EL UNIVERSO

El Universo

El Universo es todo, sin excepciones. Materia, energía, espacio y tiempo, todo lo que existe forma parte del Universo. También se le llama Cosmos. Las ciencias que lo estudian son varias, en especial dos:

la astronomía
la cosmología.

El Universo es muy grande, pero quizás no infinito. Si lo fuera, habría infinita materia en infinitas estrellas, y no es así. Al contrario: en cuanto a la materia es, sobre todo, espacio vacío. Hay quien incluso afirma que el Universo en el que vivimos no es real, que es un holograma.

El Universo conocido contiene galaxias, cúmulos de galaxias y estructuras de mayor tamaño llamadas supercúmulos, además de materia intergaláctica. Todavía no sabemos con exactitud su magnitud, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad.

La materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos: galaxias, estrellas, planetas… Sin embargo, se supone que el 90% de lo que existe es una masa oscura, que no podemos observar. Por cada millón de átomos de hidrógeno los 10 elementos más abundantes son:

Símbolo	Elemento químico	Átomos
H	Hidrógeno	1.000.000
He	Helio	63.000
O	Oxígeno	690
C	Carbono	420
N	Nitrógeno	87
Si	Silicio	45
Mg	Magnesio	40
Ne	Neón	37
Fe	Hierro	32
S	Azufre	16

Elementos químicos del Universo

El Cosmos tiene al menos cuatro dimensiones conocidas: las tres del espacio (largo, alto, ancho) y una de tiempo. Se mantiene unido y en continuo movimiento gracias a una fuerza dominante, la gravedad.

Nuestro lugar en el Universo

Formamos parte del Sistema Solar, perdido en un brazo de la Vía Láctea, una galaxia que tiene 100.000 millones de estrellas, pero sólo es una entre los centenares de miles de millones de galaxias que forman el Universo.

La teoría del Big Bang explica cómo se formó

Dice que hace unos 13.700 millones de años la materia tenía una densidad y una temperatura infinitas. Hubo una explosión violenta y, desde entonces, el universo va perdiendo densidad y temperatura.

El Big Bang es una singularidad, una excepción que no pueden explicar las leyes de la física. Podemos saber qué pasó desde el primer instante, pero el momento y tamaño cero todavía no tienen explicación científica.

cuando se habla del origen del universo. Y, aunque parezca mentira, no es nueva. Hace 1.600 años, la cuestión fue suscitada en el ámbito teológico: «¿Qué hacía Dios antes de crear los Cielos y la Tierra?». Sin duda una buena pregunta, a la que San Agustín respondió con humor que Dios “preparaba el infierno para los que hacen este tipo de preguntas”. Aparte de esta broma, San Agustín fue más lejos y afirmó, con sagacidad, que no tiene sentido preguntar en qué empleaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo. De forma semejante, la pregunta «¿qué pasó antes del instante inicial?» no tiene mucho sentido. Pero, naturalmente, esto puede parecer un mero juego de palabras. Nuestra intuición nos dice que cada instante está precedido por otro, por lo que la idea de un «instante inicial», parece absurda. El problema es que nuestra intuición se basa en nuestra experiencia directa, y esa experiencia es muy limitada. En cuanto nos salimos de las escalas físicas humanas«, nuestra intuición suele fallar clamorosamente.

Por ejemplo, a los pensadores de todas las civilizaciones antiguas (con la maravillosa excepción de la griega) les pareció evidente que la Tierra debía ser plana. Estaban extrapolando, erróneamente, la percepción que tenemos cuando nos desplazamos en distancias no mucho mayores que unas decenas de kilómetros. Por supuesto, ahora sabemos que, vista globalmente, la Tierra es redonda. Del mismo modo, el espacio y el tiempo, cuando se consideran globalmente, son muy diferentes de como los percibimos en nuestra experiencia ordinaria.

La teoría

La teoría del Big Bang se basa, a su vez, en la teoría general de la relatividad, formulada por Albert Einstein en 1915, y que representa una de las cumbres del pensamiento humano. Según la teoría de la relatividad, el espacio y el tiempo no son, como podría parecer, magnitudes inertes e inmutables. Por el contrario, el espacio-tiempo, como un todo, se puede estirar y encoger, curvar y retorcer. Su textura se parece más a la de la goma que a la del cristal. Y su geometría está determinada por la materia y energía que contiene. Todo esto son conceptos revolucionarios y fascinantes. El espacio y el tiempo no son el escenario impasible de un gran teatro, dentro del cual tiene lugar una representación. La teoría nos dice que la forma de ese teatro y su evolución temporal están determinados por los actores que pululan dentro de él, es decir, la materia y energía que pueblan el universo.

Es importante subrayar que la teoría de la relatividad no es una mera especulación. Sus predicciones se han comprobado en una enorme variedad de situaciones físicas, hasta el momento sin un solo fallo. Pensemos, por ejemplo, que, desde el punto de vista relativista, algo tan familiar como la fuerza de la gravedad es simplemente la consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo, producida a su vez por la presencia de grandes masas, como planetas y estrellas. De hecho, la teoría de Einstein predice que las fuerzas gravitatorias han de ser tal como prescribe la venerable ley de la gravitación de Newton… con pequeñas correcciones (a veces no tan pequeñas). Y hasta ahora la naturaleza, «cuando ha tenido que elegir», siempre ha dado la razón a Einstein frente a Newton.

Pues bien, cuando se aplica la teoría de la relatividad al universo como un todo, se encuentra que, necesariamente, este ha de pasar por una fase de expansión; es decir, el espacio mismo (con todo su contenido) ha de expandirse, igual que se hincha un pastel en el horno. Vista con los ojos de la teoría de Einstein, la expansión del universo se produce porque el espacio entre las galaxias está dilatándose; o, en otras palabras, se está creando espacio entre ellas. No solo eso, sino que el universo entero que observamos hubo de surgir de un solo punto, en un instante inicial denominado Big Bang.

Por supuesto, los conceptos anteriores no son fáciles de visualizar. Podemos intentarlo utilizando un modelo de universo simplificado, de una sola dimensión espacial (en vez de las tres ordinarias) y una temporal (el tiempo ordinario). En esta imagen, el espacio-tiempo del universo tendría una forma parecida a un gigantesco dedal, como el de la figura. En ese dibujo el tiempo avanza hacia arriba. Cada sección circular del dedal (es decir cada anillo) representa el universo en un instante dado. A medida que avanza el tiempo (y por tanto subimos por la superficie del dedal), los anillos son cada vez más grandes, como consecuencia de la expansión del universo.

El vértice inferior del dedal corresponde al Big Bang: el instante cero, en el que todo el universo estaba comprimido en un punto. En esta imagen, viajar imaginariamente hacia atrás en el tiempo significa deslizarnos hacia abajo por la superficie del dedal. Pero, si una vez alcanzado el instante inicial (Big Bang) intentáramos proseguir en la misma dirección, encontraríamos que regresamos hacia adelante en el tiempo. Es como si paseando por la superficie terrestre nos dirigimos hacia el Sur. En nuestras pequeñas escalas podemos seguir caminando en esa dirección de forma indefinida, pero si llegáramos a alcanzar el polo Sur terrestre, comprobaríamos que no es posible ir más allá. Si insistimos en continuar nuestro viaje, nos encontraremos caminando en dirección Norte.

Notemos que en el dibujo, la superficie de dos dimensiones, que representa el espacio-tiempo, está inmersa en un espacio de tres dimensiones. Esto es consecuencia de una limitación de nuestro cerebro para imaginar superficies curvadas: tenemos que representarlas sumergidas en un espacio tridimensional. Pero matemáticamente no hay ninguna dificultad para formular una superficie o un espacio curvos, sin tener que recurrir a un mundo de dimensionalidad mayor. En nuestro ejemplo, la superficie en forma de dedal que representa el espacio-tiempo no tiene por qué estar sumergida en otro espacio de más dimensiones. Es un universo consistente en sí mismo.

Por tanto, la respuesta a la pregunta «¿qué había antes del Big Bang?» es que nunca hubo un «antes del Big Bang”. ¿Fin de la historia? Podría ser, pero no es seguro.

¿Es fiable la descripción que la teoría del Big Bang hace del origen del universo hasta el preciso instante inicial? Podemos decir que desde un segundo después del Big Bang en adelante, la descripción de la teoría es muy fiable, ya que en ese momento comenzó el proceso de nucleosíntesis primitiva, del que tenemos pruebas experimentales, concretamente la producción de elementos ligeros (como helio o litio) que pueblan el universo en las cantidades predichas por la teoría. Para instantes anteriores, hay que pensar que cuanto más reciente era el universo, a mayor temperatura estaba. Por tanto, una descripción fiable de lo que sucedió exige conocer cómo se comporta la materia a altísimas temperaturas. La física de partículas proporciona una teoría, el llamado Modelo Estándar, que describe con extraordinario éxito el comportamiento de las partículas hasta energías equivalentes a una temperatura de mil billones de grados.

Esto corresponde aproximadamente a una cienmilmillonésima de segundo después del Big Bang. En consecuencia, aunque no disponemos de pruebas experimentales, podemos remontarnos hasta ese instante con bastantes garantías. Pero si seguimos acercándonos al instante inicial, ni siquiera disponemos de una teoría fiable. Es más, la propia teoría general de la relatividad, en su versión tradicional, muestra inconsistencias matemáticas en esas condiciones extremas. Por esta y otras razones, es una creencia extendida entre los físicos teóricos que la teoría necesita modificaciones. Y cuando se disponga de una teoría aún mejor, podría ser que encontremos sorpresas en torno al instante inicial. Pero, incluso sin salirnos del marco teórico actual, existen modelos interesantes que hacen pensar en una historia anterior al Big Bang. Quede claro sin embargo que aquí entramos ya en el terreno de la especulación.

Modelos

El llamado modelo de universo inflacionario se basa en una hipótesis sobre lo que pudo haber ocurrido en la época más remota del universo. La idea es que algún tipo de campo se hallaba fuera de su mínimo de potencial. En otras palabras, el valor del campo no era el que hacía que su energía fuera mínima. Esta situación también se denomina como «falso vacío». Las ecuaciones de la relatividad predicen que, en una circunstancia así, el universo se expandiría de forma vertiginosa, multiplicando su volumen muchos billones de billones de veces en una pequeñísima fracción de segundo. Cuando finalmente el valor del campo cayó a su mínimo, es decir al vacío verdadero, toda la energía acumulada en él se transformó en la materia y energía que hoy llena el universo.

Hay que decir que el universo inflacionario es algo más que una pura especulación, puesto que ha cosechado grandes éxitos, por ejemplo la predicción correcta de la densidad de materia y energía que realmente presenta nuestro universo. Si el modelo es correcto, en su época más primitiva el universo se expandía de forma desbocada y solo contenía ese campo primigenio. Entonces, en ciertos puntos, al azar, el campo cayó a su valor de mínimo, es decir al vacío verdadero. En estos puntos se formaron “burbujas” de vacío verdadero que empezaron a crecer. Cada burbuja corresponde a un Big Bang “ordinario”, que da lugar a un universo independiente. En este escenario, nuestro universo no es más que una pequeña burbuja que se enciende y se apaga, inmersa en un universo global que se expande salvajemente. No queda claro en el modelo cuándo y cómo fue el inicio de ese universo global del que surgió nuestra burbuja, es decir cómo fue el verdadero instante inicial (en contraposición a nuestro «Big Bang doméstico»).

Así fue el Big Bang

Científicos encontraron evidencia de la existencia de ondas gravitacionales generadas durante el origen del universo. El hallazgo no solo prueba la teoría de la inflación cósmica sino que abre la posibilidad a la noción de los multiversos.

Las ondas gravitacionales son los ecos del momento de la creación y durante décadas fue el santo grial de la Cosmología. Su comprobación confirma, entre otras hipótesis, que la teoría del Big Bang es correcta.

El físico ruso Andrei Linde, profesor en la Universidad de Stanford, ha dedicado más de 30 de sus 66 años de vida a una idea fija: que un instante previo al Big Bang el universo sufrió una expansión enorme y cada vez más rápida, a una velocidad mayor que la luz. Él y su colega Alan Guth, quien había propuesto en 1981 esa misma noción, nunca pensaron que verían el día en que se pudiera probar su tesis, que es conocida en el mundo de la cosmología como la teoría de la inflación cósmica.

Para lograrlo debían encontrar huellas de las ondas gravitacionales primordiales, que según Yeinzon Rodríguez, físico especialista en Cosmología de la Universidad de Lancaster y profesor de las universidades Antonio Nariño y UIS “eran muy importantes pero difíciles de encontrar”. Estas ondas son los ecos del momento de la creación, los primeros temblores de ese Big Bang y habían sido por décadas el santo grial de la Cosmología.

El lunes pasado, Guth y Linde celebraron que su trabajo no fue en vano. Ese día, un grupo de científicos del Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics, liderado por el profesor John Kovac, anunció que habían detectado esas olas gravitacionales que se crearon fracciones de segundo antes del Big Bang. “Es un gran hito, de los que merecen premio Nobel porque no todos los días uno se levanta y encuentra algo totalmente nuevo acerca del universo”, dijo a la prensa Marc Kamionkowski, profesor de física y astronomía de la Universidad Johns Hopkins.

En efecto, el anuncio sacudió el mundo científico porque no solo confirma que la teoría del Big Bang es correcta sino que prueba la teoría de la inflación cósmica. Mucho antes de la formulación de esta tesis, se había observado que la existencia de las ondas gravitacionales era una consecuencia natural de la teoría general de la relatividad propuesta por Albert Einstein. Según esta hipótesis, solo una fuerza tan violenta y rápida podría causar estas ondas en el espacio-tiempo. Por lo tanto, el hallazgo también es una prueba experimental de dicha teoría. Además de eso, el hito le da fuerza a la idea de que no habría un universo sino un número infinito de mundos paralelos o multiversos en el cual existirían muchas copias de galaxias como la que alberga al planeta Tierra.

Guth propuso la teoría de la inflación cósmica para llenar vacíos a los que la teoría del Big Bag no respondía. Uno de ellos era entender por qué, si la explosión de materia y energía que dio origen al universo fue tan grandiosa, no se encontraban baches en el tramado cósmico, sino que este era más bien una estructura uniforme, lisa y plana más parecida al resultado de inflar un balón que al de una explosión.

Para usar el símil del cosmólogo Daniel Baumann el hecho de que partes distantes del universo tuviesen la misma temperatura era como si dos tazas de café, muy lejos la una de la otra y sin posibilidad de haber estado juntas, tuvieran la misma temperatura. La respuesta fue la inflación. “Las dos tazas son producto de la misma máquina de café hecho al mismo tiempo”. En el caso del universo, esa enorme y rápida expansión habría planchado, por decirlo de algún modo, todas las irregularidades y arrugas del Big Bang. Y en ese contexto las ondas gravitacionales serían la señal clara de un universo que se expandió violentamente cuando apenas tenía una trillonésima de segundo de vida. “El mecanismo propuesto inicialmente por Guth y perfeccionado por Linde permitió explicar la uniformidad observada en el universo”, dice Rodríguez. Luego, con los aportes de otros dos físicos, Alexei Starobinskoye y Viatcheslav Mukhanov, la teoría se robusteció pues estos científicos lograron integrar al modelo principios de la mecánica cuántica que explican la generación de estructuras a gran escala, como las galaxias.

La teoría de la inflación sugiere que la expansión original creó un volumen de espacio-tiempo muy grande, incluso infinito. Lo que el ser humano puede observar es apenas la extensión equivalente a 14.000 millones de años luz en el espacio, pero ese es solo un pedazo de ese inmenso cosmos. Y más allá de este universo puede haber un número infinito de otros mundos. “Es difícil crear teorías de la inflación que no lleven a la noción de multiversos y la evidencia de la inflación hará que se tome más en serio esta posibilidad”, dijo Guth durante el anuncio del lunes.

Es por esto que el cosmólogo sueco Max Tegmark dice que con el anuncio de la semana pasada, los escépticos difícilmente podrán refutar la teoría de los multiversos. Si el universo se formó uniformemente y fue llenado con materia que crea galaxias de manera infinita, la probabilidad de que una galaxia contenga réplicas de los seres humanos no es cero porque “nosotros somos evidencia clara de que eso pasó. De modo que debe haber duplicados míos en otros lugares distantes e incluso versiones similares a la mía viviendo muchas variaciones de mi vida”, escribió en la revista Scientific American. Linde también cree en la noción de los multiversos. “Si este universo que conocemos es una burbuja, tienen que haber más en el tejido cósmico”, dice, de la misma manera en que hay más burbujas en una olla de agua hirviendo.

El grupo de científicos del programa, que se denominó Bicep2 por la sigla en inglés que corresponde a Backgroung Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2, se basó en información de un sofisticado telescopio ubicado en la Antártida. La visualización de las ondas no se hizo de manera directa sino a través de la luz remanente después del Big Bang, un fósil que se conoce como Radiación Cósmica de Fondo y en cuyo patrón se produce una curvatura de la luz que, según los científicos, solo puede ocasionarla las ondas gravitacionales de la inflación.

Aún quedan muchos interrogantes. Uno de ellos es saber qué pasó antes del periodo de inflación cósmica. Tampoco se sabe qué fuerza fue la que disparó esta inflación cósmica y tampoco si está relacionada con la energía oscura que sigue expandiendo el universo y separando las galaxias. A un nivel más profundo, no se sabe cuál es el propósito del cosmos y mucho menos el papel que el ser humano juega en él.

Rodríguez señala que para validar un hecho científico de esta magnitud el experimento necesita cumplir cuatro requisitos. El primero es la precisión de los datos observados; el segundo es eliminar errores por contaminación externa; el tercero es descartar fallas instrumentales y el cuarto es corroborar el resultado mediante otro experimento que emplee tecnología diferente a la usada por Kovac y sus colegas. “De todos estos, el trabajo cumple con los tres primeros pero aún falta el último”, dice el experto. Por ahora el estudio ha recibido tal magnitud de elogios que todos creen que los resultados se van a mantener. De hecho, Kovac llegó a este resultado hace un año pero prefirió no divulgarlo hasta no asegurarse de que sus datos fueran certeros.

Si se confirma, será uno de los grandes descubrimientos en la historia de la Física. Para Rodríguez es una gran satisfacción no solo porque todo científico quiere probar sus teorías y en 30 años esta es la primera prueba contundente de la hipótesis de la inflación cósmica. Sino también por otra razón más filosófica. Si se comprimiera en un calendario toda la historia del universo, en donde el primero de enero a las cero horas sucede el Big Bang y el 31 de diciembre a las 24 horas es el momento actual, la aparición del hombre en la Tierra correspondería a las últimos segundos de ese último día del año. “Poder decir que la humanidad, que apenas lleva segundos en ese universo haya sido capaz de comprender la historia de ese calendario cósmico muestra el poder del conocimiento y del método científico”, concluye.