Límites del Universo

Universo. Modelo de Friedmann. Efecto Doppler. Big Bang. Relatividad y mecánica cuántica

  • Enviado por: Sakrow
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LOS LÍMITES DEL UNIVERSO

En la mayoría de los primeros relatos mitológicos o religiosos, e l universo o al menos sus pobladores. Habían sido creados por un Ser divino en un momento preciso del pasado. La necesidad de una primera causa que explicara la creación de universo se empleo como argumento para probar la existencia de Dios.

A los filósofos griegos como Aristóteles y Platón, por otra parte no les agradaba la participación de los dioses en los asuntos del mundo, la mayoría prefería creer que el universo había existido siempre y que existiría siempre. En el mundo antiguo todos creían que el universo tenia uno limites espaciales, que el mundo era un plato llano y el cielo una flanera suspendida sobre nuestras cabezas. Los griegos se dieron cuenta de que el mundo era redondo. Construyeron un modelo en el que la tierra era una esfera rodeada de otras esferas que trasportaban el Sol, la Luna y los planetas.

Este modelo, con la tierra en el centro, fue adoptado por la iglesia católica pues dejaba suficiente espacio fuera de la esfera de las estrellas para el cielo y el infierno. Tal modelo fue aceptado hasta el siglo XVII, cuando las observaciones de Galileo demostraron que había que sustituirlo por el modelo copernicano, en el cual la tierra y los otros planetas giraban en torno al Sol. Demostró que las estrellas fijas debían de estar bastante alejadas, puesto que no demostraban ningún movimiento aparente a medida que la Tierra giraba alrededor del Sol, aparte de la rotación de la tierra misma.

En los siglos XVIII y XIX casi todos creían que el universo era básicamente permanente en el tiempo. La cuestión de si había tenido un comienzo era pura metafísica. En 1915 Einstein formulo su teoría general de la relatividad, que modificaba la teoría de la gravitación universal de Newton a fin de hacerla compatible con los descubrimientos sobre la propagación de la luz. Añadió una constante cosmológica, que producía una fuerza de repulsión entre partículas a grandes distancias. Esta fuerza de repulsión equilibraba la atracción gravitatoria normal y permitía una solución estática y uniforme para el universo. Tal solución era inestable, pero en ella el espacio era finito pero sin límites, al igual que la superficie de la tierra que es finita en extensión pero no tiene limites o bordes. Sin embargo en esta solución el tiempo podía ser infinito.

Astrónomos como Vesto, Slipher y Edwin empezaron a observar la luz de las otras galaxias. Pasando la luz por un prisma, descubrieron los mismos esquemas característicos de longitud de onda que en la luz de las estrellas de nuestra galaxia, pero los patrones se desplazaban todos hacia el extremo rojo (mayor longitud de onda). La única explicación razonable era que las galaxias se estaban alejando de nosotros. Igualmente, si se observa la luz desde una fuente que se moviera hacia nosotros, las crestas de las ondas se agolpaban y disminuía la longitud de onda. Este efecto se conoce como efecto Doppler. Durante los años veinte Edwin observó que el universo no era estático, tal como se creía anteriormente, sino que se estaba expandiendo, pero el índice expansión es muy bajo.

MODELOS DE EXPANSION

El primer modelo de un universo en expansión consistente con la teoría general de la relatividad de Einstein y las observaciones de las bandas rojas de Edwin fue propuesto por el físico y matemático ruso Alexander Friedmann en 1922. El modelo de Friedmann y sus generalizaciones posteriores suponían que el universo era el mismo en todos los puntos del espacio y en todas las direcciones. Cualquier irregularidad a gran escala en el universo haría que la radiación que nos llega de diferentes direcciones tuviera intensidades diferentes, y la intensidad observada es la misma en todas las direcciones en un grado bastante alto de fidelidad.

Existen tres tipos de modelos de Friedmann:

*En uno de ellos las galaxias se están separando de una forma tan lenta que la atracción gravitatoria entre ellas impedirá finalmente que se sigan alejando y hará que empiecen a acercarse unas a otras.

*En el segundo modelo las galaxias se están alejando a tal velocidad que no puede detenerlas la atracción gravitatoria y el universo se expandirá eternamente.

*Tercer modelo, las galaxias se están alejando a la velocidad crítica para evitar su contracción.

En principio se podría determinar cual de los modelos corresponde a nuestro universo comparando el ritmo actual de expansión con la densidad media actual de masa. La masa que se puede observar directamente no es suficiente para detener la expansión. Se tienen pruebas indirectas de la existencia de más masa que no podemos observar. El que esta masa invisible pudiera ser suficiente para detener con el tiempo la expansión sigue siendo una pregunta sin respuesta.

En todos los modelos de expansión se inicia a partir de un estado de densidad infinita denominado singularidad del big bang. En el modelo que se contrae existe otra singularidad que se denomina big crunch, que se produce al final del proceso de reconcentración o convergencia. Las singularidades son puntos en los que la curvatura el espacio-tiempo es infinita y en los que dejan de tener significado los concepto de espacio y tiempo. Si hubiera algo antes del big bang, las teorías no nos permitirían predecir el estado actual del universo, ya que la predictibilidad se interrumpiría en el big bang. Igualmente, no hay forma de saber que había antes del big bang a partir del conocimiento de los hechos posteriores. Esto significa que la existencia o no existencia de acontecimientos anteriores al big bang es puramente metafísica, no tienen mayor consecuencia sobre el estado actual del universo.

INTERVENCIONES DIVINAS

A muchos no les agradaba la idea que el tiempo tuviera un comienzo y un final, porque apestaba a intervención divina. Se produjeron una serie de intentos por evitar tal conclusión.

Una de ellas fue el modelo de estado estacionario del universo. Este modelo se proponía que, a medida que las galaxias se iban separando entre si, se iban formando nuevas galaxias, consecuentemente el universo tendría más o menos el mismo aspecto en todo momento y la densidad permanecería aproximadamente constante. Este modelo tenia la gran virtud de adelantar predicciones concretas que podía probarse mediante observación. Desgraciadamente las observaciones de los focos de radiación efectuadas en los años cincuenta y sesenta demostraron que esos focos de radiación debieron de ser mayores en el pasado, con lo que se contradecía el modelo de estado estacionario. Lo que acabo por rematar la teoría fue el descubrimiento del origen de la radiación del microondas en 1965. El modelo no podía dar explicación alguna a estas radiaciones.

Entre 1965 y 1970 se crearon una serie de teoremas que demostraban que cualquier modelo del universo que obedeciera la teoría general de la relatividad, satisficiera otro y otros dos presupuestos razonables y contuviera toda la materia que se observaba en el universo debía tener una singularidad de gran explosión. Estos teoremas predicen que habrá una singularidad que será al final del tiempo si el universo entero converge. Aunque el universo se expanda con demasiada rapidez como para converger en su totalidad se espera que algunas zonas locales como las estrellas apagadas de gran masa converjan y formen agujeros negros. Los agujeros negros contendrán singularidades que serán al final del tiempo para cualquiera suficientemente desgraciado o audaz como para caer en ellos.

RELATIVIDAD Y MECÁNICA QUÁNTICA

La teoría general de la relatividad de Einstein constituye probablemente uno de los dos mayores logros intelectuales de siglo XX. Sin embargo es incompleta al ser lo que se denomina una teoría clásica que no incorpora el principio de indeterminación del otro gran descubrimiento de este siglo la mecánica quántica.

El principio de indeterminación afirma que ciertas parejas de magnitudes no pueden predecirse simultáneamente con un grado de precisión arbitrariamente alto. La mecánica quántica se desarrollo en los primero años del presente siglo a fin de describir el comportamiento de sistemas muy pequeños tales como los átomos o partículas elementales individuales. Había un problema con la estructura del átomo que se suponía formado por un número de partículas con carga eléctrica denominadas electrones. Que giraban alrededor de un núcleo central la teoría clásica anterior procedía de que los electrones emitían ondas de luz debido a su movimiento las ondas trasportaban energía de tal forma que hacían que los electrones se movieran en espiral hacia el interior asta chocar con un núcleo, no obstante la mecánica quántica no permite tal comportamiento ya que violaría el principio de indeterminación si un electrón se posara sobre el núcleo tendría tanto una situación concreta como una velocidad concreta. Por el contrario la mecánica quántica predice que el electrón no tiene una situación concreta pero que su probabilidad de localización se extiende por una zona determinada en torno al núcleo permitiendo la probabilidad de densidad finita incluso en el núcleo.

Consecuentemente cabria esperar que si se pudiera cambiar la teoría general de la relatividad con la mecánica quántica en una nueva teoría de gravedad quántica se comprobaría que las singularidades de la convergencia o expansión gravitarías quedarían descartadas como en el caso de la convergencia del átomo.

Los primero indicios de que podría ser así se produjeron con el descubrimiento de que los agujeros negros formados por la convergencia de zonas locales tales como las estrellas no eran completamente negros si se tenia en cuenta el principio de indeterminación de la mecánica quántica.

Por el contrario un agujero negro emitiría partículas i radiaciones como si fuera un cuerpo caliente con una temperatura que seria más alta cuanto menos fuera la masa del agujero negro. Las radiaciones trasmitirían energía reduciendo la masa del agujero negro esto aumentaría el ritmo de emisiones. Finalmente el agujero negro desaparecería completamente en un tremendo estallido de emisiones, toda la materia que hubiera convergido para formar el agujero negro desaparecería, al menos de nuestra región del universo. La energía que correspondería a su masa teniendo en cuenta la famosa ecuación de Einstein E=mcseria emitida por el agujero negro en forma de radiación. Consecuentemente la masa-energía se reciclaría en el universo la evaporación del agujero negro indicaba que la convergencia gravitatoria no produciría un final total del tiempo.

UN UNIVERSO SIN LÍMITES

El verdadero problema de la teoría del espacio-tiempo tiene un borde o limite en una singularidad es que las leyes de la física no determinan el estado inicial del universo en la singularidad sino solo como se desarrolla a partir de ese momento. Las leyes de la física no determinan cual fue el estado del universo en el pasado infinito. Para poder escoger un estado determinado del universo de entre toda la serie de estados posibles permitidos por las leyes es necesario complementar estas leyes mediante las condiciones de límites que dicen cual fue el estado del universo en una singularidad inicial o el pasado. A muchos científicos les avergüenza hablar de las condiciones de límites del universo por que les parece algo rayano en la metafísica o la religión. El universo podría haber empezado en este estado completamente arbitrario pero en ese caso podría también haber evolucionado de una forma totalmente arbitraria todos los testimonios con que contamos sugieren evoluciona de una manera bien determinada de acuerdo con nuestras leyes no es lógico suponer que puede haber igualmente leyes sencillas que regulen las condiciones de limites y determinen el estado del universo.

De acuerdo con la teoría general de la relatividad clásica el estado inicial del universo es un punto de densidad infinita y resulta muy difícil definir cuales podrían ser las condiciones de límites del universo en tan singularidad. Cuando se tiene en cuenta los descubrimientos de la mecánica quántica se puede dejar de lado la posibilidad de la singularidad y resultar posible el espacio y el tiempo forme una superficie cúatridimensional sin límites o bordes. Esto significaría que el universo es totalmente independiente y no necesita las condiciones de limites se podría argumentar que las condiciones de limites del universo son que no tienen limite alguno.

IMPLICACIONES FILOSÓFICAS

Esto es simplemente una propuesta respecto a las condiciones de límites del universo. Se podrían deducir de algún otro principio, pero habría que seleccionar un conjunto razonable de condiciones de límites y calcular sus predicciones respecto al estado actual del universo, y ver si están de acuerdo con las observaciones empíricas. Los resultados son bastante aleatorios. Predicen que el universo debe haber comenzado en un estado bastante tranquilo y uniforme. Habría pasado por un periodo de lo que se denomina expansión exponencial durante el cual habría aumentado su tamaño en un factor bastante grande pero la densidad habría permanecido constante. El universo habría aumentado entonces de temperatura y se habría expandido al tamaño que tiene en la actualidad, enfriándose según se iba expandiendo. Sería uniforme y semejante en todas las direcciones, aunque contendría irregularidades locales que se convertirían en estrellas y galaxias.

Si las condiciones de límites del universo son que no tiene limites, el tiempo deja de estar bien definido en los primeros momentos del universo. La cantidad que medimos como tiempo tiene un comienzo, pero eso no significa que el tiempo espacial tenga un límite.

Si el tiempo espacial es finito, pero sin limites o bordes. Significaría que se podría describir el universo mediante un modelo matemático determinado en su totalidad únicamente por las leyes de la física. Todavía desconocemos la forma precisa de las leyes. Parece probable que todas estas leyes formen parte de una teoría unificada que aún tenemos que descubrir. Estamos avanzando y hay una posibilidad bastante razonable de que la descubramos antes de finales de siglo. Podría parecer que ello nos permitiría predecir todo el universo. Sin embargo, nuestros poderes de predicción estarían severamente limitados, en primer lugar por el principio de indeterminación, que afirma que no se pueden predecir ciertas cantidades con exactitud, sino sólo su distribución de probabilidad, y, en segundo lugar, por la complejidad de las ecuaciones, que hace que sea imposible resolverlas más que en situaciones muy sencillas. Así, pues, estaríamos todavía bastante lejos de la omnisciencia.