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Después de las descripciones que hemos hecho en los capí­tulos y secciones precedentes, aparece casi como obvio que salte la pregunta: ¿Cómo empezó todo? Es una interrogante que, en función de la naturaleza humana, es muy difí­cil evitar reflexionar sobre ella. Hay pensadores que han llegado a la conclusión que la respuesta ha de estar fuera del campo de la ciencia; creen que la creación del universo fue un acto divino. Otros rechazan totalmente el planteamiento, sostienen que el universo no empezó nunca, que siempre ha existido: punto de vista expuesto por el modelo de estado estacionario del universo. Pero observaciones astronómicas apoyan el hecho de que nuestro universo era muy distinto en el pasado remoto, que tuvo un origen concreto y que, desde entonces, sus cambios han sido sustanciales. También, es muy posible que nuestro universo sea una isla inserta en otro inmensamente mayor con caracterí­sticas de periodicidades infinitas de expansiones y contracciones, pero según los alcances de nuestra ciencia –por ahora– es algo indemostrable. Por otra parte, y como lo hemos visto, un universo autogenerado o reciclado es una posibilidad, pero nada nos obliga a aceptarlo. Creo, y en aras de la sencillez, que es mís saludable suponer que el origen de nuestro universo es un acontecimiento único. Si estudiamos el universo dentro del marco de los modelos cosmológicos habituales, vemos que la temperatura y la densidad de la materia siguen aumentando sin lí­mite a medida que retrocedemos en el tiempo. Luego llegamos a la singularidad espaciotemporal y las leyes fí­sicas pierden sentido. Esta circunstancia lleva a muchos a adoptar una actitud que podrí­a ser calificada como una especie de «ritualización de la singularidad»: la idea de que hasta los cientí­ficos deben renunciar a la empresa de entender racionalmente el origen del universo. Lo anterior, viene a ser como repetir la historia de lo que se decí­a en las primeras décadas del siglo XX, en que se señalaba que la fí­sica fracasarí­a en su intento de comprender el ítomo. Pero lo consiguió con la nueva teorí­a cuíntica. Del mismo modo, nada hay que nos impida conseguir una descripción racional del origen mismo del universo; algún dí­a se conseguirí. La singularidad del principio del tiempo deberí­a considerarse meta a conquistar y no una señal para desertar. Pero personas con diferentes formaciones culturales y en ciencias, contrarias a la idea de hacer esfuerzos para comprender el origen del universo, hay muchas. Argumentan que es algo que nunca podrí someterse a una contrastací­ón empí­rica. Agregan, ademís, que si el modelo inflacionario es correcto, todas las caracterí­sticas preinflacionarias del universo se habrí­an esfumado y no quedarí­a ningún rastro observable de su origen. Aunque sus argumentos pueden ser respetables sus objeciones no son vílidas. Desde luego, la existencia misma de todo el universo y del Big Bang es prueba de que hubo un origen de algún tipo. Hay otras caracterí­sticas de nuestro universo que podrí­an proporcionar información sobre su origen, aunque de momento –como indicios– no se ha profundizado lo suficiente en ellas. Por ejemplo, el modelo inflacionario exige que antes de la inflación el universo sea inmensamente cílido y muy denso, condiciones que debieran deducirse lógicamente de una teorí­a del origen mismo. Otro ejemplo es la caracterí­stica mís espectacular del universo que haya sobrevivido a la inflación: la dimensionalidad espaciotemporal tres mís uno. Otra caracterí­stica del universo preinflacionario es su alto grado de simetrí­a, y también eso deberí­a explicarlo cualquier teorí­a sobre el origen. La formulación de un modelo fí­sico correcto del origen del universo, desde luego, y hasta las leyes fí­sicas que lo rigen, es de un monumental trabajo con una multiplicidad de restricciones. Nuestro conocimiento de las leyes fí­sicas y de las caracterí­sticas observadas del universo limitan severamente nuestra libertad de elección. Las condiciones iniciales juegan un papel singular en cosmologí­a. En general, las condiciones iniciales y las leyes de la naturaleza constituyen las dos partes esenciales de cualquier formulación fí­sica. Las condiciones iniciales muestran la disposición de las fuerzas y las partí­culas al iniciarse un experimento. Las leyes indican lo que sucede. De este modo, las condiciones iniciales de un experimento son las condiciones finales de uno previo. Este concepto no sirve para las condiciones iniciales del universo. Por definición, nada existió antes del principio del universo, si es que el universo tuvo en realidad algún principio, de modo que sus condiciones iniciales deben aceptarse como un punto de partida que es, hasta ahora, incalculable. Un punto de partida como éste abruma a los fí­sicos, que desean saber por qué. La descripción que hemos hecho de los distintos modelos cosmológicos nos otorga numerosas posibilidades de condiciones iniciales y procesos fí­sicos con que el universo podrí­a haber comenzado. La idea mís corriente es aquella que postula que el universo comenzó con una densidad y una temperatura uniforme, y que existí­a un equilibrio casi perfecto entre la energí­a gravitacional y la energí­a cinética de expansión. La pregunta es si estas condiciones iniciales son plausibles. ¿Son probables o improbables? Tradicionalmente, los argumentos probabilí­sticos requieren que un experimento se realice en un gran número de sistemas idénticos, o bien que se repita muchas veces en un solo sistema. Pero cómo se puede llevar acabo aquello si se puede contar solamente con un universo. ¿Cómo podrí­an haberse determinado las condiciones iniciales del universo? ¿Apareció repentinamente el universo en t = 0? El modelo estíndar del Big Bang, basado en la teorí­a de la gravedad de Einstein, precisa que el estado del universo antes del estallido de la existencia era de una densidad y curvatura espaciotemporal infinitas. Lo anterior, lleva a considerar que en esas condiciones imperantes al inicio del mundo, las leyes conocidas de la fí­sica no tení­an aplicabilidad alguna, lo que implica que la ciencia serí­a incapaz de predecir como el universo comenzó. Todo lo que podrí­a decir es que el universo contemporíneo es como es, porque el primigenio fue como fue… Sin embargo, los cientí­ficos concuerdan en que el modelo del Big Bang no resulta satisfactorio cuando se trata de dar explicaciones convincentes en escenarios donde la materia comporta una densidad extrema. A diferencia de todas las otras teorí­as modernas en el campo de la fí­sica, la teorí­a de la gravedad de Einstein no incorpora las propiedades fí­sicas de la mecínica cuíntica. En la década de 1920, los fí­sicos descubrieron que todos los fenómenos naturales tienen un comportamiento dual: a la vez similar a las partí­culas y similar a las ondas. En ciertos casos, un electrón actúa como una partí­cula, ocupando sólo una posición a la vez en el espacio, y en otras circunstancia actúa como una onda, ocupando varias posiciones al mismo tiempo. La teorí­a sobre este comportamiento se denomina mecínica cuíntica. Esa dualidad onda-partí­cula de la materia conduce a una incertidumbre intrí­nseca con respecto a la naturaleza, es decir, una incertidumbre que no surge de nuestra ignorancia o incapacidad de medir, sino que es una ignorancia absoluta. Ello, demanda a describir la naturaleza mediante posibilidades, no certezas. Por ello, cada dí­a hay mís cientí­ficos entusiasmados con la posibilidad de formular nuevas ideas basadas en la fí­sica cuíntica, porque ellas pueden utilizarse para elaborar modelos matemíticos del origen mismo del universo que evitan una auténtica singularidad fí­sica. Estos modelos, carecen de un soporte experimental concreto. Pero esa falta de apoyo experimental, a los fí­sicos no les preocupa, ya que en las etapas de elaboración de modelos imaginarios, las ideas pueden ser sometidas a rigurosos escenarios computacionales. Porque lo notable de estos modelos no es tanto que al final se demuestre que son correctos o erróneos, sino que sean posibles. Parece que el universo, pese a su inmensidad y a su origen ignoto, acabarí dominado por la razón, porque es una entidad fí­sica. El origen del universo es anterior al periodo inflacionario. A medida que el universo se contrae, se hace mís cílido y mís denso y, según la relatividad general clísica, colapsa en una singularidad espaciotemporal. Pero si queremos utilizar la teorí­a cuíntica, hemos de modificar esta imagen puramente clísica del colapso. Los fí­sicos saben que la descripción clísica de la geometrí­a espaciotemporal se desmorona a la escala de Planck, antes de que aparezca la singularidad. La geometrí­a del universo se convierte entonces en una especie de mar espumeante que los cientí­ficos llaman la «espuma espaciotemporal» y la influencia de la gravedad cuíntica se hace dominante. Dado que espacio y tiempo son conceptos bísicos utilizados en fí­sica (anílogos al uso de las palabras en las frases) es difí­cil decir qué queda de las leyes fí­sicas convencionales en este extraño estado del universo... serí­a como sí­ las palabras perdieran su significado. Pero los fí­sicos han descubierto que pueden recurrir a un lenguaje nuevo de configuraciones de campos para describir el origen del universo. ¿Cómo se plantean los fí­sicos este acontecimiento? Antes de continuar, precisemos que no existe consenso de parte de los fí­sicos con ningún modelo «tipo» del origen del universo. Todos los modelos que analizaremos aquí­ deberín ser considerados como primarios, provisionales y desechables en la medida que se inventan otros mejores. Lo que, en último término, buscan los fí­sicos, es formular un modelo definido de este acontecimiento, como los modelos definidos del interior de las estrellas o de las etapas posteriores al Big Bang cuando se forma helio. La formulación de un modelo de esta naturaleza conlleva un pre-requisito ineludible: no dejar cuestiones pendientes en lo que se refiere a un estado de «pre-origen» del universo. De no ser así­, no podrí­as ser considerado como una teorí­a del origen del universo. Por ejemplo, podrí­amos autoinduciéndonos a señalar que el universo tuvo una partida en «algo»... una semilla primordial. Pero entonces se nos plantea un problema: ¿De dónde vino esa semilla? La idea alternativa de que el universo comenzó con «nada», que es una creación ex-nihilo, cumple la condición de no dejar cosas sin aclarar, respecto a un estado preexistente. Pero, ¿qué es eso de «nada»? Recordemos que, para la mayorí­a de los fí­sicos, la nada es lo que ellos denominan el «estado de vací­o», el estado de la energí­a total mí­nima posible en un sistema fí­sico. Este sistema fí­sico podrí­a ser un sistema solar, una galaxia o todo el universo. El espacio plano y vací­o coincide con esta descripción del «estado de vací­o» de los fí­sicos. Pero si en ese estado de vací­o se pone algo, como ondillas, supercuerdas, o un electrón o un fotón, entonces la energí­a total se incrementa y deja de ser un estado de nada; ya no hay vací­o. Lo que hemos definido como estado de vací­o se basa en la posibilidad que se tiene de precisar con exactitud qué se entiende por «energí­a total» de un sistema fí­sico. Para ello, podemos considerar que la energí­a es equivalente a la masa y que la masa genera un campo gravitatorio. Si observamos un sistema fí­sico cualquiera y medimos el campo gravitatorio que produce, podemos determinar su masa total y, en consecuencia, su energí­a total. Pero sólo puede asignarse a este campo gravitatorio producido por el sistema un significado inequí­voco si el espacio es plano a grandes distancias del sistema. Si el espacio no es plano a grandes distancias sino curvo, podrí­a considerarse que la curvatura se debe a la presencia de un campo gravitatorio adicional que no puede separarse del que produce la materia. Esto significa que no podemos determinar el campo gravitatorio de la materia ni, en consecuencia, la energí­a del sistema. En consecuencia, la «energí­a total» de un sistema fí­sico es un concepto solamente aplicable en un estado de espacio geométrico plano, y que no tiene sentido si admitimos una curvatura arbitraria de éste. Como el espacio de todo el universo puede curvarse, la energí­a total del universo no serí en realidad un concepto significativo. Lo anterior, puede sorprender, ya que se trata de una conclusión en la cual los conceptos de energí­a total y conservación de energí­a total no se aplican a todo el universo, pero es cierta. Indica que si hemos de definir la nada (el estado de vací­o) de modo que la definición pueda aplicarse a todo el universo, debemos buscar caracterí­sticas del vací­o independientes del concepto de «energí­a total». Uno de los requisitos que debe comportar el estado de vací­o es que eléctricamente debe ser neutro; no debe tener carga eléctrica ni ningún tipo de carga conservada, como son las que se manejan dentro del marco de la fí­sica de partí­culas cuínticas; ya que, si el vací­o tuviese esa carga total neta absolutamente conservada, no podrí­amos nunca librarnos de todas las partí­culas que llevan la carga y, en consecuencia, el vací­o serí­a algo y no «nada»...como se requiere. Ahora bien, si definimos el vací­o como el estado en que todas las cantidades fí­sicamente conservadas son cero, sorprendentemente, nos encontrarí­amos con que el universo entero seria equivalente a nada. Para pensar que es absurdo ¡No! Una común reacción enmarcada dentro de la naturaleza humana, ya que el universo entero es todo, no «nada». Pero si analizamos detenidamente este supuesto, vemos que el universo podrí­a equivaler en realidad a un estado de nada y, por tanto, es posible que nuestro universo naciese del vací­o. En efecto, la suma de todas las cargas conservadas, como la carga eléctrica, puede ser cero para el total del universo. En consecuencia, el universo puede crearse del vací­o. No hay ninguna ley fí­sica que prohí­ba la creación ex-nihilo. Por otra parte, podrí­a considerarse una pequeña fluctuación cuíntica en el vací­o que, primero se inflacta, y posteriormente da origen al universo al convertirse en el Big Bang. Al igual que las partí­culas cuínticas pueden crearse de forma espontínea a partir del vací­o, también el universo podrí­a crearse a partir del vací­o. Pero aunque una fluctuación cuíntica espontínea en el vací­o pueda producir momentíneamente una partí­cula y una antipartí­cula, éstas se destruyen rípidamente: de ahí­ que la producción concreta de partí­culas reales, dado que tales partí­culas tienen energí­a neta positiva, entrañe una violación del principio de conservación de la energí­a. Aunque se pueda violar la norma de conservación de la energí­a según la relación de incertidumbre cuíntica, sólo podrí violarse durante corto tiempo. ¿Cómo puede surgir entonces todo el universo de una fluctuación cuíntica del vací­o si ni siquiera pueden surgir de él dos partí­culas? Figura 16.04.02-2.- Modelo de fluctuaciones en el vací­o. Dentro del vací­o, ocurren las fluctuaciones que se inflactan para dar origen al Big Bang. La razón que podrí­a esgrimirse de que del espacio vací­o no broten hoy partí­culas fundamentales, es que nuestro espacio es muy plano y, en un espacio así­, la ley de conservación de la energí­a impide el proceso. Pero en el universo muy primitivo el espacio era muy curvo, por lo que la conservación de la energí­a total carecí­a de sentido. Si el espacio es muy curvo, puede producirse una fluctuación cuíntica del vací­o que cree partí­culas fundamentales. Esa fluctuación podrí­a «escaparse», creando las diversas partí­culas cuínticas que hoy identificamos con el Big Bang. Por otro lado, las fluctuaciones cuínticas en la geometrí­a del espaciotiempo pudieron producir partí­culas y antipartí­culas durante la era de Planck. Estas partí­culas recién creadas eliminarí­an energí­a gravitatoria de la geometrí­a fluctuante, y acabarí­an eliminando las fluctuaciones y produciendo un universo caliente como en el modelo del Big Bang. También, dentro del cí­rculo de los fí­sicos, un grupo de ellos ha pensado que el estado de la nada, a partir del cual se inicia el universo, es el espacio vací­o plano. Para ello, se basan que, si en un espacio tal una fluctuación cuíntica produce unas cuantas partí­culas, sus interacciones gravitatorias hacen que el espacio se curve. Luego, se va produciendo un chorro de partí­culas y el espacio se va curvando, con lo que surge del espacio plano vací­o un universo abierto, en expansión, lleno de materia. Sobre esta idea, varios fí­sicos formularon un modelo que describe el surgimiento desde la nada del universo como producto de un proceso cuíntico. Concluyen en su trabajo, que las leyes de la mecínica cuíntica formuladas en el marco relativista general, no contradicen en absoluto la creación espontínea de toda la materia y la radiación del universo. Esta creación tiene, en principio, un origen espaciotemporal arbitrario. Pero persiste una incógnita: en cuanto se inicia esa fluctuación del vací­o, puede mantenerse en movimiento; pero, ¿cómo se inicia? Bueno, no cabe duda de que el origen del universo fue un acontecimiento muy violento. Uno de los modelos, que es el que mís me satisface en lo personal, es el que elaboró en 1981, el malogrado doctor fí­sico-matemítico Heins R. Pagels junto con el colega David Atkatz. Su formulación matemítica conlleva a que el origen del universo es producto de una penetración mecínico-cuíntica, semejante a la desintegración de un núcleo atómico cuando sus partí­culas atraviesan directamente la barrera nuclear que ordinariamente las contiene. El origen del universo puede concebirse como un fenómeno de este tipo, claro estí, que con consecuencias mís espectaculares. La idea medular es que el estado inicial de «nada» es un estado de vací­o falso: como una burbuja situada detrís de una barrera que tiene una probabilidad pequeña pero finita de atravesarla hacia un estado de energí­a menor. Al hacerlo, el falso vací­o se desintegra en el estado del Big Bang de partí­culas interactuantes.

Según el modelo Atkatz-Pagels, el universo tení­a que ser cerrado espacialmente, un universo compacto. De acuerdo con ello, el espacio inicial del universo («la nada») es un espacio formado por una pequeña «burbuja» sin materia de la cual surge el universo como un espacio multidimensional compacto. Un subespacio tetradimensional de este espacio multidimensional penetra luego en la configuración fí­sica del Big Bang, representando el resto las simetrí­as internas observadas. Según este punto de vista, el universo surge como un espacio multidimensional con un alto grado de simetrí­a. Pero un universo con esta geometrí­a puede ser inestable y experimentar una desintegración por el mecanismo de penetración. En consecuencia, las cuatro dimensiones se convierten en dimensiones «grandes» y su tamaño se expande muy deprisa, mientras que el resto (las dimensiones pequeñas) sigue siendo pequeño y se halla hoy presente en las simetrí­as «internas» de las partí­culas cuínticas.

Tanto los modelos que hemos expuesto hasta ahora sobre el posible origen del universo, como otros semejantes que circulan o lo han hecho en los medios de difusión cientí­fica, parten de la existencia previa de un espacio vací­o de algún tipo: el vací­o del que todo surgió. Unos parten de un espacio plano, vací­o y tetradimensional. Otros, como el de Atkatz-Pagels, parten de un espacio cerrado, el que pueden haber mís de cuatro dimensiones. Sin embargo, la idea de mayor presencia en el pensamiento de los cientí­ficos es aquella que considera que el espacio sigue siendo algo, y que en realidad el universo debió haber surgido de la «nada». Sin espacio, sin tiempo... sin nada.

La nada de «antes» de la creación del universo es el vací­o mís completo que podamos imaginar. no existí­an espacio ni tiempo ni materia. Es un mundo sin lugar ni duración ni eternidad ni número: es lo que los matemíticos llaman «el conjunto vací­o». Sin embargo, este vací­o inconcebible se convierte en la plenitud de la existencia: consecuencia necesaria de las leyes fí­sicas. ¿Dónde estín escritas esas leyes en ese vací­o? ¿Quién le «dice» al vací­o que estí preñado de un posible universo? Es como si hasta el vací­o estuviese sometido a una ley, a una lógica previa al espacio y el tiempo.

Como lo mencionamos ya, los modelos sobre el origen del universo, que hemos expuesto hasta ahora, parten de la existencia previa de un espacio vací­o, desde el cual todo se origina. Vimos un modelo que partí­a de un espacio plano, vací­o y tetradimensional. Analizamos otro en el cual sus autores partí­an de un espacio cerrado, en el cual se podrí­a dar la existencia de mís de cuatro dimensiones. Veamos ahora uno con la idea de un universo inflacionario.

En 1983, el fí­sico teórico de Tufts University Alex Vilenkin escribió el artí­culo «El nacimiento de universos inflacionarios», en que exponí­a un modelo matemítico donde se fundamenta que «nada es nada». Para Vilenkin, la «nada» (ni espacio ni tiempo) penetraban según la mecínica cuíntica en una geometrí­a de espacio y de tiempo, de la cual podrí­a surgir una etapa inflacionaria del universo. Su modelo iba mís lejos que las ideas similares que precedentemente hemos expuesto, en las cuales se soslaya un mecanismo precisamente definido. Pero, ¿cómo pueden surgir el tiempo y el espacio de la «nada»?

Habiendo estudiado distintas variantes del modelo inflacionario, ello nos condiciona para usar la imaginación y poder entender lo que nos quiso decir Vilenkin. Tomemos la imagen de un universo inflacionario cerrado como un anillo elístico. Utilicemos esta imagen en la creación del universo. En este caso un universo unidimensional. En la medida que el tiempo retrocede, el anillo se encoge hasta convertirse en un punto y luego desaparece. Desde nuestra condición natural de un espacio tridimensional, el anillo estí encajado en nuestro espacio y desaparece en nuestro espacio. Pero no ocurre lo mismo con un supuesto ser habitante del espacio unidimensional del anillo, dado que ese espacio no se desvanece en otro de dimensiones mayores. Simplemente desaparece. El espaciotiempo tetradimensional real de nuestro universo puede simplemente desaparecer del mismo modo en la nada absoluta como, asimismo, también puede surgir de ella.

Utilizando las ideas generales de la mecínica cuíntica, pero sin disponer de una teorí­a detallada de la gravedad cuíntica, Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, y James Hartle, de la Universidad de California en Santa Bírbara, junto a otros especialistas, han intentado recientemente calcular las condiciones iniciales esperables de nuestro universo. Estos cílculos no implican en absoluto la observación del universo actual ni su anílisis retrospectivo. Hawking y Hartle se proponen calcular cómo debió crearse el universo –en función de los conceptos generales de la teorí­a cuíntica y la teorí­a de la relatividad– y luego seguir trabajando a partir de allí­. Claro estí, que la complejidad de los detalles de un cílculo de este tipo, por ahora, lo hace impracticable sin una teorí­a de la gravedad cuíntica; incluso con ella (si se logra al fin formular), puede que el cílculo resulte demasiado complicado para llevarlo a la príctica. No obstante, incluso si dicho cílculo pudiese realizarse de manera confiable, las condiciones iniciales quizí no deberí­an asumirse como un dato; estarí­an en la misma situación que las leyes de la naturaleza. En principio, todos los aspectos del universo podrí­an calcularse y explicarse.

Figura 16.04.02-3.- Modelo De la Gravedad Cuíntica. En la versión de Hartle-Hawking, el espaciotiempo se curva antes del tiempo de Planck, de modo que aunque el pasado es finito, el inicio no tiene fronteras limitantes.

Durante un tiempo, muchos cientí­ficos pensaron que la idea de un principio del universo de extremadamente alta densidad era un artilugio hipotético, fruto de las idealizaciones del modelo del Big Bang, como el postulado de la homogeneidad. No obstante, a mediados de la década de 1960, Roger Penrose y Stephen Hawking probaron matemíticamente que, incluso si el universo no es a fin de cuentas homogéneo, su actual comportamiento expansivo, unido a la teorí­a de la relatividad general, implican que el universo debe haber tenido una formidable densidad en el pasado, retrocediendo en el tiempo por lo menos hasta la era de Planck, que es hasta donde se aplica la relatividad general clísica. Para comprender el estado inicial del universo, entonces, parece imprescindible abordar el tema de la cosmologí­a cuíntica.

Algunos cosmólogos, en especial los teóricos, piensan que jamís lograremos entender por qué el universo es como es hasta que no comprendamos sus condiciones iniciales y dispongamos de una teorí­a confiable de la gravedad cuíntica, lo cual podrí­a estar a muchos años de nosotros.

Tanto estas ideas sobre el origen del universo, como otras que se nos quedan en el tintero, son bastante permeables frente a argumentos técnicos. Generalmente, se aduce que en todos esos modelos se fuerzan los conceptos y teorí­as actuales bastante mís de lo comprobado experimentalmente y, en consecuencia, no pasan de ser conjeturas fantísticas. Es muy posible que estos crí­ticos tengan razón. Es muy posible que toda una comunidad de cientí­ficos muy ilustres acabe aceptando una teorí­a del universo muy primitivo que, en el futuro (con la sabidurí­a que proporciona el paso del tiempo), se considere una fantasí­a basada en una información incompleta y en unas extrapolaciones fantísticas. La elaboración teórica, aunque aporte una estructura al pensamiento, jamís puede sustituir a la experimentación y a la observación. Los nuevos aceleradores de alta energí­a y los poderosos actuales telescopios, tendrín mucho que aportar sobre la veracidad o la falsedad de estas ideas.

Afortunadamente, este libro sobre las concepciones actuales de la fí­sica y la cosmologí­a es virtual, y se encuentra alojado en un sistema computacional, lo que lo asemeja a un cuaderno de hojas sueltas. Ello permite la facilidad de poder sustituir algunas hojas por otras nuevas donde se puedan exponer las mejores ideas según vayan apareciendo. Es muy probable que muchas ideas cientí­ficas actuales sobre la fí­sica cuíntica, la astrofí­sica y la cosmologí­a, sean erróneas y acaben arrinconadas y desechadas. Es posible que en el futuro se produzca una revolución trascendental en la fí­sica que modifique toda nuestra concepción de la realidad. Puede que miremos hacia atrís y que nuestros intentos actuales de desentrañar el origen del universo nos parezcan tan equivocados como las tentativas de los filósofos medievales de entender el sistema solar antes de las revelaciones de Copérnico, Kepler, Galileo y Newton. Lo que consideramos hoy «el origen del universo» puede ser el umbral temporal de mundos que quedan fuera del alcance de la imaginación. Pero es posible también que nos estemos acercando al final de la búsqueda. Nadie lo sabe.

http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-16_04-02.htm

Cosmologí­a: El estudio del Universo

Seguimos con un poco de clases
Cosmologí­a es el estudio cientí­fico de las propiedades a gran escala del Universo como un todo. Aspira a usar el método cientí­fico para entender el origen, evolución y destino final de todo el Universo.

Como cualquier campo de la ciencia, la cosmologí­a involucra la formación de teorí­as o de hipótesis acerca del universo que hacen predicciones especí­ficas para fenómenos que pueden probarse mediante observaciones.

Dependiendo de los resultados de estas observaciones, las teorí­as tendrín que ser abandonadas, revisadas o ampliadas para acomodar los datos. La teorí­a que prevalece acerca del origen y la evolución de nuestro Universo es la denominada teorí­a del Big Bang.

Cosmologí­a del Big Bang.

El modelo del Big Bang es una teorí­a ampliamente aceptada para el origen y evolución de nuestro universo. Postula que hace 12 a 14 mil millones de años, la porción del universo que vemos hoy en dí­a era de solo unos milí­metros de ancho. Desde entonces se ha expandido de ese denso estado candente en un mís basto y mucho mís frí­o cosmos donde nosotros habitamos.

Podemos ver remanentes de esta densa materia candente como la actual radiación de microondas de fondo cósmicas muy frí­as que aún difunde el universo y que es visible para los detectores de microondas como un brillo incandescente uniforme a través de todo el cielo.

Bases del Modelo del Big Bang

El modelo del Big Bang descansa sobre dos pilares teóricos:

La Relatividad General
La primera idea clave se remonta a 1916 cuando Einstein desarrolló su Teorí­a General de la Relatividad la cual propuso como una nueva teorí­a de la gravedad. Su teorí­a generaliza la teorí­a original de la gravedad de Isaac Newton del 1680, en la que se supone es vílida para cuerpos en reposo o en un movimiento muy lento en comparación con la velocidad de la luz. Un concepto clave de la relatividad general es que la gravedad ya no se describe por un “campo” gravitatorio sino mís bien se supone que es una distorsión del espacio y el tiempo mismos. El fí­sico John Wheeler lo expresó muy bien cuando dijo: “La materia le dice al espacio como curvarse y el espacio le dice a la materia como moverse”. En un principio, la teorí­a podí­a tomar en consideración las peculiaridades en la órbita de Mercurio y el doblamiento de la luz por el Sol, pero esto no estaba explicado en la teorí­a de la gravedad de Newton. En años recientes, la teorí­a a pasado por una serie de pruebas rigurosas.


El Principio Cosmológico
Después de la introducción de la Relatividad General, un gran número de cientí­ficos, Einstein incluido, trataron de aplicar las nuevas dinímicas gravitatorias al universo como un todo. En su momento esto requerí­a una suposición acerca de como estaba distribuida la materia en el universo. La suposición mís simple es que si viéramos el contenido del universo con la suficiente mala visión, nos parecerí­a casi lo mismo en todas las direcciones. O sea que la materia en el universo es homogénea e isotrópica al medirse en grandes escalas. A esto se le llama el principio cosmológico. Esta suposición estí siendo probada continuamente mientras observamos al presente la distribución de galaxias aún a escalas mayores. La foto muestra cuan uniforme es la distribución de galaxias en un abanico de 30º en el cielo.

Adicionalmente la radiación de microondas cósmicas de fondo – el calor remanente del Big Bang – tiene una temperatura que es muy uniforme a través de todo el cielo. Este hecho apoya fuertemente la noción de que el gas que emitió estí radiación hace mucho tiempo, fue distribuida uniformemente.

Estas dos ideas forman la base teórica completa para la cosmologí­a del Big Bang y nos conducen a predicciones especí­ficas de propiedades observables del universo.

Bases de la Cosmologí­a del Big Bang

El modelo de cosmologí­a del Big Bang descansa en dos ideas clave que datan de principios del siglo 20: La Relatividad General y el Principio Cosmológico. Asumiendo que la materia en el universo estí distribuida uniformemente en las escalas mayores, podemos usar la Relatividad General para computar los efectos gravitatorios correspondientes de esa materia. Ya que la gravedad es la propiedad del espacio-tiempo en la Relatividad General, esto es equivalente a computar la dinímica del propio espacio-tiempo.

La historia se produce como sigue:
Dada la suposición que la materia en el universo es homogénea e isotrópica (El Principio Cosmológico), puede demostrarse que la correspondiente distorsión del espacio-tiempo (debida a los efectos gravitatorios de esta materia), solo puede tener una de tres formas, como se muestra esquemíticamente en la foto de la izquierda. Puede estar curvado “positivamente” como la superficie de una bola y ser finito en extensión; puede estar curvado “negativamente” como una silla de montar y ser infinito en extensión; o puede ser “plano” e infinito en extensión – nuestro concepto “común” del espacio. Una limitación clave de la foto mostrada aquí­ es que solo podemos representar la curvatura de un plano de dos dimensiones de lo ¡qué es realmente un espacio de 3 dimensiones! Noten ustedes de que en un universo cerrado podrí­amos comenzar un viaje hacia una dirección y eventualmente con el suficiente tiempo, regresarí­amos a nuestro punto de partida; en un universo infinito, nunca regresarí­amos.

Antes de que discutamos cual de estos tres planos describe a nuestro universo (si es que alguno), antes debemos poner algunas limitaciones:

· Como el universo tiene una edad limitada (~13 700 millones de años), solo podemos ver hasta una distancia finita: ~13 700 millones de años luz. Este es el denominado “horizonte” nuestro. El modelo del Big Bang no trata de describir esa región del espacio significativamente mís lejana de nuestro propio horizonte – el espacio-tiempo podrí­a ser bien diferente allí­.

· Es muy posible que el universo tenga una topologí­a global mís complicada que la que aquí­ se muestra, a pesar de tener la misma curvatura local. Por ejemplo, podrí­a tener la forma de un anillo rotatorio alrededor de un eje que no intersecte su cí­rculo. Pueden existir algunas maneras de probar esta idea, pero la mayor parte de las siguientes discusiones no se ven afectadas.

La materia juega un papel primordial en cosmologí­a. Sucede que la densidad promedio de la materia determina de manera singular la geometrí­a del universo (hasta las limitaciones anotadas arriba) Si la densidad de la materia es menor que la denominada densidad crí­tica, el universo es abierto e infinito. Si la densidad es mayor que la densidad crí­tica, el universo es cerrado y finito. Si la densidad tan solo iguala a la densidad crí­tica, el universo es plano, pero aún presumiblemente infinito. El valor de la densidad crí­tica es muy pequeño: corresponde a grosso modo a 6 ítomos de hidrógeno por metro cúbico, algo ¡sorprendentemente de gran vací­o, según los estíndares terrestres! Una de las preguntas cientí­ficas clave en cosmologí­a hoy en dí­a es: ¿Cuíl es la densidad media de la materia en el universo? Aunque la respuesta aún no se conoce con seguridad, parece estar tentadoramente muy cercana a la densidad crí­tica.





Dada una ley de la gravedad y una suposición acerca de como esta distribuida la materia, el paso siguiente es dilucidar las dinímicas del universo – como se desenvuelven el espacio y la materia en él, con el tiempo. Los detalles dependen de mís información acerca de la materia en el universo, conocer su densidad (masa por unidad de volumen) y su presión (la fuerza que ejerce por unidad de írea), pero la imagen genérica que surge es que el universo comenzó a partir de un volumen muy pequeño, que aún después dobló el Big Bang, con una velocidad inicial de expansión. En gran parte, esta velocidad de expansión ha ido en descenso (desacelerando) desde entonces debido al tirón gravitatorio de la materia sobre sí­ misma.

Una pregunta clave para el destino del universo es si el tirón de la gravedad es o no lo suficientemente fuerte para al final reverter la expansión y ocasionar que vuelva a colapsarse sobre sí­ mismo. De hecho, observaciones recientes han ofrecido la posibilidad de que la expansión del universo pueda estar realmente acelerando, dando la posibilidad que la evolución del universo estí ahora dominada por una forma bizarra de materia que tiene una presión negativa.

La foto de arriba nos muestra un número de posibles escenarios respecto del tamaño relativo del universo contra el tiempo: la curva inferior (verde) representa un universo plano de densidad crí­tica en el cual el grado de expansión estí continuamente disminuyendo (las curvas se vuelven mís horizontales) La curva del medio (azul) nos muestra un universo abierto de baja densidad cuya expansión también estí disminuyendo, aunque no tanto como el universo de densidad crí­tica debido a que el tirón de la gravedad no es tan fuerte. La curva superior (roja) muestra un universo en el cual una gran parte de materia se encuentra en una forma denominada energí­a oscura la cual causa que la expansión se acelere. Existen evidencias crecientes de que nuestro universo sigue la curva roja.

Por favor eviten las siguientes ideas falsas acerca del Big Bang y la expansión:

· El Big Bang no ocurrió en un solo punto del espacio como una explosión . Es mejor pensarlo como la aparición simultínea de espacio en todas partes del universo. Esa región del espacio que queda dentro de nuestro actual horizonte era, de hecho, no mayor que un punto en el pasado. Sin embargo, si todo el espacio tanto dentro como fuera de nuestro horizonte es ahora infinito, quiere decir que nació infinito. Si es cerrado y finito, entonces nació a partir de un volumen de cero y creció a partir de ahí­. En ninguno de los dos casos existe un centro de expansión – un punto a partir del cual el universo se estí expandiendo en alejamiento del mismo. En la analogí­a de la bola, el radio de la bola crece a medida que el universo se expande, pero todos los puntos sobre la superficie de la bola (el universo) retroceden con respecto al otro de una manera idéntica. El interior de la bola no deberí­a ser considerado como parte del universo en esta analogí­a.

· Por definición el universo rodea todo el espacio y tiempo tal y como lo conocemos, de modo que estí mís allí del alcance del campo del Big Bang postular en qué se estí expandiendo el universo. Ya sea en el universo abierto, o el cerrado, el único “margen” del espacio-tiempo tiene lugar en el Big Bang (y quizí en su contraparte el Gran Encogimiento), de modo que es lógicamente necesario (o sensitivo) considerar esta pregunta.

· Va mís allí del alcance del modelo del Big Bang decir que es lo que dio lugar al Big Bang. Existen una serie de teorí­as especulativas respecto de este tópico, pero ninguna de ellas realiza aún predicciones comprobables realistas.


Llegados a este punto, la única suposición que hemos hecho respecto del universo es que la materia se encuentra distribuida homogénea e isotrópicamente en grandes escalas. Hay un número de parímetros libres en esta familia de modelos del Big Bang que debe ser fijado mediante observaciones de nuestro universo. Los mís importantes son: La geometrí­a del universo (abierto, aplanado, cerrado), el grado de expansión actual (la constante de Hubble), el curso total de la expansión, pasada y futura, la cual se determina por la densidad fraccional de los diferentes tipos de materia en el universo. Nótese que la edad actual del universo proviene de la expansión histórica y de la velocidad actual de expansión.

Como apuntamos arriba, la geometrí­a y la evolución del universo estín determinadas por la contribución fraccional de varios tipos de materia. Ya que tanto la densidad de energí­a y la presión contribuyen a fortalecer la gravedad en la Relatividad General, los cosmólogos clasifican los tipos de materia por su ecuación de estado , la relación entre su presión y la densidad de energí­a. El esquema bísico de clasificación es:

Radiación: Compuesta por partí­culas sin masa o casi sin masa, que se mueven a la velocidad de la luz. Los ejemplos conocidos incluyen fotones (luz) y neutrinos. Esta forma de material se caracteriza por tener una gran presión positiva.

Materia bariónica: Esta es la materia ordinaria compuesta principalmente de protones, neutrones y electrones. Esta forma de materia esencialmente no tiene presión de importancia cosmológica.

Materia oscura: Esto generalmente hace referencia a materia exótica , no bariónica que interactúa solo débilmente con la materia ordinaria. Mientras que semejante tipo de materia no ha sido vista jamís en forma directa en el laboratorio, su existencia se ha sospechado por razones que se discuten en otras secciones. Esta forma de materia tampoco representa una presión cosmológica.

Energí­a oscura: Esta es la verdadera forma bizarra de materia, o quizí una propiedad del vací­o mismo, que se caracteriza por una gran presión negativa. Es la única forma de materia que puede ocasionar la expansión del universo o acelerarlo en su expansión. Esto puede ser el tema de otra exposición.

Uno de los retos principales en la cosmologí­a de hoy en dí­a es determinar las densidades relativas y totales (energí­a por unidad de volumen) en cada una de estas formas de materia, ya que esto es esencial para el entendimiento de la evolución y del destino final de nuestro universo.

http://www.astroseti.org/vernew.php?codigo=2030

pagina para ver imagenes de los planetas y el sol.

http://www.astrosurf.com/farid/01/imagenes.html