El código genético del Universo II
El mundo de lo inmensamente Grande
El mundo de las cosas que conocemos y de los fenómenos que presenciamos nos ha revelado, como se vio en la primera parte de este articulo (Revista nº 2) que la naturaleza está constituida por un conjunto de partículas inimaginablemente pequeñas, dividiéndose en otras menores de un modo que no parece tener fin. Durante el siglo XX la Física procuró activamente conocer las fuerzas y formular las leyes que unen esas partículas fundamentales entre sí, para formar átomos, moléculas, estrellas y galaxias y en fin, el propio Universo.
¿Será que –pregunta diligentemente la Ciencia- conociendo las pequeñísimas partes y mirando al inmenso todo, podremos saber algo sobre el nacimiento del Universo y sobre el proceso que le dio forma? …
Dos extraordinarios descubrimientos
La percepción que hoy tenemos del Universo es la de una inmensidad poblada de galaxias, nombre que damos a enormes conglomerados de estrellas (entre 106 1012 estrellas), de gas y polvo, que se mantienen confinados en una determinada región del espacio por acción de la fuerza de la gravedad. El estudio sistemático de las galaxias llevó a la conclusión de que ellas se disponen en conjuntos mayores –los enjambres-, constituidos por un numero de galaxias que puede ir de unas pocas decenas a algunas centenas, encontrándose asimismo esos enjambres agrupados en “superenjambres”, sistemas dinámicos de mayor dimensión.
Estos son descubrimientos recientes, dado que solo en 1924 el astrónomo americano Edwin Hubble demostró la existencia de otras galaxias más allá de la Vía Láctea, revelando que el Universo podría ser muchísimo mayor que lo presumido hasta ese momento.
No obstante el descubrimiento más dramático de Hubble, anunciado en 1929, y confirmado por la investigación astronómica realizada décadas después, fue que esas galaxias se alejaban unas de otras, fenómeno conocido por “corrimiento hacia el rojo”. Se alejan con una velocidad relativa que es proporcional a la distancia entre ellas –o sea, cuanto más alejadas están unas de otras, más deprisa se separan-, estableciendo así una nueva e importante perspectiva cosmológica: nuestro Universo no es estático, está en expansión.
En 1964 dos ingenieros investigadores de la compañía telefónica Bell, Arno Penzias y Robert Wilson, cuando intentaban mejorar la recepción de sus aparatos, en el inicio de la transmisión de señales de radio vía satélite, se vieron “contrariados” con la presencia de una interferencia, una señal constante, como la de un “ruido de fondo”, detectado cualquiera que fuese la dirección hacia la que se orientaba la antena del receptor.
Todos los cuerpos emiten radiación térmica. Los cuerpos muy calientes emiten luz blanca, brillante; los menos calientes luz amarilla o roja (como las lámparas de incandescencia). El cuerpo humano, con una temperatura típica de alrededor de 36 grados centígrados, emite radiación en la zona del infrarrojo; cuerpos más fríos emiten radiaciones de energía térmica más baja, como las microondas o las ondas de radio. Ahora bien, el ruido de fondo detectado por Penzias y Wilson era una señal en la frecuencia de las microondas, correspondiente a una temperatura de 2,93 kelvin (-270 grados centígrados) y su fuente parecía están igualmente distribuida por todas partes, ¡en todo el Universo!
La existencia de una radiación térmica uniforme (radiación cósmica de fondo) presente en todas partes de un Universo en expansión tiene consecuencias notables, como veremos.
Retrocediendo… Retrocediendo…
A medida que el Universo se expande, la radiación cósmica de fondo irá enfriándose. Recíprocamente, podemos recorrer la línea del tiempo en sentido contrario y calcular matemáticamente, en un pasado muy, muy remoto, el momento en que el Universo estaba contraído, las galaxias permanecían comprimidas en un volumen infinitesimal, la temperatura era elevadísima y materia y radiación se encontraban en equilibrio térmico (o sea, se daban continuamente procesos de conversión de la radiación en pares partícula-antipartícula y viceversa). A partir de la escala de expansión de las galaxias observadas por Hubble fue posible estimar la edad del Universo entre 10 a 20 mil millones de años (1 a 2 x 1010 años).
Este resultado ha sido corroborado por estudios de datación de rocas y por otros cálculos estimativos. De hecho, como se sabe, la proporción de diferentes isótopos de elementos radiactivos en los materiales permite su datación de forma bastante precisa. Utilizando este método, la edad de las rocas más antiguas de la Tierra, de la Luna y de algunos meteoritos fue determinado en cerca de 4,5 x 10 9 años, en consonancia con la edad de nuestro Sol, estimada a partir de cálculos de su estructura y evolución en cinco mil millones de años (5 x 10 9 años).
La teoría de evolución de las estrellas prevé edades de 1,2 a1,6 x 1010 años para las más viejas estrellas de nuestra galaxia. Valores dentro de ese orden de magnitud han sido también estimados para las edades de galaxias próximas a nuestra Vía Láctea.
La semejanza entre la edad de las galaxias de nuestra vecindad y el tiempo de expansión del universo sustentan el argumento de que el Universo tiene una edad finita, o sea, no existe desde siempre, sino tiene “un DÍA” de inicio.
…antes que nada existiera, ni siquiera el espacio ni el tiempo
La teoría con mayor aceptación para explicar el nacimiento de Universo es conocida por “Teoría del Big Bang” (la gran explosión) y fue elaborada en los años 40 por George Gamow. Este modelo considera que la evolución y expansión del Universo comenzaron con una violenta explosión inicial ocurrida hace cerca de 15 mil millones de años, como ya indicamos con anterioridad. En esa explosión, materia y energía, extremadamente concentradas, liberaron una energía colosal, expandiéndose a continuación y enfriándose. G. Gamow y R Dicke predijeron que los vestigios de la radiación inicial se deben aún propagar por el Universo y estimaron en 3 grados kelvin el valor de su temperatura en el actual estado de expansión. El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo constituyó así uno de los más importantes argumentos a favor de esta teoría.
El Big Bang había acontecido al inicio del tiempo, marcando también el inicio del espacio, dado que el espacio no existía como tal antes del Big Bang, Por eso desde entonces el Universo se viene expandiendo, aunque no hacia el espacio vacío: el propio espacio se crea, se expande a medida que el tiempo pasa. Las galaxias son, en este escenario, pequeñísimos pirilampos emitiendo luz en la gran oscuridad del Universo y anunciando su expansión.
La teoría del Big Bang ha sido complementada con otros desarrollos teóricos de tal manera que proponen una visión coherente de la evolución del Universo, intentando resolver algunos enigmas de la Cosmología actual, como por ejemplo el elevado grado de isotropía de la radiación cósmica de fondo (las mismas características cualquiera que sea la dirección del espacio en que es observada),o la pequeña cantidad de materia del Universo en relación a la cantidad de radiación existente la total ausencia de agregados de antimateria.
Una historia posible
Reuniendo varios conocimientos y deducciones actuales sobre la evolución del Universo, podríamos contar la historia de este modo:
* A 10-43 segundos, con una temperatura de 1032 kelvin, los efectos de la fuerza de la gravedad a nivel cuántico serían fortísimos. En ese estado primigenio, las cuatro fuerzas fundamentales del Universo actual (la gravedad, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética y la fuerza débil –ver revista nº 2-) estarían unificadas en una única fuerza –teoría de la Gran Unificación- coexistiendo radiación y materia en un estado inimaginable de densidad energética. El Universo actual es altamente heterogéneo –la materia visible está concentrada en estrellas, aglomerados de estrellas, galaxias, enjambres de galaxias, superenjambres, etc. Se admite que posibles fluctuaciones cuánticas gravitacionales ya en aquella fase podrían estar en el origen de las perturbaciones que más tarde dieron origen a las galaxias y al hecho de que la materia no tenga una distribución uniforme en el espacio.
* A 10-33 segundos, con una temperatura de 1029 grados kelvin, se marca el fin del periodo de la Gran Unificación. Las fuerzas fuerte y electrodébil se separan, iniciando el periodo “inflaccionario” –brevísimo lapso de un segundo en el cual el volumen del Universo se multiplico por un factor 1050 o incluso superior-. En ese periodo se admite que una variedad de procesos de choque de partículas (leptones y quarks) y de conversión de partículas y antipartículas las de radiación y viceversa, previstos por la teoría inflacionaria, propuesta por el físico Alan Guth en 1.980, habían dado origen a la aniquilación de la mayor parte de los quarks al interaccionar con los antiquarks. Apenas uno de cada mil millones de quarks había sobrevivido a esa aniquilación, justificándose por ello dos importantes características del Universo actual: la aplastante supremacía del numero de fotones sobre el de bariones (protones y neutrones) –mil millones de fotones por cada barión- y la ausencia de antimateria organizada en antiátomos, antiestrellas, antigalaxias…
La teoría del Big Bang prevé además que un determinado número de antipartículas deben existir actualmente en el Universo como “fósil” de la explosión inicial, tal como acontece con la radiación cósmica de fondo. Portugal, a través de investigadores del Laboratorio de Instrumentación y partículas (LIP) de Coimbra y Lisboa, participa en una importante experiencia iniciada en 1998 y que consiste en la colocación de un detector de partículas en la Estación Espacial Internacional, para observar antipartículas provenientes del Universo actualmente conocido. Se trata pues de un importante test a la teoría del Big Bang.
* A 10-32 segundos, a temperatura de 1027 kelvin, termina el periodo inflaccionario. A esa altura los principales componentes de Universo serian fotones, y en mucho menor número quarks y leptones, quedando definitivamente establecida la predominancia de la materia sobre la antimateria.
* A 10-12 segundos, a temperatura de 1015 kelvin, se habían separado las fuerzas débil y electromagnética (las energías típicas de estos procesos pueden ya ser obtenidas en los actuales aceleradores de partículas).
* A 10-2 segundos, a temperatura de 1011 kelvin, los quarks comenzarían a asociarse en protones y neutrones.
* A 102 segundos (1,7 minutos), a temperatura de 109 kelvin, se habría iniciado el proceso conocido como “nucleosíntesis”, o sea, una cadena de procesos de fusión termonuclear por los cuales el hidrogeno se convierte en núcleos de helio, estos en núcleos de carbono y así sucesivamente en elementos mas pesados de la Tabla Periódica. El modelo del Big Bang y los procesos de nucleosíntesis se justifican como suceso o hecho de cerca del 25% de la materia barionica encontrado hoy en las galaxias existiendo bajo forma de helio, siendo los restantes 75% esencialmente núcleos de hidrogeno (protones).
* A 1012 segundos (300 mil años después del Big Bang), con una temperatura de 1000 grados kelvin, se daría el desacoplamiento ente partículas y fotones. Hasta aquí, materia y radiación habían permanecido en equilibrio térmico. Ahora, los fotones comienzan a expandirse libremente, de forma independiente a la materia, surgiendo la radiación cósmica de fondo. Este hecho fue acompañado por la combinación de los electrones libres con los núcleos, marcando así el inicio de los Átomos –“época de recombinación”-. Después del descubrimiento de Penzias y Wilson, estudios realizados utilizando el satélite COBE en 1992, permitieron concluir que la radiación cósmica de fondo presenta una anisotropía (lo contrario de isotropía) de solo 5 x 10-6 (o sea, de 0,0005%), lo que constituiría también la marca característica de las fluctuaciones cuánticas presentes en el periodo de la Gran Unificación.
* A 1016 segundos (cerca de mil millones de años) comenzaron a formarse las galaxias, las estrellas y los planetas.
* A 1018 segundos, el Universo de hoy, el espacio intergaláctico está solo a alrededor de 3 grados kelvin. A medida que transcurre el tiempo, las galaxias continúan alejándose unas de otras. A pesar de los conglomerados de estrellas y galaxias que lo pueblan, el Cosmos puede considerarse casi vacío y las galaxias se mueven, como islas de materia, en un océano gigantesco. Se admite que actualmente el Universo es cerca de 1000 veces mayor que en el momento en que fue creada la radiación cósmica de fondo.
¿Y antes del Big Bang?
En la década de los 60, Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron que las leyes de la Física, y concretamente la relatividad general prevén que el Big Bang haya tenido origen a partir de una “singularidad”, o sea, de un punto de densidad infinita donde el espacio y el tiempo dejan de tener sentido; un punto en el cual curiosamente la propia teoría que lo prevé deja de ser valida a distancias iguales o inferiores a 10-33 cm., la llamada “extensión de Planck”. Para explicar acontecimientos a esta escala es necesario desarrollar un modelo, aún no existente, de una gravedad y mecánica cuántica en las excepcionales condiciones de densidad energética de aquel “inicio”. Teorías recientes y en fase de desarrollo futuro, como la teoría de las “supercuerdas” representan tentativas de unificar las 4 fuerzas fundamentales de la Naturaleza y de desembocar quizás en esa tan deseada teoría de la gravedad cuántica.
En tanto ellas surgen estas, se han desarrollado otras especulaciones matemáticas para responder a la pregunta ¿y antes del Big Bang?
La idea de que nuestro Universo podría haber surgido del vacío tiene adeptos desde 1969 y fue desarrollada con detalle por Alexander Vilenkin, que partió del presupuesto de que el Big Bang tuvo origen en una situación totalmente aleatoria, gobernada por las leyes de la mecánica cuántica. El principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que a escala cuántica no podemos conocer simultáneamente el instante temporal y la energía de un sistema físico sometido a esas leyes. Además en el vacío cuántico existe una probabilidad no nula de fluctuaciones correspondientes a cantidades de energía compatibles, en duración temporal, con el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, dando lugar a la aparición de la materia y antimateria, o sea, la generación de “algo”, y simultáneamente la generación de la misma cantidad de “antialgo”. Así, “bolsas de espacio-tiempo” podrían surgir en el vacío, y por determinados procesos que favorecen su posterior expansión inflacionaria, este Universo podría haber venido a la existencia.
Stephen Hawking y James Hartle trabajaron recientemente esta cuestión, evitando el problema de la “singularidad” con un desarrollo teórico, más difícil de exponer de manera simple porque conceptualmente es más abstracto, en el que admiten que el tiempo más allá del Big Bang es imaginario, asumiendo el carácter de una dimensión del espacio. En una esfera perfecta al vacío, todos los puntos situados en su superficie son equivalentes y están equidistantes de su centro. Así, si la descripción física de un fenómeno estuviera relacionada con una superficie perfectamente esférica, el punto de la superficie al cual se hiciera referencia en la descripción del fenómeno sería irrelevante. En un Universo sin fronteras, un punto sobre la esfera corresponde al instante en que se dio el Big Bang; la esfera en sí desempeña el papel del espacio-tiempo. Ahora, en este tipo de concepción no es posible señalar un inicio único y especial en el espacio-tiempo, una vez que todos son equivalentes, llevando en el limite del razonamiento matemático, a una situación en que el instante del comienzo del Big Bang es en sí intangible, y por tanto a la conclusión de que el Universo siempre existió.
Cuestiones como esta o la de saber si este Universo es el único o solo uno entre múltiples universos con medidas espacio temporales diferentes de la nuestra eran, hasta hace pocas décadas, consideradas de discusión exclusivamente metafísica y filosófica, y vistas como un poco excéntricas. Hoy son también tratadas en el dominio de la especulación físico-matemática, la cual, guiada pos principios de simplicidad y procurando soluciones matemáticas manejables, buscan respuestas coherentes dentro de la metodología propia de la Ciencia ¡Quien sabe qué desarrollos nos aguardan en este siglo con esta tan determinada voluntad de escrutar el Universo!
Liliana Ferreira
Licenciada en Física; Doctora en Física de Radiación; Profesora e Investigadora en el Departamento de Física de la Universidad de Coimbra.
Comentarios recientes