Ismael Pérez | DivulgaUNED.es - Desde antaño, la astronomía nos ha enseñado una y otra vez que debemos ser humildes. Cuando pensábamos que no podríamos recibir más lecciones de humildad, la sombra de Copérnico hace acto de presencia.
En 1543 se publicaba el libro "De Revolutionibus orbium coelestium", cuyo autor, Nicolás Copérnico, exponía la atrevida hipótesis de que la Tierra no es sino un simple planeta que orbitaba alrededor del Sol. Nada de ser el centro del universo. Para que semejante idea fuera aceptada se necesitó mucho esfuerzo por parte de lo que antes se conocía como filósofos naturales. Gracias al trabajo de gente como Johannes Kepler, Galileo Galilei, Isaac Newton y muchos otros se consiguió probar y mejorar semejante hipótesis. Al final, nos hemos visto obligados a aceptar que la Tierra no está en el centro del universo.
Al principio se pensó que el Sol era el que estaba en su centro, pero como sabemos hoy en día esto no es cierto. El Sol no es más que una de los cien mil millones de estrellas que pueblan la galaxia de la Vía Láctea, es decir, nuestra galaxia. Y nuestra galaxia no es más que una de tantas, el Cosmos es enorme en espacio y en tiempo. Y aquí estamos nosotros, en una pequeña roca, que orbita alrededor de una estrella que está perdida en las afueras de una galaxia cualquiera. Que razón tenía el astrofísico Carl Sagan cuando afirmó que la astronomía confiere humildad y forma el carácter.
Es mucho lo que hemos aprendido sobre el Universo, pero también es cierto que nos queda mucho más por aprender. Desde el siglo veinte, gracias al trabajo de Edwin Hubble sabemos que el Universo está en expansión, también hemos descubierto que los componentes que forman la mayor parte del Universo, a saber, la materia oscura y la energía oscura nos son completamente desconocidos. La materia de la que estamos hechos nosotros, los planetas, las estrellas, etc., sólo da cuenta de menos del 5% del Universo. Hemos descubierto que el Universo en épocas muy anteriores a la aparición de las primeras estrellas era tremendamente caliente y denso. Recientemente hemos descubierto que la expansión del Universo se está acelerando. Comúnmente a esta descripción del Universo se la conoce como la teoría o modelo del Big Bang, pero para ser exactos los cosmólogos hablan del modelo lambda-inflacionario con materia oscura fría, que es el modelo conocido antiguamente como Big Bang pero teniendo en cuenta los descubrimientos de la energía oscura, la materia oscura y la época inflacionaria.
Hemos descubierto que el Universo es basto e inmenso, pero la curiosidad científica no se detiene. Normalmente se acepta que el Universo tuvo un principio, pero ¿y si no fue así? Copérnico puso a la Tierra como un planeta más, siguiendo esa línea de pensamiento ¿y si nuestro Universo sólo es uno de tantos? ¿Tendremos la suerte de asistir a una nueva revolución “Copernicana”? Por increíble que esto pueda parecer, desde la cosmología se están planteando estas y otras hipótesis, que desafían nuestro intelecto.
El modelo inflacionario y el Multiverso.
Desde que el modelo inflacionario hizo su aparición la idea de que pueden existir otros universos además del nuestro no ha dejado de aparecer en la especulación cosmológica.
El modelo inflacionario, sin entrar en muchos detalles, lo que propone es que el Universo sufrió una expansión exponencial que lo hizo crecer de forma exagerada en un breve período de tiempo, esto sucedió en los primeros instantes del Universo. Dicho modelo ha sido bastante exitoso ya que ofrecía soluciones a problemas cosmológicos conocidos, que el modelo del Big Bang estándar no podía explicar. Además hacía algunas predicciones que luego se han probado como correctas, como por ejemplo la densidad de masa/energía que contiene el Universo debería ser igual a la denominada densidad crítica.
Vayamos por partes, ¿qué es eso de la densidad crítica? Bien, sabemos que el Universo está en expansión, lo que implica que las galaxias se alejan constantemente unas de otras. Así pues, podemos preguntarnos, ¿cuál es la cantidad de masa que se necesita que tenga el Universo para que la gravedad debida a esa masa frene y detenga ese movimiento de separación entre las galaxias? A dicha cantidad de masa expresada en forma de densidad es a lo que se le llama la densidad crítica.
Corría el año 1978 cuando Robert Dicke dió una conferencia en la Universidad de Princeton. El tema central de la misma era sobre la cantidad de masa y energía que contenía el Universo. Para ser exactos en lugar de cantidad de masa se suele hablar de densidad de masa. Y como ya hemos dicho la densidad de masa necesaria para detener la expansión se la denomina densidad crítica. El cociente entre la densidad de masa que tiene el Universo y la densidad de masa crítica se le representa con la letra griega Omega.
El problema es el siguiente, cuando Robert Dicke dió su famosa conferencia se sabía que el valor de Omega tenía que estar entre 0.1 y 2, pero según demostró Dicke, esto requería que un segundo después del Big Bang Omega tuviera un valor como mínimo de 0,999999999999999 y como máximo de 1,000000000000001. De no estar entre estos valores, Omega tendería a cero o infinito dependiendo si su valor superaba la cota mínima o máxima. Probablemente ante esta increíble coincidencia los defensores del diseño inteligente se estarían frotando las manos.
Dos años después, Alan Guth hizo publico su modelo inflacionario. Según descubrió Guth, durante la época inflacionaria, el comportamiento de la expansión exponencial del Universo se describe con las mismas ecuaciones con las que Einstein describió el campo gravitatorio, pero con el signo cambiado. Esto implica que si antes la más mínima variación en el valor de Omega hacía que este divergiera, ahora con el cambio de signo no importa el valor de Omega, éste podría valer 10, 1000, 0,001, 100000, 1000000 o cualquier otro valor ya que el proceso inflacionario hace que Omega converja hacia el valor 1. Así pues, la inflación introducida por Alan Guth no sólo borraba de un plumazo el aparente ajuste fino de Omega, sino que hacía una predicción sobre su valor, y es que el valor de Omega una vez acabada la época de la inflación debería ser 1 o muy próximo a 1, que es de hecho el valor que arrojan las últimas observaciones realizadas con la sonda WMAP de la NASA.
Cuando el modelo inflacionario se propuso sólo se conocía la existencia de la materia bariónica y se empezaba a demostrar más allá de toda duda razonable la existencia de la materia oscura. La materia bariónica es la materia común y corriente a la que estamos acostumbrados. Es la materia de la que estamos hechos nosotros mismos, los objetos que nos rodean, los planetas, las estrellas, etc. Haciendo un recuento de la masa de la materia bariónica, la densidad de masa no llegaba ni de lejos a la densidad crítica, añadiendo también la masa debida a la materia oscura, tampoco se consigue alcanzar el valor de la densidad crítica. Así pues, o el modelo inflacionario era incorrecto, o se nos estaba escapando algo. En este caso, no era el modelo el que fallaba, sino nuestro conocimiento de los ingredientes que constituyen el Universo.
Después se descubrió la energía oscura. Teniendo en cuenta este nuevo aporte ¿cuál es la densidad de masa del Universo? Dicha densidad coincide con el valor de la densidad crítica, o lo que es lo mismo el valor de Omega es 1. Impresionante acierto del modelo inflacionario.
El modelo inflacionario, ha hecho otras predicciones que han resultado correctas. Pero más allá de éstas también predice la existencia de otros universos. De hecho se estarían formando universos continuamente, incluso ahora mismo. Una imagen que puede ayudar a visualizar el multiverso (conjunto de todos los universos) podría ser un cazo de agua hirviendo. Cada burbuja que se forma sería un Universo distinto. ¿Pero cómo podríamos averiguar si existen esos otros Universos?
A este respecto, en el número de octubre de este año de la revista Astrophysical Journal Letters se publicó el descubrimiento de un grupo de cúmulos de galaxias que se mueven a 3,2 millones de kilómetros por hora, en dirección a la región del cielo que se encuentra entre las constelaciones de Centauro y Vela. Según Kashlinsky, uno de los autores del descubrimiento, estas altas velocidades y la dirección uniforme en la que se está moviendo no puede ser explicada ni por la expansión del propio Universo ni por el contenido de materia del mismo. Según los investigadores, podría ser que ese flujo de materia estuviera siendo causado por la gravedad de una gran estructura en otra burbuja (recuerde que cada burbuja sería un Universo) distinta de la nuestra. Evidentemente ésta explicación es altamente especulativa como bien reconocen los propios investigadores, por lo que conviene tomársela con una buena dosis de escepticismo.
Universo sin fin y multiverso desde la teoría de cuerdas.
Lo cierto es que más que de teoría de cuerdas habría que hablar de hipótesis de cuerdas, ya que dicha “teoría” todavía no ha realizado predicciones que se puedan someter al juicio de los experimentos, aunque como recuerda el físico Brian Greene en sus libros El Universo Elegante y El tejido del Cosmos, la “teoría de cuerdas” si ha realizado postdicciones, es decir, durante el desarrollo de la misma ha dado valores correctos sobre valores que ya conocíamos, como por ejemplo, la carga del electrón.
La idea base de la teoría de cuerdas es que todas las partículas elementales, electrones, quarks, etc., no son puntuales como se piensa actualmente, sino que en realidad serían como unos finas cuerdas extremadamente pequeñas, dichas cuerdas estarían oscilando continuamente, y dependiendo de la frecuencia de dicha oscilación las propiedades de la partícula serían diferentes, dando así lugar a electrones, quarks, etc. La teoría de cuerdas no está exenta de controversia ya que para que este modelo de la realidad funcione necesita que existan como mínimo 11 dimensiones, diez de ellas espaciales y la undécima sería el tiempo. Debido a la complejidad creciente de dicha teoría, que cada vez incluye objetos más exotéricos como las branas, a que hasta el momento no ha realizado predicciones que puedan ser sometidas a experimentos para verificar su validez y que además algunos defensores de dicha teoría argumentan que debe ser cierta porque es matemáticamente bella, ha hecho que algunos físicos como Sheldon Glashow, Lee Smolin y Peter Woit, se muestren muy críticos con dicha teoría, incluso filósofos como Mario Bunge también se han mostrado críticos con la misma.
No obstante la teoría de cuerdas se puede aplicar a la cosmología y como resultado ofrece respuestas interesantes y sugerentes.
Gabriele Veneciano, padre de la teoría de cuerdas y su equipo, han propuesto un modelo cosmológico en el cual el denominado Big Bang no sería el principio del universo. Por lo tanto, el tiempo no tendría su inicio en él. Su modelo, basado en la teoría de cuerdas, expone que el Universo ha existido desde siempre. La materia en él estaba muy enrarecida, y con el paso del tiempo dicha materia fue agrupándose poco a poco. En algunos lugares se llegó a acumular tanta materia que se formaron agujeros negros. La materia que caía en su interior quedaba para siempre separada del Universo.
Esto sucedía en todos los agujeros negros; así pues, el Universo primigenio quedaba dividido en fragmentos desconectados de él. Este proceso seguía inexorablemente y la materia continuaba acumulándose, aumentando así su densidad en el interior de dichos agujeros, pero según la teoría de cuerdas existe un límite para la densidad de materia que no puede ser rebasado. Cuando se alcanzó dicho límite la materia rebotó, comenzando así a expandirse. Ese momento sería lo que nosotros hemos denominado Big Bang. Según este modelo, nuestro universo, sería el interior de un agujero negro.
Los físicos Paul J. Steinhardt y Neil Turok han propuesto un modelo más extraño aún. Su modelo cosmológico parte de la idea de que nuestro universo es una membrana de varias dimensiones moviéndose a través de un espacio de más dimensiones. Para que la cosa no nos resulte tan extraña y difícil de digerir, reduzcamos el número de las dimensiones. Imaginen que nuestro universo y otros que pudieran existir sólo tienen dos dimensiones, es decir, que fueran planos. Serían como enormes folios moviéndose en el espacio de tres dimensiones, al que tan acostumbrados estamos.
Según este modelo, dos universos membranas (los folios en nuestro caso) se irían acercando, hasta que llegaran a chocar, ese choque sería lo que nosotros conocemos como Big Bang. A partir de ahí los universos membranas se irían separando y evolucionando cada uno por su lado. Pero llegaría un momento en el cual dejarían de alejarse y empezarían a acercarse de nuevo, comenzando así, un nuevo ciclo, el proceso continuaría indefinidamente. Sería indefinido en el tiempo tanto hacia el futuro como hacia el pasado, esto es, nunca hubo un principio.
Lo más interesante de todo esto es que los modelos cosmológicos que defienden estos dos grupos de científicos son falsables. Dicho de otro modo, que podemos comprobarlos. Ambos grupos, basándose en sus modelos cosmológicos, han hecho unas predicciones sobre la frecuencia e intensidad de las ondas gravitatorias que deberían ser detectadas. Las ondas gravitatorias son oscilaciones del espacio-tiempo. Serían algo parecido a las ondas que se desplazan por la superficie de un estanque cuando alguien tira una piedra en él. Si una onda gravitatoria alcanza un cuerpo, éste, al paso de la onda a través suyo, se estirará y se comprimirá.
La teoría predice la existencia de dichas ondas, aunque hasta el día de hoy no se ha detectado ninguna. Situación que puede cambiar con los observatorios como el LIGO y el VIRGO. Estos observatorios, junto con el satélite Planck, podrán, en opinión de Gabriele Veneciano, confirmar o desmentir estos modelos cosmológicos.
Colapsos y expansiones sin fin, desde la alternativa a la teoría de cuerdas.
La teoría de cuerdas no es la única solución a los problemas actuales de la física. Otro enfoque distinto es el de la Gravedad Cuántica de Bucles o LQG por sus siglas en inglés. El problema principal es que tenemos dos teorías que funcionan estupendamente bien cada una en su ámbito de acción, a saber, la mecánica cuántica describe el comportamiento del mundo de los átomos y las partículas y por otro lado tenemos la relatividad general la cual describe el Universo a su más grande escala.
El problema viene cuando tenemos que usar las dos para describir un mismo objeto, por ejemplo, para estudiar los agujeros negros. Dichos objetos son estrellas que han colapsado bajo la fuerza de su propia gravedad hasta convertirse en algo tremenda mente pequeño, más pequeño que las partículas elementales por lo que se necesita la mecánica cuántica para estudiarlo, pero al mismo tiempo su gravedad es tremendamente intensa por lo que necesitamos la relatividad general para estudiarla. Una situación similar se da cuando se pretende estudiar los primeros instantes del Universo tras el Big Bang. Intentar solventar los problemas que surgen al usar ambas teorías juntas es lo que se quiere conseguir mediante la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles.
Al igual que sucede con la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles también puede aplicarse a la cosmología y se obtiene un resultado parecido al propuesto por Gabriele Veneciano basándose en la teoría de cuerdas.
La base de la gravedad cuántica de bucles es que el espacio-tiempo no es continuo, sino discreto, aunque eso si, a escalas tremendamente pequeñas, del orden de la longitud de Planck, es decir unos 1,6161624 10-35 metros, resulta difícil, por no decir imposible, imaginarse una longitud tan pequeña, para captar lo minúscula que es esta longitud, un buen ejercicio puede ser escribirla sin usar la notación científica, con lo que nos queda tal y como sigue 0,0000000000000000000000000000000000161624 metros. Por así decirlo es como si en última instancia existieran “átomos” del espacio-tiempo. Si la gravedad cuántica de bucles hace una descripción acertada de la naturaleza del espacio-tiempo entonces las singularidades no pueden existir ya que existiría un tamaño mínimo el cual no se puede superar.
La aplicación a la cosmología de la gravedad cuántica de bucles permite indagar en los primeros instantes de nuestro Universo, ya que la supuesta singularidad donde todo comenzó no existiría. En cambio, lo que proponen es que todo nuestro Universo procede de un Universo anterior que sufrió un colapso, lo cual sólo puede suceder si la cantidad de masa es la suficiente como para parar la expansión y comenzar una contracción. Toda la masa de ese anterior Universo se iría concentrando en un espacio cada vez más pequeño, hasta que se alcanzara el tamaño mínimo posible en el cual sólo cabría una determinada cantidad de masa, alcanzado ese límite, al no poder concentrar más cantidad de masa, se produciría un “rebote”, es decir, todo el espacio-tiempo comprimido empezaría a expandirse de nuevo formándose nuestro universo durante ese proceso. Este proceso pudo haberse estado repitiendo indefinidamente.
Lo bueno del modelo del rebote es que difiere del modelo lambda-inflacionario con materia oscura fría, que es el que mejor describe nuestro Universo, en lo que a la producción de ondas gravitatorias, en los instantes “iniciales”, se refiere. Las cuales pueden ser detectadas de forma indirecta por la futura misión Planck como ya hemos comentado. Por lo que en principio podremos saber si el modelo es acertado o no.
Curiosidad, imaginación y escepticismo.
La imagen que se nos suele presentar de la ciencia en los medios de comunicación, es la de una actividad fría y aburrida. Pero no es cierto, como hemos visto, desde la cosmología se realizan hipótesis sobre la existencia de otros universos, sobre la posibilidad de que el momento del Big Bang simplemente fuera una fase más en un universo que ha estado evolucionando desde siempre, o sobre la posibilidad de que nuestro Universo sea eterno y esté sometido a un periodo cíclico de contracción y expansión. ¿Fría y aburrida? Más bien la ciencia parece ser una empresa que demanda una curiosidad imposible de satisfacer y una imaginación fértil que permita imaginar lo inconcebible. Pero esto no basta, si nos conformáramos con esto tendríamos historias, cuentos y fabulas sobre como puede ser el Universo, para avanzar en nuestro conocimiento se necesita curiosidad e imaginación, sí, pero también escepticismo, tenemos que someter a prueba nuestras hipótesis y teorías para saber que hay de cierto en las mismas, y eso es porque la ciencia es ambiciosa, no se conforma con imaginar como es el Universo sino que quiere saber cómo es, desde la más pequeña de las partículas hasta la más recóndita de las galaxias.
Créditos de las imagenes: NASA/WMAP SCIENCE TEAM
Ismael Pérez Fernández. Máster en Periodismo Científico - UNED
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