Sobre el Universo…

El universo es el conjunto de todas las cosas existentes (para los creyentes, de todas las cosas creadas). La cosmología es la disciplina científica que estudia la estructura del universo, así como lo concerniente a su origen, evolución y estimación futura.

El Universo contiene galaxias, cúmulos de galaxias o hipergalaxias, y estructuras de mayor tamaño llamadas supercúmulos, además de materia intergaláctica. Su origen era atribuido en los antiguos pueblos de la Tierra a una fuerza divina creadora de misteriosas materias. Para ellos, el Universo se limitaba al firmamento visible, pues los aparatos de visualización que se disponían únicamente prestaban auxilio al ojo humano.

Todavía no se tiene conocimiento real de la magnitud del Universo, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad; se ha convenido que su origen se debe a la explosión y posterior expansión de la materia que se encontraba concentrada en un punto, teoría denominada del big-bang.

Principio cosmológico

Se podrían formular las ecuaciones cosmológicas sobre la evolución del Universo, siempre que todo el cosmos cumpliese parámetros isotrópicos y homogéneos (”principio cosmológico”), es decir, que el Universo presente el mismo aspecto en todas las direcciones (isotropía), y que independientemente del lugar desde donde se observe ofrezca la misma imagen (homogeneidad). No obstante, desde nuestra posición en el Universo existen limitaciones importantes para obtener datos con que generar un modelo válido, pues las ecuaciones requieren información sobre la masa contenida, la cual es muy difícil de obtener porque el 90% del Universo es una masa oscura, y por tanto no observable. Lo que sí está confirmado por las observaciones, es que nos encontramos ante un Universo en expansión.

Base para los modelos de un Universo en expansión

El astrónomo estadounidense Edwin Powell Hubble, autor del primer sistema para clasificar galaxias, estableció en 1929 una ley llamada de “velocidad de recesión de las galaxias”, sobre la que debe descansar cualquier modelo sobre la expansión del Universo. Hubble descubrió que todas las galaxias se alejan de nosotros con una velocidad proporcional a su distancia. La constante de proporcionalidad, llamada constante de Hubble, es el cociente entre la distancia de una galaxia a la Tierra y la velocidad con que se aleja de ella.

Estimaciones sobre la edad del Universo

La edad del Universo se podría calcular si se conociera su tasa de expansión. Se estima su antigüedad entre los 7.000 y 20.000 millones de años. Inicialmente, los primeros cálculos le atribuyeron 2.000 millones de años, pero se sabe por la datación de isótopos radiactivos que la Tierra tiene 5.000 millones de años, invalidando así esa estimación. No obstante, la cosmología actual mantiene la incógnita sobre la verdadera antigüedad del Universo, pues los cálculos realizados sobre la edad de determinados objetos cósmicos, como los cúmulos de estrellas, no concuerdan e incluso chocan con algunas de esas dataciones.

Modelo de Universo estático

En 1917, 12 años antes de que Edwin Powell Hubble describiese su Ley sobre la Velocidad de recesión de las galaxias, el físico Albert Einstein, autor de la Teoría de la Relatividad, propuso un modelo de Universo basado en su famosa teoría. Este modelo consideraba el tiempo como una cuarta dimensión, demostrando que la gravitación de las materias era equivalente a una curvatura espacio-tiempo cuatridimensional. Einstein cometió lo que él calificaría como “el mayor error de mi vida”, al no predecir la expansión del Universo, pues introdujo en sus ecuaciones una “constante cosmológica” que compensase la expansión que su propia teoría demostraba, al considerar que siendo el Universo estático, las galaxias debían contar con alguna fuerza de repulsión que equilibrase las fuerzas de gravitación mutua entre ellas.

Modelo de Universo estacionario

Del modelo de Universo en expansión de Friedmann, y otros anteriores que tenían en cuenta el “principio cosmológico”, derivó en 1948 otro modelo de Universo, el del “Universo estacionario”. Este modelo fue presentado en 1948 por los astrónomos británicos Hermann Bondi, Fred Hoyle y Thomas Gold. Para ellos, desde una concepción filosófica, la teoría de un comienzo repentino del Universo era insatisfactorio. Sus planteamientos se resumen en el principio de que el Universo es el mismo siempre y desde cualquier posición, y en la teoría de la “creación continua”, por la cual la pérdida de densidad del Universo durante su expansión, queda compensada con la creación continua de materia que mantendrían la actual apariencia del Universo. Tras ser descubiertas en 1965 las radiaciones de fondo de microondas (estimadas como las radiaciones remanentes de la primera gran explosión o Big-bang), así como los quásares (consistentes en fuentes de radiación relacionadas con la recesión de las galaxias), la teoría del Universo estacionario quedó desautorizada para la mayoría de los cosmólogos, por su incompatibilidad y contradicción con la teoría del Big-bang.

Modelo de Universo en expansión

  Partiendo de un modelo de Universo en expansión, existe una teoría llamada “Universo oscilante o pulsante” según la cual, un Universo colapsado tras producirse la contracción, daría lugar a una nueva Gran Explosión de ese punto de alta densidad, expandiéndose de nuevo, para volver a colapsarse y explosionar, y así hasta el infinito.

Según la teoría del Big-Bang, hace unos quince mil millones de años el Universo se reducía a un punto, donde toda la materia estaba fuertemente comprimida en un mínimo espacio de ilimitada densidad y elevadísimas temperaturas, y en donde la curvatura del espacio-tiempo era infinita. En un momento dado sobrevino la Gran Explosión o estallido primario y comenzó la evolución de nuestro universo.

Dado que por definición nada de lo que podamos conocer estuvo fuera del átomo primario, es mejor imaginar lo sucedido desde dentro. Tras el estallido primario el espacio se fue estirando, y la materia y la energía se fueron expandiendo junto a él, a la vez que se enfriaban rápidamente. A los pocos segundos de la explosión inicial, los fotones y otras partículas colisionaron unas con otras y se desintegraron o se transformaron en otras distintas. Al tiempo que el Universo se iba enfriando, daba lugar a las primeras partículas materiales, átomos de hidrógeno y helio; a su vez los fotones se propagaron libremente y se hizo la luz.

La radiación de la bola de fuego, que tanto entonces como ahora llenaba el universo, fue desplazándose a través del espectro, pasando de los rayos X al ultravioleta, y de éste a través de los colores visibles del arco iris hasta el infrarrojo y a las regiones de radio. Los restos de esta bola de fuego no serían otra cosa que la radiación cósmica de fondo que emana de todas partes y puede ser detectada hoy en día gracias a los radiotelescopios, y que se pudo recibir por primera en 1965 dando elementos para la confirmación de la teoría de la Gran explosión. Con el tiempo, el tejido del espacio continuó expandiéndose, la radiación fue enfriándose y poco a poco el espacio se volvió por primera vez oscuro en la luz visible ordinaria, tal como ahora es.

a teoría generalmente aceptada del big-bang, por la cual el Universo surgió de una Gran Explosión inicial que expandió la materia contenida en un punto de extrema condensación, dejó no obstante algunos problemas sin resolver. Para ello, el físico estadounidense Alan Guth desarrolló a principios de 1980 la Teoría Inflacionaria, que intenta explicar como se produjeron los acontecimientos durante los primeros momentos de la creación del Universo.

Uno de los puntos oscuros de la teoría del big-bang es el relativo a la uniformidad que presenta el actual Universo, el cual se explica difícilmente si se admite la rapidez de expansión de la materia desde el primer momento, que no permitiría desarrollar tal uniformidad. Otro punto a tener en cuenta, es que las leyes físicas normales no podrían aplicarse al estado en que se encontraría la materia en aquellos tiempos en que se produjo la explosión.

Alan Guth se apoyó en trabajos de notables físicos, como los estudios de Stephen Hawking sobre campos gravitatorios ultrafuertes existentes en las proximidades de los agujeros negros, que demuestran que la materia del Universo podría haberse creado a partir de fluctuaciones cuánticas dentro de un espacio “vacío”. Guth recurre pues a la Teoría del Campo Unificado (véase más abajo), para explicar el estado primigenio de la materia, de la que partirían las condiciones iniciales para producirse la Gran Explosión. En una zona del desordenado estado original de la materia, se podría haber producido un rápido abultamiento que permitiría la formación de un Universo visible.

Teoría del campo unificado

La obra desarrollada por Alan Guth (teoría inflacionaria) para explicar el estado de la materia previa a la Gran Explosión, toma como referencia la Teoría del Campo Unificado. Esta teoría física unifica varias o las cuatro fuerzas fundamentales, o interacciones conocidas, en sencillas leyes generales. La creencia de que cualquier fenómeno físico debería poder ser explicado partiendo de una unidad primigenia, llevó al intento de desarrollo de esta teoría, partiendo de la evidencia de que todas las interacciones de la materia que se pueden observar, están regidas por cuatro fuerzas fundamentales: gravitación, electromagnetismo, interacción fuerte (la que mantiene unidos los núcleos del átomo), e interacción débil (la que permite procesos de tipo nuclear, como la desintegración beta).

Albert Einstein intentó desarrollar una teoría unificada para las fuerzas electromagnética y gravitatoria, pero el descubrimiento de muchas partículas nuevas, así como el desarrollo de la teoría cuántica, le impidieron progresar en una teoría que se basara solamente en la relatividad y la física clásica. No obstante, los trabajos sobre cosmología continuaron avanzando a finales de la década de 1960, gracias al físico estadounidense Steven Weinberg y paquistaní Abdus Salam que, independientemente, lograron unificar las interacciones débil y electromagnética en lo que llamaron Teoría Electrodébil, utilizando la técnica matemática de la Simetría de Gauge. Actualmente se intenta ampliar la teoría electrodébil a la interacción nuclear fuerte, en lo que se conoce como Teoría de la Gran Unificación. Todos estos trabajos, conocidos como Teorías de Supersimetría pretenden, finalmente, conseguir la unificación de las cuatro fuerzas fundamentales (gravitación incluida).

Teoría del todo (TDT)

La teoría del campo unificado no es más que una visión parcial de la llamada Teoría del Todo (TDT), consistente ésta en la hipótesis de unificación de todas las fuerzas de la naturaleza ya descritas (gravitación, electromagnetismo, interacción fuerte e interacción débil).

El porqué el planteamiento de una teoría del todo (TDT) tendría visos de ser definitiva, la observamos en la misma historia de la física. No podemos olvidar que, en 1687, Isaac Newton realizó una descripción unificada del movimiento de nuestra luna y del movimiento de una manzana en su caída. Posteriormente, en 1873, el físico británico James Clerk Maxwell, unificó los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos en la teoría del electromagnetismo. Últimamente en 1968, como ya se dijo anteriormente, Steven Weinberg y Abdus Salam, unificaron la interacción débil y la fuerza electromagnética.

Teoría de supercuerdas

La Teoría de Supercuerdas podría convertirse finalmente en la más firme teoría del todo (TDT), que explicase la unificación de todas las fuerzas de la naturaleza. Según esta teoría, todas las partículas del universo (y probablemente el propio espacio-tiempo), se componen de diminutas cuerdas que se encuentran sometidas a una tensión inmensa, vibrando y girando en un gran espacio de 10 dimensiones (matemáticamente se ha considerado como necesaria la existencia de 10 dimensiones). Sólo cuatro de esas 10 dimensiones serían observables, las otras seis estarían contraídas en pequeñísimos círculos (compactificados). Por su parte, las partículas elementales corresponderían a diferentes modos cuantizados de oscilación de las cuerdas. Esta teoría es de difícil manejo y todavía no se han podido establecer predicciones verificables.