (4).
Notas:
(1) La información que contiene este artículo fue mayormente extraída de la lectura de diversas revistas de divulgación científica y del interesante libro de Isaac Asimov: Introducción a la Ciencia, de Editorial Hyspamérica, Madrid 1986.
(2) Arrugas en el tiempo. Georges Smoot. P&J. Barcelona, 1994.
(3) La Teoría de la Relatividad General fue propuesta por el físico alemán Albert Einstein entre los años 1916 y 1917. En ella se formula una estrecha relación entre la gravitación, el espacio y el tiempo.
(4) Historia del tiempo. Stephen Hawking. Una guía para el lector. Recopilado por Gene Stone. P&J. Barcelona, 1993.
