Universo

Teorías. Origen de la creación. Modelos cosmológicos. Geocéntrica. Heliocéntrica. Copérnico. Big-Bang. Universo pulsante. Estado estacionario. Geometría del universo

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TEMA 2

“EL UNIVERSO”

TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA CREACIÓN DEL UNIVERSO Y SU DESARROLLO A TRAVÉS DE LA HISTORIA

Al principio creó Dios los cielos y la Tierra. La Tierra estaba confusa y vacía y las tinieblas cubrían la faz del abismo; pero el espíritu de Dios se cernía sobre la superficie de las aguas.

Génesis

Introducción

¿Siempre ha existido el universo? Si no es así, ¿cuándo comenzó? ¿Y cómo? ¿Se acabará? ¿Está cambiando el universo con el tiempo? ¿Se extiende el espacio en forma infinita en todas direcciones? ¿Cómo llegó a formarse la materia en el universo?

Es difícil que un ser humano no se haya preguntado nunca acerca del origen de la vida y del universo que la alberga, puesto que son interrogantes inherentes a nuestra propia naturaleza racional. Más allá de toda concepción filosófica o dogmática que trate de darle una respuesta a la trama humana, es evidente que aún nuestro espíritu esta inquieto. Desde el surgimiento de las primeras civilizaciones, el hombre se preguntó el por qué de la luz y de la oscuridad, por qué del trueno y del relámpago, por qué de la vida y la muerte y su instintivo modo de abordar  la realidad le hizo pensar en moradas recónditas donde seres eminentemente superiores, manejaban sus destinos y los del mundo. Una enmarañada gama de religiones y leyendas pasaron a ser parte del patrimonio cultural de todos los pueblos de la tierra, como muestra inequívoca de esa enorme curiosidad intelectual que nos ha embargado desde el principio de la historia. El desarrollo del pensamiento científico ha desplazado la frontera del conocimiento hacia ámbitos antaño especulativos, dejándonos un amplio marco de conceptos e ideas y entregándonos valiosas herramientas para juzgar y desarrollar nuestras propias opiniones a la hora de mirar el enorme espacio rebosante de vida que nos rodea.

Para intentar comprender la inmensidad del universo debemos hacer caso de Werner Heisenberg cuando dijo: «Es menester liberarse de las imágenes descriptivas y contentarse con símbolos métricos. Queriendo imaginar lo inimaginable, la física se aventura en un dominio donde el control de la observación es impotente para seguirla».

¡La ciencia ha sobrepasado, en gran manera, los sueños de los soñadores!

El insigne pensador Lecomte du Nouy utilizó un ejemplo que yo he tomado prestado en un ensayo anterior para aclarar esta estricta capacidad de conocimiento del hombre, cuando plantea el caso de un microorganismo -para nuestro ejemplo, considerado inteligente- habitante de las pequeñísimas grietas e la piel de un elefante.

¿Qué concepto podría tener ese minúsculo ser de la rugosa cobertura del paquidermo? Para él, los altibajos de la gruesa epidermis serían barrancos y montañas más impresionantes que, para nosotros, las alturas del Aconcagua o los riscos del Himalaya. Podría ese organismo llegar a formarse, después de largos viajes de aventura, una imagen de la forma externa del elefante; y si su inteligencia fuera suficiente poderosa y penetrante, lograría crear medios científicos y tecnológicos de observación y análisis para descubrir o imaginar la estructura y funcionamiento de todo el intrincado sistema de los órganos internos, circulación de sangre, sistema nervioso y demás del paquidermo. Difícil resulta, sin embargo, suponerlo capaz de ampliar y generalizar sus conocimientos hasta comprender la existencia de otros animales, de otras especies y, sobre todo, del hombre, independiente dominador del ser que a él lo alberga.

Ahora bien, si razonamos prudentemente, podríamos preguntarnos: ¿No estará el hombre metido en un contorno tan restringido como el del microbio inteligente que hemos imaginado? ¿No existirán en el universo realidades extrañas a nuestras escala conceptual y de observación?

Algunos pueblos antiguos creían que el universo estaba formado por gigantes o dragones, o que empezó en un caos líquido o como una mazorca de maíz o un huevo primordial. Los griegos hablaban de un vacío intemporal que precedió al cosmos ordenado: lo llamaban Caos, y hablaban de cómo Gea, la madre de la creación, emergió de esta infinita oscuridad para fundar la tumultuosa dinastía de dioses que gobernarían desde el Olimpo. Los incas se consideraban descendientes del Sol. Para los aztecas el joven guerrero Huitzilopochtli, símbolo del astro rey, amanecía cada mañana con un dardo de luz combatiendo a sus hermanos, las estrellas, y a su hermana, la Luna, para que se retirasen y así imponer su reinado diurno. Moría en el crepúsculo para volver a la madre Tierra, donde renovaba su fuerza a fin de enfrentar un nuevo ciclo al día siguiente.

Para las tribus primitivas de la India, la Tierra era una enorme bandeja de té que reposaba sobre tres inmensos elefantes, los que a su vez estaban sobre la caparazón de una tortuga gigante. Para los antiguos egipcios el cielo era una versión etérea del Nilo, por el cual el dios Ra (el Sol) navegaba de Este a Oeste cada día, retornando a su punto de partida a través de los abismos subterráneos donde moran los muertos; los eclipses eran provocados por ataques de una serpiente a la embarcación de Ra. Para los babilonios la Tierra era una gran montaña hueca semisumergida en los océanos, bajo los cuales moran los muertos. Sobre la Tierra estaba el firmamento, la bóveda majestuosa del cielo, que dividía las aguas del más allá de las que nos rodean.

'El Universo'

El cielo de la diosa Nut está formado por su propio cuerpo fulgente de estrellas. Su esposo Geb, Dios de la Tierra, está reclinado bajo ella.

Después de las ideas cosmogónicas de las sociedades primitivas, de inspiración más mítica que racional, la primera teoría con fundamento científico sobre la forma y propiedades del universo conocidas por la historia aparecieron en la Grecia Precristiana.

A partir de ese momento la razón comenzó a ser el elemento primordial utilizado por todos los hombres que comenzaron a preguntarse sobre el origen del universo. Así, mucho tiempo después, se ha podido llegar a una teoría, pero pasando antes por otras que se han ido desarrollando a la par de la evolución de la humanidad. Estas teorías se detallarán a continuación, así como también los distintos aspectos de los contextos en los cuales fueron surgiendo cada una.

La redondez de la tierra

Los primeros modelos cosmológicos griegos del siglo VI a.C. suponían una Tierra plana. Sin embargo, en los siguientes dos siglos los griegos aprendieron y aceptaron que la Tierra era redonda. Se atribuye a Pitágoras el haber enseñado por primera vez que la Tierra era redonda, hacia fines del siglo VI a.C. Aristóteles, en el siglo IV a.C., da varios argumentos por los cuales la Tierra debe ser redonda. En primer lugar porque cuando un barco se aleja de un puerto primero desaparece el casco y por último las velas. La altura del polo celeste aumenta al viajar al norte. Desplazándose hacia el sur aparecen estrellas que están siempre ocultas en Grecia. Por último, menciona que la sombra de la Tierra que podemos ver en los eclipses de Luna, es siempre un arco de círculo y sólo una esfera arrojaría una sombra con esas características. Aristóteles da un valor de 400.000 estadios para el perímetro terrestre (el largo del círculo máximo), sin citar de dónde lo obtuvo; parece ser un valor un 60% mayor que el verdadero.

En el siglo III a.C. vivió Eratóstenes astrónomo de la escuela de Alejandría. Él estuvo a cargo de la Biblioteca del famoso Museo de Alejandría. Sabía que el Sol estaba muy lejos de la Tierra, por lo tanto los rayos solares que llegan a la Tierra son todos prácticamente paralelos. Eratóstenes sabía que en Syene, cerca de la moderna Aswan (en el extremo sur del río Nilo), en el solsticio de verano, al mediodía, los rayos solares llegan al fondo de un pozo. En ese mismo día el Sol no pasa por el cenit de Alejandría sino a 7,2º de él. Razonó correctamente que eso se debía a la curvatura de la Tierra y que la vertical de Alejandría formaba en el centro de la Tierra un ángulo de 7,2º con la vertical de Syene. Midió la distancia entre Alejandría y Syene, obteniendo 5.000 estadios. Siendo el ángulo entre las dos verticales l/50 de un círculo, Eratóstenes obtuvo un perímetro para el meridiano terrestre de 50 x 5.000 = 250.000 estadios. Esta cifra la cambió después a 252.000 estadios, para que hubiese 700 estadios por grado. Desgraciadamente no se sabe con seguridad qué tipo de estadio utilizó Eratóstenes. Si fuese, como sugiere Plinio, el estadio de 157,5 metros el valor es casi idéntico al aceptado actualmente, ya que difiere en sólo unos ochenta kilómetros del valor correcto.


Eratóstenes descubrió que mientras en Syene el Sol alumbraba el interior de un pozo al mediodía, en Alejandría sólo llegaba a un mínimo de 7,2º del cenit. Con ello concluyó que las verticales de ambos lugares forman un ángulo semejante en el centro de la Tierra. Midiendo la distancia entre ambos lugares obtuvo el perímetro y el radio terrestres.

Pero también se teje una leyenda que relata la forma de que se valió Eratóstenes para obtener las cifras del radio de la Tierra. Se cuenta en la leyenda que Eratóstenes contrató a un paciente caminante para que midiera paso a paso la distancia entre Alejandría y Syene , unos 800 kilómetros en total, lo que obviamente implica un recorrido bastante largo en el cual se debieron haber contado por el caminante una cantidad cercana al millón de pasos, en bastantes días de caminata. El método de Eratóstenes consistió en medir en ambos lugares y a la misma hora, la longitud de la sombra de una estaca clavada en la Tierra. Si en Syene el Sol estaba justo arriba, la estaca no proyectaría allí sombra alguna; en Alejandría, en cambio, por la curvatura de la Tierra, habría una sombra que delataría justamente la magnitud de esa curvatura y, por tanto, la circunferencia del planeta. Si hubiese sido por el método que podemos considerar como ortodoxo, o por el que relata la leyenda, de cualquier modo, Eratóstenes, 230 años antes de Cristo midió el radio terrestre con notable precisión. Ptolomeo en su libro el «Almagesto» adopta un valor muy similar al de Eratóstenes para el tamaño del globo terráqueo. ¡Se trata de una hazaña que se realizó 17 siglos antes de Colón!

La teoría heliocéntrica de Aristarco de Samos alcanzó relativo éxito durante el siglo III a.C. Este hombre griego fue unos de los sabios de Alejandría y uno de los primeros en hablar de un sistema donde el sol de ubicaba en el centro y los demás planetas, giraban a su alrededor. Sus trabajos fueron comentados por Arquímedes en un libro llamado "El Arenario".

Teoría Geocéntrica

Fue elaborada en el siglo II d.C. por el astrónomo griego Claudio Tolomeo. La teoría de Tolomeo mantenía que la Tierra está inmóvil y se encuentra en el centro del Universo; el astro más cercano a la Tierra es la Luna y según nos vamos alejando, están Mercurio, Venus y el Sol casi en línea recta, seguidos sucesivamente por Marte, Júpiter, Saturno y las llamadas estrellas inmóviles.

Posteriormente, los astrónomos enriquecieron este sistema con una novena esfera, cuyo movimiento se supone que lo causa la precesión de los equinoccios. También se añadió una décima esfera que se pensaba que era la que conducía a los demás cuerpos celestes. Para explicar los diversos movimientos de los planetas, el sistema de Tolomeo los describía formando pequeñas órbitas circulares llamadas epiciclos, los centros de los cuales giraban alrededor de la Tierra en órbitas circulares llamadas deferentes. El movimiento de todas las esferas se produce de oeste a este.

Tras el declive de la cultura griega clásica, los astrónomos árabes intentaron perfeccionar el sistema añadiendo nuevos epiciclos para explicar las variaciones imprevistas en los movimientos y las posiciones de los planetas. No obstante, estos esfuerzos fracasaron en la solución de muchas incoherencias del sistema de Tolomeo.

Teoría Heliocéntrica de Nicolás Copérnico

'El Universo'
En 1543 d. C. el astrónomo Nicolás Copérnico publicó un libro llamado "La Revolución de las Esferas Celestes", donde da a conocer su teoría. Esta determinaba que el sol estaba colocado en el centro y todos los planetas se ubicaban a su alrededor. También afirmaba que los planetas tenían movimientos circulares uniformes.

La teoría de Copérnico postulaba un universo geocéntrico en el que la Tierra se encontraba estática en el centro del mismo, rodeada de esferas que giraban a su alrededor. Dentro de estas esferas se encontraban (ordenados de dentro hacia afuera): la Luna, Mercurio, Venus, el Sol, Marte, Júpiter, Saturno y, finalmente, la esfera exterior en la que estaban las llamadas estrellas fijas. Se pensaba que esta esfera exterior fluctuaba lentamente y producía el efecto de los equinoccios.

En la antigüedad era difícil de explicar por cosmólogos y filósofos el movimiento aparentemente retrógrado de Marte, Júpiter y Saturno. En ocasiones, el movimiento de estos planetas en el cielo parecía detenerse, comenzando a moverse después en sentido contrario. Para poder explicar este fenómeno, los cosmólogos medievales pensaron que los planetas giraban en un círculo que llamaban epiciclo, y el centro de cada epiciclo giraba alrededor de la Tierra, trazando lo que denominaban una trayectoria deferente.

El alemán Johannes Kepler descubrió que las órbitas de los planetas eran elipses observando el planeta Marte, y comparando estas observaciones con anteriores realizadas por el astrónomo danés Ticho Brahe. Este alemán también descubrió las leyes del movimiento planetario.

El italiano Galileo Galilei observó por primera vez, manchas en el sol, cráteres en la luna, los grandes satélites de Júpiter y los anillos de Saturno, que no llegó a distinguir con precisión. Al descubrir las fases del planeta Venus, descubrió experimentalmente que éste giraba alrededor del sol. Este fue el argumento decisivo para confirmar la teoría de Copérnico.

Un pequeño punto en el tiempo y en el espacio

Si comparamos la existencia humana con la edad del universo, nuestra situación no sería distinta a la del mosquito. Los científicos han estimado que tiene unos 15.000 millones de años, cifra que ridiculiza nuestros tres millones de años como especie inteligente. En consecuencia, no podemos sentarnos a esperar que la evolución cósmica desfile ante nuestros ojos para entender así su funcionamiento. Sin embargo, para nosotros, es de gran fortuna el hecho de que cada componente estelar (estrellas, galaxias, etc.), se encuentre en una etapa evolutiva diferente, lo cual nos ha permitido determinar con gran exactitud, como nacen, evolucionan y se extinguen.

Para tener una idea más o meno clara acerca de la enorme extensión temporal del cosmos, juguemos con la imaginación y atengámonos a las sugerencias de Carl Sagan para graficar lo que ha sido de éste desde sus orígenes. El famoso astrónomo estadounidense ideó un calendario cósmico en el que la totalidad de los 15.000 millones de años atribuidos al universo transcurren en un año terrestre. Según esta analogía, un segundo representa 500 años de nuestra historia y podemos fechar los acontecimientos más significativos de la manera siguiente:

Calendario Cósmico de Carl Sagan

1 de enero 00:00 horas

 Se produce el Big Bang, la explosión inicial  del huevo cósmico que dio origen al universo.

1 de enero 00:10 horas

 Se forman los primeros átomos y la energía irradiada va llenando poco a poco el naciente espacio-tiempo.

1 de septiembre 00:00 horas

 00:00 Horas Se produce la formación del Sistema Solar a partir de una nube de gas y polvo.

25 de septiembre 00:00 horas

 En la Tierra, hacen su aparición los primeros seres vivientes (microscópicos)

15 de diciembre 00:00 horas

 Se rompe el monopolio de las algas verde-azules con la llamada explosión del cámbrico, donde los seres vivos se diversificaron de forma violenta adaptándose a los ambientes más disímiles.

24 de diciembre 00:00 horas

 Aparecen los dinosaurios, dominadores absolutos del planeta durante 160 millones de años, hasta su extinción el 29 de diciembre.

31 de diciembre 23:00 horas

 Aparece el Homo sapiens

31 de diciembre 23:59:00 horas

 El hombre comienza a vivir en la edad de piedra

31 de diciembre 23:59:52 horas

 Surge el imperio babilónico.

31 de diciembre 23:59:56 horas

 Estamos en los tiempos de Jesús y del emperador romano Augusto

31 de diciembre 23.59:59 horas

 Cristóbal Colón descubre América.

31 de diciembre 24:00 horas

 Tiempo presente.

De acuerdo a este calendario, toda la historia humana transcurre en el último minuto, de la última hora, del 31 de diciembre. Esto nos da una gráfica idea de lo efímera que ha sido nuestra existencia comparada con la evolución del universo. Pero nuestra insignificancia va más allá: el lugar físico que ocupamos en el espacio no representa más que un átomo flotando en un océano inconmensurable.

La teoría del Big - Bang

El Big Bang, que en habla anglosajona quiere decir "gran explosión", es una de la teorías científicas más populares y actualmente goza de un alto grado de aceptación. El nombre "Big Bang", fue acuñado en los años 40 por el astrónomo Fred Hoyle, quien, curiosamente, nunca fue partidario de ella (véase más abajo). La teoría se basa fundamentalmente en acontecimientos físicos como la expansión del universo, las cantidades relativas de hidrógeno y helio, y la existencia de la radiación térmica cosmológica (radiación de fondo).

'El Universo'
La historia del Big Bang se inicia a mediados del siglo XIX, cuando el científico holandés Cristian Doppler, descubre el fenómeno físico que le hizo famoso: el efecto Doppler (ver figura).

Este se presenta cuando una fuente de ondas o energía se desplaza en forma radial (esto es, alejándose o acercándose) a un espectador o receptor. Así, éste recibe mayor o menor cantidad de ondas por unidad de tiempo según el sentido de desplazamiento de la fuente emisora. Si hacemos una analogía, se vislumbrará más fácilmente lo que ocurre: supongamos que un observador se encuentra parado a un costado de la vía férrea esperando ver pasar el tren. Y supongamos también que éste se acerca al observador sonando su bocina en forma interrumpida. A medida que se acerca, el espectador captará que el sonido se hace cada vez más agudo, hasta el momento en que el tren pasa junto a él. Desde ese instante, el sonido irá bajando paulatinamente de tono, tornándose más grave, hasta hacerse inaudible por la distancia. Esto se explica porque las ondas de sonido viajan en la misma dirección del tren cuando éste se aproxima, debido a lo cual, se comprimen y el receptor recibe más de ellas por unidad de tiempo. Al alejarse el tren, las ondas viajan en sentido contrario a la fuente emisora lo cual produce su dilatación, recibiendo el espectador menos ondas por unidad de tiempo. Ello produce la gravedad del sonido. Como este fenómeno afecta a todo tipo de ondas, inclusive a las electromagnéticas, era de esperarse que lo mismo ocurriese con la luz visible, que es, en esencia, un tipo de onda.

Posteriormente, a comienzos del siglo XX, el efecto Doppler fué utilizado por Vesto Slipher, astrónomo del observatorio Lowell en Estados Unidos, para analizar el espectro luminoso de galaxias lejanas. Como ocurre con el sonido, una fuente luminosa emitirá más ondas de luz por unidad de tiempo si se acerca a nosotros a una velocidad considerable. Ocurrirá lo contrario si se aleja. Las ondas más largas del espectro luminoso corresponden a la luz de color rojo, mientras que las más cortas, al violeta. Como Slipher descubrió que las ondas de luz provenientes de la mayoría las galaxias observadas por él se alargaban (se corrían hacia el rojo del espectro), infirió que todas ellas se alejaban de nosotros, exceptuando aquellas pertenecientes al grupo local. Parecían huir del sistema solar como si se tratase de una enorme fuga. Esto, en un principio, desconcertó a los científicos. ¿Por qué las galaxias se alejaban unas de otras?. Se llegó a la conclusión que el universo en que vivimos se está expandiendo. Esta apreciación fue respaldada en 1929 cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble trabajando en el observatorio de Monte Wilson estableció su "ley de recesión de las galaxias", según la cual, la velocidad con que las galaxias se alejan es directamente proporcional a la distancia en que se encuentran. Como en toda proporción, existe una constante, a esta se le llamó "constante de Hubble"(H), cuyo valor actual es:

H = v/d = 160 kilómetros/segundo P.M.C.

Esto significa que las galaxias se alejan de nosotros acelerando 160 kilómetros por segundo en cada millón de años luz que recorren.

Albert Einstein enunció entre 1915 y 1917 un marco teórico más o menos acabado acerca del universo. Su teoría general de la relatividad sentó las bases para el desarrollo de ecuaciones matemáticas que, en cierta forma, afirmaban el equilibrio general del universo y la recesión de las galaxias. El astrónomo holandés De Sitter trabajó sobre ellas y planteó el primer modelo del universo en expansión. En este mismo sentido lo hicieron también Alexander Friedmann y George Henri Lemaître, quienes aplicaron las conclusiones de Einstein en favor del universo expansivo. Sin embargo, el modelo de Lemaître postulaba que el universo se expandía no sólo por las evidencias matemáticas encontradas por Einstein, sino también debido a un fenómeno físico: una gran explosión. El científico ruso-americano George Gamow se convirtió en el más osado defensor de este nuevo modelo, a partir del año 1948.

La teoría del Big Bang supone que toda la materia del universo estuvo, en un comienzo, concentrada en un mismo lugar del espacio. Esta masa de volumen pequeño (comparado con la extensión del universo) fue bautizada como "huevo cósmico" por Gamow o "átomo primitivo" por Lemaître. Si toda la materia existente en el universo estuvo concentrada en una sola estructura, su densidad debió ser inimaginablemente grande. De igual forma, se estima que su temperatura alcanzó unos 100 mil millones de grados Celsius. En tales condiciones, ni siquiera existirían los átomos como los ha definido la química. Al explotar, la energía fue transformándose paulatinamente en materia, a medida que se alejaba es todas direcciones. En un instante nacían tiempo y espacio.

Al transcurrir los primeros tres minutos, recién comienzan a aparecer los núcleos de los átomos más sencillos, hidrógeno y helio. Los cálculos matemáticos predijeron que su formación desde un principio, se hizo en razón de cuatro átomos de hidrógeno por uno de helio. Las mediciones actuales confirman un porcentaje de 75% para el hidrógeno y 25% para el helio. Los átomos más pesados, como el hierro, el carbono, el cobre y el resto de los elementos de la tabla periódica, fueron creados, según se cree, en el interior de las estrellas de gran masa, quienes los esparcieron por el cosmos al explotar como supernovas.

Debieron pasar cientos de miles de años desde la gran explosión para que el choque entre las partículas elementales disminuyera, lo que permitió que los núcleos atómicos capturaran sus electrones. Al mismo tiempo, la temperatura fue descendiendo gradualmente y la velocidad de expansión de la materia fue cada vez menor. Los fragmentos del huevo cósmico diseminados en todas direcciones, se fueron condensando y formaron lo que hoy son galaxias, estrellas, planetas y todos los cuerpos celestes conocidos.

Haciendo una pequeña analogía, podemos decir que la evolución del universo equivaldría, en cierta forma, a lo que ocurre con una nube de vapor de agua que se expande en el aire. A medida que se enfría, el agua se transforma en líquido, y si no se le suministra calor, su enfriamiento continúa hasta llegar al estado sólido. La relación entre expansión y enfriamiento es tan estrecha, que los científicos han logrado, a partir de ella, calcular con gran exactitud la temperatura teórica a la que debería encontrarse el universo en la actualidad. Tal temperatura es de 3 K (en la escala absoluta de Kelvin) o -270 grados Celsius bajo cero. Ahora bien, un cuerpo a una temperatura determinada, emite radiaciones electromagnéticas características de esa temperatura y era de esperarse que existiese algún tipo de radiación que confirmase los 3 K calculados para el universo. No fue sino hasta la primavera boreal de 1964 cuando los astrónomos estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson, efectuando mediciones de ondas de radio en New Jersey, Estados Unidos, con una antena de la Bell Telephone, descubrieron una radiación de fondo que interfería con su trabajo y que no podían eliminar, ya que parecía provenir de todo el universo. Inmediatamente dieron la noticia a los físicos de la Universidad de Princeton que trabajaban en la teoría del Big Bang. Ellos confirmaron que dicha radiación era el "fósil físico" buscado por los científicos que correspondería a la radiación electromagnética que emite un cuerpo a 3 grados kelvin. Naturalmente, este descubrimiento, uno de los más importantes de la radio astronomía significó un fuerte respaldo a la teoría del Big Bang. Penzias y Wilson recibieron el premio Nóbel de física por el descubrimiento de lo que posteriormente se denominó "radiación térmica cosmológica".

 

Teoría del universo pulsante

Muchos científicos se inclinan a pensar que la evolución del universo abarca una dimensión temporal que va mucho más allá de la explosión primordial y de  la actual expansión. Sostienen que el tiempo y el espacio no se crearon conjuntamente con el Big Bang, sino que consideran al cosmos como una entidad eterna. Esta tesis, llamada teoría del universo pulsante, viene a responder la siguiente pregunta: ¿qué había antes del Big Bang?

Las agrupaciones de galaxias y los cúmulos estelares, se mueven separándose unos de otros en franca expansión. La teoría del Big Bang supone que la velocidad de recesión de dichos objetos era mayor en el pasado que hoy. La teoría del universo pulsante sostiene que en un futuro inminente, la fuerza gravitatoria resultante del universo será capaz de frenar su expansión, hasta el punto de iniciar el proceso contrario, es decir, una contracción. Todos los cuerpos celestes comenzarían a acercarse unos a otros a una velocidad cada vez mayor, hasta encontrarse en un mismo punto y constituir otra vez el huevo cósmico. (Big-Crunch). Este huevo, después de cierto lapso de tiempo, volvería a estallar, dando origen a otro universo expansivo.

El ciclo se repetiría eternamente, perpetuándose en el tiempo. Nuestro universo sería el último de muchos surgidos en el pasado, luego de sucesivas explosiones y contracciones (pulsaciones). El momento en que el universo se desploma sobre si mismo atraído por su propia gravedad es conocido como "Big Crunch" en el ambiente científico. El Big Crunch marcaría el fin de nuestro universo y el nacimiento de otro nuevo, tras el subsiguiente Big Bang que lo forme. Si esta teoría llegase a tener pleno respaldo, el Big Crunch ocurriría dentro de unos 150 mil millones de años. Si nos remitimos al calendario de Sagan, esto sería dentro de unos 10 años a partir del 31 de diciembre.

Teoría del estado estacionario

Si bien es cierto la teoría del Big Bang goza de una popularidad abrumadora, no todos los científicos comparten sus postulados. Muchos consideran que el universo es una entidad que no tiene principio ni fin. No tiene principio porque no comenzó con una gran explosión ni se colapsará, en un futuro lejano, para volver a nacer.

La teoría que se opone a la tesis de un universo en evolución, es conocida como "teoría del estado estacionario" o "de creación continua" y nace a principios del siglo XX, cuando la idea de que el universo debería presentar el mismo aspecto desde cualquier punto de observación, comenzaba a prender entre los investigadores. Parecía lógico pensar que la distribución de la materia interestelar era regular y que ninguna galaxia tendría privilegios en lo que se refiere a su posición en el espacio. El impulsor de esta idea fue el astrónomo inglés Edward Milne y según ella, los datos recabados por la observación de un objeto ubicado a millones de años luz, deben ser idénticos a los obtenidos en la observación de la Vía láctea desde la misma distancia. Milne llamó a su tesis "principio cosmológico perfecto". En 1948 los astrónomos Herman Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle retomaron este pensamiento y le añadieron nuevos conceptos. Nace así el "principio cosmológico perfecto" como alternativa para quienes rechazaban de plano la teoría del Big Bang.

Dicho principio establece, en primer lugar, que el universo no tiene un génesis ni un final, ya que la materia interestelar siempre ha existido. En segundo término, sostiene que el aspecto general del universo, no sólo es idéntico en el espacio, sino también en el tiempo. De esta forma, el cosmos se ha mantenido igual y con una densidad constante desde siempre. Evidentemente, en el futuro, tampoco cambiará.

Sin embargo, existen realidades irrefutables que tales ideas parecen contradecir. En efecto, si el universo se mantiene igual tanto en el espacio como en el tiempo, ¿como explicar la actual expansión de las galaxias, que paulatinamente terminarán por cambiar el aspecto del cosmos?. ¿Como se explica la transformación continua de hidrógeno en helio que traerá como consecuencia la formación de un universo saturado de materiales pesados y galaxias envejecidas?

Los tres astrónomos explicaron al respecto que el aspecto del cosmos no variará, porque el espacio dejado por las galaxias que se alejan será ocupado por nuevos conglomerados que irán surgiendo por la condensación de la materia creada continuamente a partir de la nada. Dicha afirmación, un tanto extravagante, parece violar la ley de la conservación de la energía. Sin embargo, para el trío de científicos, bastará que surja (a partir de la nada) un sólo átomo de hidrógeno por cada mil millones de metros cúbicos de espacio en forma constante, para que el hidrógeno del universo sea renovado y reemplace a aquél que sea consumido en las reacciones termonucleares de las estrellas. ( Algunos astrónomos sugieren que la materia creada proviene de la transformación de energía generada por la misma expansión de las galaxias, tal como lo postuló Einstein en su famosa ecuación E=m*c2. Hasta el momento, ningún instrumento creado por el hombre ha sido capaz de detectar la creación de un sólo átomo de hidrógeno en un espacio tan grande, por lo esta tesis esta por demostrarse.

Geometría del universo

Los hombres de la antigüedad imaginaban que el cielo estaba contenido en una enorme bóveda esférica que giraba permanentemente sobre sus cabezas. Las estrellas formaban caprichosas figuras geométricas que en la mente de los más imaginativos, adquirían las más extrañas formas. De ahí el nombre de bóveda celeste poblada por una gran variedad de seres y objetos mitológicos que nos hablan de la fascinación del hombre por este  hermoso velo negro.

Al mirarlo, es difícil sustraerse al asombro y la curiosidad ¿Qué tan profundo es este abismo celestial impenetrable?. Los instrumentos ópticos más perfectos que hemos construido, nos han mostrado una porción de universo equivalente a una esfera de 15 mil millones de años luz de radio. Más allá, se perfila por ahora, un universo totalmente desconocido.

Tan misteriosa como la extensión del universo, es su forma. Muchos científicos han dedicado gran parte de su tiempo a investigar sobre la geometría del cosmos, entre ellos, el mismo Albert Einstein. Galardonado con el premio Nóbel en 1922, el joven Einstein tenía 26 años cuando revolucionó la física clásica  y el pensamiento científico con su teoría de la relatividad (1905). Esta se convirtió pronto en una nueva herramienta que permitió a los científicos indagar más a fondo en los problemas planteados en cosmología, permitiendo la elaboración de teorías muy concretas.

Es sabido que el espacio físico donde nos movemos posee una geometría euclidiana, cuyos axiomas los aprendemos año a año en las clases de matemáticas impartidas desde temprana edad. En este espacio tridimensional, una línea recta, que es una infinita sucesión de puntos, se prolonga indefinidamente en una dirección determinada. De acuerdo con la teoría de Einstein, la presencia de un cuerpo masivo distorsiona el espacio tiempo a su alrededor. El 29 de mayo de 1919 se pudo comprobar esta tesis al producirse un eclipse de sol. La luz de las estrellas que se encontraban en la dirección del astro rey presentaban, efectivamente, las desviaciones en su trayectoria que Einstein había predicho. Por tanto, en el universo, el espacio físico se ve distorsionado por la presencia de cuerpos de enorme masa, y un rayo de luz, que tiene una trayectoria rectilínea, se desvía. Podemos concluir entonces que, mientras el espacio a escala local es de geometría euclidiana, a gran escala adquiere una geometría influenciada por la relatividad.

Los modelos teóricos ideados por los científicos consideran dos aspectos de vital importancia: la densidad del cosmos y la fuerza de gravedad que la materia genera. Ambos se encuentran estrechamente ligados al posible desarrollo que tenga la evolución del universo en el futuro. esto se apreciará a continuación.

Los modelos básicos del universo son tres (ver figura):

  • El universo plano con geometría euclidiana.

  • El universo esférico relativista o de curvatura positiva.

  • El universo hiperbólico o de curvatura negativa.

  • 'El Universo'

    Supongamos que la expansión actual del universo pudiera frenarse de alguna forma. Imaginemos que en un momento dado, la velocidad de escape de las galaxias fuese contrarrestada por la acción gravitatoria de las mismas. Se llegaría a un estado de equilibrio donde no habría expansión ni contracción. En este caso estaríamos frente a un universo plano euclidiano de tamaño infinito.

    Ahora bien, si pensamos en un universo que posee la fuerza suficiente para iniciar una contracción (universo pulsante), el cosmos sería cerrado y enmarcado dentro de una geometría esférica. La expansión del universo sería equivalente a inflar un globo, donde todos los puntos de la superficie se separan unos de otros. La esfera representa una superficie finita e ilimitada, donde existen dos dimensiones que se curvan en una tercera. Si caminamos por esta superficie esférica en línea recta, terminaremos por llegar al punto de partida. Paralelamente, el modelo esférico del universo consta de tres dimensiones que se curvan en una cuarta debido a la distorsión del espacio tiempo según hemos visto. Un rayo de luz que viaje en línea recta, terminaría por llegar a su lugar de origen en este universo relativista.

    En cambio, si el universo no tuviese la fuerza gravitatoria suficiente para frenar su expansión, Entonces todos los cuerpos celestes, se separarían por siempre unos de otros y se enfriarían para dar origen a un universo oscuro y de densidad casi nula. Se curvará negativamente, adquiriendo una geometría hiperbólica similar, en apariencia, a una silla de montar.

    Es importante destacar que el universo, actualmente en expansión, solo será capaz de frenarse si existe una fuerza gravitatoria neta que lo haga posible. Y para que exista tal fuerza, se requiere una cantidad determinada de materia que la genere. Los cálculos actuales tendientes a encontrar la masa del universo, nos hablan de un número inferior al mínimo que se necesita para detener el avance de las galaxias, lo que implicaría que vivimos en un universo hiperbólico, con todas las características señaladas para el tercer modelo. Pero la duda persiste aún en el mundo científico. Muchos investigadores opinan que, con la tecnología actual, es imposible detectar la totalidad de la masa del universo, habiendo partículas "invisibles" para nuestros instrumentos. Esta cantidad de materia obscura cubriría la masa faltante para lograr una fuerza gravitatoria capaz de frenar al universo, incluso, iniciar su contracción.

    Consideraciones finales

    En 1992, el satélite de observación espacial de la NASA, COBE, descubrió que la radiación térmica cosmológica o radiación de fondo, no existe de manera homogénea en el cosmos, sino que presenta una serie de irregularidades, las cuales estaban predichas por la tesis del Big Bang. Esto viene a dar un fuerte respaldo a dicha teoría y confirma que sólo el avance de la ciencia y la tecnología puede acercarnos a una realidad más certera. En la actualidad, la cosmología ha tomado de la física quántica y de la teoría del caos, además de la relatividad, los soporte teórico matemáticos para describir con mayor exactitud el comportamiento del macrocosmos.