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Febrero 2009

Origen y fin del Universo

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Origen y fin del Universo


¿Qué sabemos sobre el origen y el destino del Universo? ¿cómo empezó todo?, ¿de dónde venimos?, ¿adónde vamos? Estas preguntas, que desde niños todos nos hemos hecho, son la base de todo el pensamiento filosófico de la humanidad. Es un anhelo básico, al que los científicos también buscan responder, pero ellos por medio de ecuaciones y modelos matemáticos.



La cosmología realmente tiene su inicio con Einstein, al enunciar en 1915 su teoría de la Relatividad General. Se trata de un sistema de ecuaciones diferenciales lineales e independientes, muy complejas, que el mismo Einstein creía que no tenían solución, pero para las que poco a poco se han ido encontrando algunas, y así ya se conocen más de cien soluciones exactas distintas.

La teoría de la Relatividad General establece que el espacio es curvo y que el universo no es estático, aun cuando en un principio Einstein añadiera una constante cosmológica para evitar “que se moviera”, creyendo que el universo debía ser inmóvil. Pero en 1929 Edwin Hubble, después de un estudio exhaustivo de las distancias de las estrellas en distintas galaxias, va a presentar las evidencias de su expansión. Esto lo va a demostrar con lo que se llama el desplazamiento hacia el rojo de los espectros de luz, basado en el efecto Doppler. Si en una estación vemos pasar un tren, vamos a notar que cuando el tren pasa justo por delante de nosotros el pitido que emite es muy agudo mientras que cuando se marcha el sonido se hace más grave. Esto es debido a que cuando el tren llega a la estación las ondas vibran tal como salen de la máquina del ferrocarril, pero cuando se alejan la distancia que llevan las ondas se suma a la distancia que lleva el tren, por tanto las ondas se alargan y se hacen más graves. Entonces lo que Edwin Hubble demostró es que todas las estrellas mostraban ese desplazamiento hacia longitudes de onda más largas lo que indicaba que se estaban alejando unas de otras.

El futuro del universo

Un gran matemático ruso, Alexander Friedmann, descubrió tres soluciones a las ecuaciones de Einstein, que implican tres modelos de hacia dónde va nuestro universo. Estos modelos son llamados universo cerrado, universo plano y universo abierto.

La interpretación es la siguiente: Si el universo está en expansión, puede ser que llegue un momento en que deje de expandirse volviendo a contraerse, como un pelota tirada hacia lo alto que llega un momento en que se para y empieza a bajar, o puede ser que alcance un equilibrio en que se mantenga estable, o bien puede seguir expansionándose hasta el infinito.¿Cómo podemos saber cuál es la respuesta? Por el ritmo de expansión y la cantidad de materia que tiene el universo. Hay una densidad que se llama densidad crítica que equivale más o menos a 6 átomos de hidrógeno por metro cúbico. Sólo es necesario saber si la densidad del universo coincide con ella, o bien si es mayor o es menor.

Los cálculos realizados hasta el momento encuentran muy poca masa en el universo, lo que parecería refrendar un modelo abierto, en donde el universo no tiene la fuerza gravitatoria suficiente para frenar su expansión. De manera que nuestro universo podría acabar en un Gran Desgarramiento final, o Big Rip, en donde se irían disolviendo las masas hasta convertirse en partículas subatómicas separadas unas de otras para siempre.

No obstante, se ha descubierto la presencia de materia no visible, materia oscura, que podría representar hasta un 90% de la materia total del universo, y que de ser una cifra cierta, apoyaría un modelo de universo cerrado. Se trata de un tipo de materia que no vemos porque no emite luz, porque no se comporta como la materia formada por átomos, pero que sin embargo hay estrellas y sistemas en el universo que se ven afectados gravitacionalmente por su presencia.

Si el universo fuera cerrado, se iría frenando por efecto de la gravedad, y volvería a contraerse hasta llegar a una gran implosión o colapso, llamado Big Crunch. Algunos científicos apoyan la teoría conocida como Universo oscilante, basada en este modelo, en donde un universo moriría para dar lugar a otro universo, en un ciclo sin fin.


Conocer cuál será el futuro del universo se ha complicado en los últimos años al descubrirse que el universo se expande a un ritmo acelerado. Esto es un hallazgo de lo más sorprendente ya que en un universo en donde hay grandes estrellas con grandes masas, que provocan efectos gravitatorios que deberían estar frenando la expansión, por el contrario la están acelerando.

Para poder explicar esto se ha propuesto la existencia de una energía oscura. Es decir, que lo que nosotros considerábamos como vacío, un vacío donde no había nada, es un vacío que está acelerando a las masas que se ponen en contacto con él por un efecto de repulsión.

El origen del universo

Parece lógico pensar que si el universo se está expandiendo, si cada vez es más grande es porque antes fue más pequeño, y por tanto si retrocedemos en el tiempo llegará un momento en que podríamos llegar a un inicio o punto cero que es el llamado átomo primigenio. Por eso, como el universo no es estático y sigue una trayectoria de expansión se piensa que debe haber tenido un origen.

Dentro del mundo de la ciencia, cuando se anunció esta idea había otra teoría en boga para no tener que asumir un origen del universo, la Teoría del Estado Estacionario, que decía que a la vez que el universo se estaba expandiendo se estaba creando materia de la nada de modo que no era necesario que el universo hubiese cambiado sus propiedades generales tanto en el espacio como en el tiempo.

Uno de los defensores de esta teoría, Fred Hoyle, dijo en plan de burla durante una entrevista radiofónica que la teoría de un origen para el universo era como pensar en un gran pistoletazo de salida, un Big Bang. Sin embargo, fue una expresión tan gráfica, que a partir de entonces todo el mundo acuñó este término.
La teoría del Big Bang dice que el universo surgió hace 13.700 millones de años. En un principio no contenía materia como la que conocemos hoy ni existían las fuerzas actuales, como la gravedad. Después de un periodo de inflación, donde aparecería un tipo de fuerza antigravitacional breve y violenta, se produciría la formación de protones y neutrones a partir de partículas subatómicas, luego la formación de núcleos y finalmente la formación de los primeros elementos químicos. Esto ocurrió cuando habían pasado unos trescientos mil años y se dice que entonces el universo se hizo transparente a la radiación. Esto es muy importante, porque una de las predicciones que hace la teoría del Big Bang es que cuando ya la materia se había organizado en átomos, los fotones que hasta entonces habían estado interaccionando y siendo dispersados por ella, pudieron viajar libremente, siendo éste el comienzo de la radiación y de la gravedad. Por tanto, deberíamos poder encontrar hoy en día restos de esa radiación que si bien en aquel momento tenía una temperatura muy alta y una frecuencia muy elevada hoy en día dado el tiempo transcurrido estaría en el rango de las microondas y tendría una temperatura de 3 grados Kelvin por encima del cero absoluto. Pues bien, esta predicción hecha en el año 1946 se comprobó en el año 1965, de manera totalmente fortuita, por los astrónomos estadounidenses Arno Penzias y Roberto Wilson, mientras estaban efectuando mediciones de ondas de radio para una compañía telefónica.

Esta radiación cósmica de fondo, supone un espaldarazo a la teoría del Big Bang. Los satélites COBE y WMAP de la NASA han seguido investigando esta radiación y lo que se ha visto es que hay unas arrugas o anisotropías en este fondo de microondas que también concuerdan con lo predicho por la teoría del Big Bang, que dice que la formación de galaxias se dio muy tempranamente, lo que habría dejado una huella en forma de estas pequeñas variaciones de la radiación.

Además, las proporciones de helio y de litio frente al hidrógeno son también las predichas por esta teoría.
El modelo del Big Bang por tanto es aceptado en líneas generales por la comunidad científica, si bien se han incorporado algunas nociones nuevas y ahora se le conoce como el modelo inflacionario de la cosmología. A  nivel matemático está basado en las ecuaciones de Einstein, aunque si bien la teoría de la Relatividad General puede explicar y retroceder a épocas tan tempranas como el tiempo de Planck, es decir,  10-43 segundos, tiene un pequeño problema, y es que cuando llega al tiempo cero, la densidad es infinita. Cuando en matemáticas aparecen los infinitos quiere decir que la teoría no puede explicar ese hecho, que está incompleta, por tanto, a esto se le llama una singularidad espaciotemporal.

Hay otras teorías como la gravedad cuántica o la teoría de las cuerdas que pueden explicar esta singularidad inicial pero que cuentan con otros problemas añadidos, como por ejemplo el hecho de plantear la existencia de al menos diez dimensiones en el universo.

Como vemos las investigaciones científicas nos presentan un universo del que cada vez sabemos más cosas, pero que al mismo tiempo nos presenta nuevos interrogantes. Difícil es decir si el universo es finito o infinito, si fue creado o no, y si tal vez desaparecerá. Lo que sí podemos afirmar es que su inmensidad es sobrecogedora y bella, y que nuestra inquietud y afán por desentrañar sus misterios sigue intacta.

Isabel Pérez Arellano


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