Ilustrado por: Florencia Luna
René Medina
«Math, science, history, unraveling the mistery that all started wih the Big Bang (bang!) »
Fragmento del intro del tema principal de la serie norteamericana The big bang theory
Hoy en día, si tú vas caminando por la calle, y preguntas de manera aleatoria a personas que encuentres: ¿cómo comenzó el universo? Hay una gran probabilidad que te digan que, como sugiere el pegajoso intro de la serie The big bang theory… todo comenzó en el Big bang. La idea de un universo que tiene un comienzo, y que, probablemente tenga un final, como modelo ampliamente aceptado y respaldado por la comunidad científica, es relativamente nuevo.
Ciertamente, la idea de un universo que tuvo un comienzo como tal, no lo es. La idea ha existido básicamente desde el origen de la humanidad, y ha sido causa de debates filosóficos al menos desde que se tiene registro. Sin embargo, el postulado científico deducido de las leyes físicas y respaldado por el lenguaje universal de las matemáticas, data de finales de los años 20 a inicios de los 30 del siglo pasado. Así es, aunque tu lector, no lo creas, hace mas o menos 100 años, la idea de que el universo tuviese un comienzo, era científicamente risible; incluso el mismo nombre de «Big bang» tuvo un origen peyorativo, pero ya llegaremos a ello en su momento.
¿Qué decía la ciencia hasta hace 100 años acerca del origen del universo en que habitamos?
El primer modelo del universo sistemático y coherente con las observaciones es el modelo llamado geocéntrico. Fue recopilado por Ptolomeo I por allá en el primer siglo después de Cristo. En dicho modelo, la tierra se encuentra al centro del universo, y se incluyen el sol y algunos planetas —los conocidos hasta ese momento—, girando alrededor de la tierra. Esta propuesta fue ampliamente apoyada por la filosofía helénica, y se mantuvo «vigente» hasta 1543, cuando, el sacerdote y astrofísico Nicolas Copérnico, publicó su obra magna De revolutionibus orbium coelestium. En ella, postulaba los movimientos de las orbitas planetarias alrededor del sol y no, como se creía oficialmente hasta ese entonces, alrededor de la tierra.
Sin embargo, la idea de que la tierra no se encontraba en el centro del universo, existía ya desde etapas previas, al menos, desde el tiempo de los helénicos. El mismo Copérnico reconocía haberse inspirado en la obra de Aristarco de Samos, quien, en su momento, fue rechazado junto con sus teorías por ir en contra del «sentido común».
El cambio de modelo no fue fácil. Fue impulsado grandemente por Galileo Galilei, y no fue, sino hasta la teoría física de la mecánica clásica de Isaac Newton —1642-1727— que, finalmente, la cosmovisión heliocéntrica fue considerada como el modelo universal correcto; debido a que, sus prototipos matemáticos podían ser factiblemente comprobables aquí en la tierra. Sus postulados generales eran tan válidos para describir tanto el movimiento planetario, como el movimiento de los objetos observables desde el planeta tierra.
Para estos años, ya sabíamos que nuestro sistema solar no era el total del universo existente; aún así, no teníamos conocimiento ni medios para observar, que tan grande era en realidad. Durante todo este tiempo, e inclusive hasta la Teoría de la relatividad general de Einstein —1915— la idea, generalmente aceptada por la ciencia, era la de un universo eterno, inmutable e infinito.
¿Qué significa? Significa que, como creía Aristóteles, Newton, e inclusive Einstein, el universo no había tenido un principio, ni tendría tampoco un fin. Es decir, siempre había existido y siempre existiría, y como tal, no tendría cambios ni el tiempo tendría un comienzo, por lo cual no necesita de un momento de creación o inicio, ni de un creador o causa primera. El modelo del universo estático como «creencia general aprobada en la comunidad científica» llegó hasta la primera parte del siglo pasado.
Dicho modelo estático, comenzó a ser cuestionado con el surgimiento de la teoría de la relatividad postulada en 1905 por el célebre físico Albert Einstein. Pero, curiosamente, ni él mismo creía que el universo tuviera un comienzo; por lo que, de manera arbitraria, añadió una «constante cosmológica» que compensara la expansión del universo que se derivaba de su obra, permitiendo así, un universo estático que ha existido desde siempre. Posteriormente, con el avance de la física teórica y las observaciones de los telescopios que permitieron una mejor observación del universo, el mismo Einstein se refirió a su constante cosmológica como «la mayor de sus equivocaciones».
Así es como llegamos a 1920. Con la comunidad científica apoyando la idea de un universo estático, infinito y eterno; al mismo tiempo que comienza a ser cuestionado por diferentes científicos teóricos a partir del trabajo de Einstein, lo cual sugería la posibilidad de un comienzo.
¿Cómo surge la idea de un universo finito y dinámico? Pues bueno, a inicios de 1920, se creía que el universo total se reducía únicamente a nuestra galaxia, es decir, a la vía láctea. Para ese entonces, se conocía la existencia de unas manchas de luz, bautizadas por aquellos años como «nebulosas». Tres años despues Edwin Hubble descubriría que dichas manchas eran en realidad ¡otras galaxias!, lo cual significa que el universo era muchísimo más grande que nuestra vía láctea, ya que estas galaxias, estaban a millones de años luz de nosotros. Además, hizo un segundo descubrimiento por demás revelador, al calcular la distancia de dichas galaxias desde nuestro punto actual, descubrió que todas ellas se estaban alejando de nosotros en diversas direcciones.
Es entonces cuando en 1927, un físico teórico y cosmólogo belga, llamado Georges Lemaitre, publicó un trabajo donde recogía un catálogo de 42 galaxias estableciendo la proporción entre ellas y, llegando a la conclusión de que, entre más lejos se encontraba una galaxia de la otra, con mayor velocidad se alejaba, lo cual quiere decir que el universo se encuentra en constante expansión. ¿Qué implicaciones tiene entonces un universo en expansión?
Ahorrándonos la parte de los cálculos matemáticos complejos, y, atendiendo a la buena lógica, significa lo siguiente: si en la actualidad el tiempo se encuentra expandiéndose en todas direcciones desde todos los puntos —imagine el amigo lector un globo que está siendo inflado, por ejemplo— y al mismo tiempo, se expande más rápido; cuanto más lejos se encuentra podemos deducir, yendo «hacia atrás en el tiempo», que hubo un momento en el cual la materia no se estaba expandiendo, sino que se encontraba toda junta en un solo punto —¿le suena al amigo lector familiar esto?—.
Basado en estas observaciones, Lemaitre hizo cálculos que le permitían ajustar la constante cosmológica —si, esa de Einstein para garantizar la inmutabilidad del universo— a las observaciones de un universo en expansión. Inclusive, cuando en la famosa conferencia de Solvay de 1927 expuso su teoría, el mismo Einstein se encontraba ahí. Al final de la conferencia, tuvo unas palaras con Lemaitre en donde el célebre físico le dijo que sus soluciones a las ecuaciones de la relatividad eran matemáticamente correctas, pero su física era abominable. Lemaitre, posteriormente, innovó con su teoría de física cuántica que llamó «La hipótesis del átomo primitivo» en la cual, se enuncia por primera vez, de manera explícita, la condensación infinita de la materia en un punto infinitesimalmente pequeño, que después, se expandiera a una velocidad acelerada.
Como ya lo mencioné antes, para este punto, dichas aseveraciones se basaban, no solamente en matemáticas fuertes derivadas de las teorías de Einstein, sino también en las primeras observaciones y consideraciones sobre la expansión del universo. En este punto, la idea de un inicio del universo ya se podía sostener teóricamente sin ser del todo aceptada por la comunidad científica. Y es entendible, ya que, al pensar en un comienzo del universo, es inherente para el ser humano, imaginar una causa primera o, un Agente externo; lo cual, choca con la percepción de algunos científicos. El mismo Hubble consideraba que la visibilidad de la expansión del universo podría deberse a algún principio natural no reconocido hasta ese momento. Hubble se mantuvo firme a sus creencias inclusive cuando supo de las derivaciones de Lemaitre, el cientifico se mantenía escéptico a sus resultados. Quizá parte de lo que nublaba la aceptación de la evidencia teórica en ese momento, además de una creencia arraigada en un universo estático, tenía que ver también con la figura del científico que propuso primero la teoría del átomo primigenio —posteriormente llamada Big bang—. Esto debido a que, Lemaitre, además de ser doctor en física teórica y haber estudiado en el MIT, en Hardvard y Cambridge, era también un sacerdote católico teísta.
En palabras del físico Stephen Hawking: «el descubrimiento de la expansión del universo fue una de las grandes revoluciones intelectuales del siglo XX. Fue una sorpresa total y cambió por completo la discusión sobre el origen del universo. Si las galaxias se están separando, deben de haber estado más juntas en el pasado. A partir de la tasa de expansión, podemos estimar que debieron de haber estado muy juntas hace unos 10 000 o 15 000 millones de años. Parece pues, que el universo podría haber comenzado en aquella época, con todo su contenido en el mismo punto del espacio».[1]
Aun así, diversos científicos, como se mencionó anteriormente, discrepaban de la idea de que el universo tuviese un comienzo. Por tanto, continuaron con numerosas teorías como la del universo estacionario, cuyos principales representantes fueron Thomas Gold y Fred Hoyle. Este último fue quien, en 1948 durante una entrevista para la BBC asigno el nombre peyorativo de «Big Bang» a la teoría de Lemaitre.
De una manera extremadamente sucinta y general, el estado estacionario postulaba que el universo no tuvo un principio ni tendría un fin, y para poder corresponder dicho postulado con la evidencia observable de Hubble, Hoyle suponía que había materia que se creaba continuamente entre las galaxias, dando lugar a nuevas que ocupaban el espacio que se iba vaciando durante la expansión.
Durante los siguientes 30 años, el trabajo de Lemaitre y su teoría del átomo primitivo fue relegado de la comunidad científica. Como ya lo mencionamos previamente, la misma no era bien vista, inclusive en un congreso en Pasadena, Hoyle se burló del sacerdote belga con las palabras «this is the big bang man.. » traducido como: «este es el hombre de la gran explosión». Quizá en ese momento fue algo bochornoso para el científico belga, pero ahora, sabemos cómo al final resultaron las cosas para ellos dos y como, el futuro y el desarrollo tecnológico le darían su correcto lugar a cada uno. Otra de las consideraciones generalmente aceptadas, y las cuales, a su vez, dificultaban el reconocimiento de la teoría del átomo primigenio —la llamaremos teoría del big bang a partir de este momento respetando la trama histórica del acontecimiento— era la acepción del tiempo.
En términos generales, el tiempo era visto antes de la teoría de la relatividad como algo completamente separado del espacio, que corre de manera inmutable, eterna y que ha sido, y será para la eternidad, independientemente del hombre o del universo. De hecho, en los cálculos de la mecánica clásica —la de newton, aquella que te enseñan en la escuela—, el tiempo no tiene un rol protagónico. Caso muy diferente de la Mecánica Cuántica, donde el tiempo juega un papel fundamental[2]. Sin embargo, como es bien sabido, los paradigmas son difíciles de romper. Incluso el mismo Einstein no veía con buenos ojos el hecho de que el tiempo, al igual que la materia, tuviese un inicio como proponía el Big Bang. Fueron dos los acontecimientos que finalmente dieron la razón a Lemaitre y Hubble con su big bang.
Antes de avanzar con dichos acontecimientos sería importante tratar de esclarecer, aunque sea de una manera muy vaga y general un concepto fundamental del espacio-tiempo.
Sin entrar en mucho detalle, ya que, esto sería, por si mismo, otro articulo completo, y con fines de hacer un poco más entendible el presente texto, diremos que el espacio-tiempo es el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo como un continuo inseparablemente relacionado. No puedes hablar de uno sin el otro, y de igual manera, no puedes afectar el uno sin afectar el otro. De esta forma, en la física cuántica, la gravedad, curva y deforma —afecta—, no solo el espacio, sino también el tiempo —si, como en la película Interestelar—. Así tenemos por ejemplo una medida muy singular que es los años luz. Un año luz, quiere decir que, dicha distancia, es la que tardaría la luz —la onda partícula más rápida que existe— en llegar de un punto a otro, exactamente un año completo. Es decir, si el punto A está a 1 año luz de distancia del punto B, para llegar de un punto a otro, nos tomaría un viaje de un año completo a 300,000 km/s —la velocidad de la luz— de manera constante. Esto implica, grosso modo, que la luz que llega a nosotros ahora se generó en «el pasado. Cuando quieras echar una mirada al pasado, no tienes más que levantar la cabeza y ver la luz de las estrellas, quizá, algunas de ellas, ya ni si quiera existan en la actualidad.
Así pues, con el concepto de espacio-tiempo en mente, revisemos los dos acontecimientos que terminaron por dar la razón a la teoría del big bang. El primero de ellos, fue un caso de experimentación casi fortuito.
En 1965, dos físicos americanos: Penzias y Robert Wilson, estaban trabajando en un detector de microondas altamente sensible para establecer comunicación con satélites en órbita. Durante la realización de sus pruebas, captaron interferencia o «ruido» más allá de lo que se debería sin proceder de ningún lugar en particular. Acto seguido, revisaron sus detectores en busca de suciedad de ave, buscaron otros posibles defectos y al final descartaron todo. Además, el ruido era el mismo sin importar la dirección en que apuntaran el defecto, de modo que, podría proceder de fuera de la atmosfera terrestre. Así pues, el ruido no cambiaba ni de día, noche, en distintas épocas del año o partes del planeta, de manera que, este sonido venia exclusivamente del sistema solar e incluso más allá de nuestra galaxia.
Al mismo tiempo, George Gamow, había hecho una sugerencia basada en los trabajos de su maestro Friedmann, en los cuales proponía que, si el universo había empezado en un big bang, la luz que generó esta explosión debía ser visible aun hoy en día en algunos puntos del universo —recordemos el espacio-tiempo—; no obstante, como el universo se seguía expandiendo, dicha luz debería estar desplazada al rojo, por lo cual, ahora se presentaría como radiación de microondas. Cuando leyeron esto, Penzias y Wilson supieron que habían encontrado esa radiación. De manera que, en 1978, se les fue otorgado el premio Nobel por su descubrimiento, con esto se confirmaba lo predicho por Hubble y Lemaitré 30 años atrás, el universo se estaba expandiendo; y si así lo hacía, en algún punto del pasado debio estar junto. Aquí es donde entran Stephen Hawking y Roger Penrose.
El primero, también en 1965, Roger Penrose propuso que, basado en la teoría de la relatividad, una estrella que colapsa bajo su propia gravedad está atrapada en una región cuya frontera se contrae hasta un tamaño nulo. Es decir, una estrella al colapsar, de cierta manera implosiona —explota sobre sí misma, por decirlo de una manera vaga— y la fuerza de gravedad es tan grande que contrae toda la materia —incluyendo la luz— en una región infinitamente pequeña. En dicha región del espacio, la curvatura del espacio-tiempo también se hace infinita Y las leyes de la física se dejan de aplicar creando lo que se llama, una singularidad única —sí, también así se hacen algunos agujeros negros—. A simple vista, da la impresión de que estos teoremas de cómo termina una estrella no tienen nada que ver con el inicio del universo, pero Stephen no podía estar menos de acuerdo. El cientifico tomó estos teoremas, invirtió el tiempo —es decir, hacia atrás en vez de hacia adelante— y voilá… big bang.
Dejemos que sea el mismo Stephen quien nos cuente: “«Me dí cuenta de que, si 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 (…) el teorema de Penrose había demostrado que cualquier universo en expansión debió de empezar con una singularidad. Por razones técnicas el teorema de Penrose requería que el universo fuera espacialmente infinito. Por eso pude utilizarlo para demostrar que debería haber una singularidad solamente si el universo se estuviera expandiendo con suficiente rapidez para evitar que colapsara de nuevo (…) el resultado final fue un articulo que escribimos conjuntamente 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».[3]
Ahora todos los elementos estaban servidos. La teoría del tanque estacionario y sus detractores no tuvieron más que aceptar la evidencia matemática y sobre todo empírica de la expansión del universo y de la cual, se deducía el inicio del mismo en el Big Bang hace 13,800 millones de años.
Por último, no queda más que añadir algunas pequeñas líneas sobre Hubble y Lemaitré.
Por muchas décadas, se consideró a Hubble como el padre de la teoría del big bang; sin embargo, en el año 2011 se presentó el caso en la revista Nature para revindicar a Lemaitre como el autor de dicha teoría ya que sus propuestas son de 1927 mientras que las de Hubble son de 1929. Por un tiempo se consideró que Hubble había robado la idea; no obstante, nueva evidencia sugiere que fue el mismo Lemaitre quien por decisión propia, eliminó algunas partes de los cálculos en la traducción del belga al inglés. Lemaitre nunca quiso los honores del descubrimiento y permitió que fuera Hubble quien se llevara el crédito. Falleció en 1966, un año después de haber sido probada la radiación de microondas y sabiendo sólo dos días antes de partir, que su modelo del origen del universo se encontraba en lo correcto.
Bibliografía
Mlodinow L. y Hawking S. “Brevísima Historia del tiempo” Ed. Planeta, España 2006
Hawking S. “Breves respuestas a las grandes preguntas” Ed. Crítica, México 2018
Hawking S. “La teoría del todo, el origen y destino del universo” ed. Random House, México 2008
Hawking S. “El universo en una cáscara de nuez” ed. Critica House, España 2011
https://www.unav.edu/web/ciencia-razon-y-fe/georges-lemaitre-y-el-big-bang-sin-prejuicios-por-favor
https://www.bbvaopenmind.com/ciencia/matematicas/edwin-hubble-el-hombre-detras-del-telescopio/
[1] Hawking S. “Breves respuestas a las grandes preguntas” Ed. Crítica, 2018, p. 77
[2] Si quieres más información sobre el tiempo en la mecánica cuántica y te interesa saber un poco más sobre lo que dice la ciencia actual sobre los viajes en el tiempo, revisa éste otro articulo https://katabasisrevista.com/2020/10/05/los-viajes-en-el-tiempo-y-la-fisica-cuantica/
[3] HAWKING S. “La teoría del todo, el origen y destino del universo” ed. Random House, México, p. 43
René Medina
Redactor
Florencia Luna
Ilustradora
