En la historia de la ciencia, muchas han sido las explicaciones aceptadas para los distintos fenómenos de la naturaleza. Cuando estas explicaciones pasan de ser una declaración individual para convertirse en la opinión de amplio consenso en la comunidad científica, con una sólida base teórica y basada en contundente evidencia empírica, se convierte en un paradigma de la ciencia.
De esta manera en la historia los cambios de paradigma son mas bien escasos. Se pueden nombrar algunos visibles ejemplos: el paso de la gravedad newtoniana a la gravedad relativista en física; de la generación espontanea a la evolución darwiniana en biología; desde atomos esféricos indivisibles al modelo atómico de Bohr; el estudio de la neurobiología con nuevas aplicaciones en psicología, etc. Esta “escasez” de cambios se debe principalmente a dos factores.
En primer lugar, la solidez de su fundamento hace muy complejo la obtención de una “solución” todavía mas profunda y mejor fundada, sin permanecer en las líneas del paradigma anterior, por lo que la mayoría de los avances son de complejización y complemento del paradigma actual y no de un abrupto cambio. En segundo lugar en una línea mas practica, y como dice T. Kuhn, solo cuando el investigador se ha “quitado de encima” el paradigma actual puede vislumbrar uno nuevo, antes siquiera de investigar su posibilidad.
Son las dos líneas de investigación de la ciencia, las que tratan en primer termino de “poner a prueba” la actual teoría, mejorando así su descripción de los fenómenos o bien probando que está errada. Y en segundo termino el trabajo en nuevas líneas de investigación y en la formulación de teorías nuevas, que se vislumbra difícil dada la acuciosidad y complejidad que alcanzan las teorías vigentes.
La teoría del Big Bang es la teoría científica ampliamente aceptada hoy por la comunidad científica, relativa a explicar la dinámica y origen del Universo. Es lo que estudia el área de la física llamada “Cosmología”.
La Cosmología surgió a comienzos del siglo XX con la presentación de Albert Einstein de su increíble teoría de la relatividad, que para la humanidad abría caminos cada vez más profundos en la comprensión del universo, su espacio-tiempo y las leyes que lo rigen.
Esta teoría llamada caricaturescamente Big Bang, en efecto, va solidamente bien encaminada a encontrar respuestas a cuestiones tan trascendentes como ¿Cómo se inició el Universo?, ¿Cuándo se inicio?, la dinámica de temperaturas y componentes químicos, los procesos que en el se viven, su estructura a gran escala, etc. En su formulación convergen diversas áreas de estudio como la física teórica y la astronomía.
Como toda teoría, esta se vale de la experimentación y los elementos tecnológicos de los que disponga el ser humano en su búsqueda incansable por la comprensión del todo, para verificar predicciones y sostener así lo que en el papel parece coherente (modelo matemático no contradictorio).
De esta manera, a grandes rasgos el Universo se habría iniciado en una singularidad, un fenómeno matemático que explica la convergencia de infinita masa y energía en un espacio acotado (por no decir nulo) del universo: un punto. Desde este punto se originaría una expansión inconmensurable que daría origen a todo lo que conocemos, incluido los parámetros que regulan el universo como las fuerzas, la temperatura, la densidad, la masa del electrón, la velocidad de la luz, etc.
Ahora bien, la definición relativista del Universo lo concibe como un “gel invisible” de espacio-tiempo, su estructura primordial. Este espacio-tiempo expresa en forma de “gravedad” la deformación geométrica que en él ejerce la presencia de objetos de gran masa: objetos muy masivos como las estrellas curvan la estructura del universo.
La analogía de una bola de metal puesta en una red de nylon nos da una idea de cómo se deforma el espacio-tiempo en presencia de objetos masivos, condicionando las trayectorias de los objetos cercanos a esta nueva “realidad curvada” del espacio tiempo, hacia el objeto masivo.
De la concepción de espacio-tiempo esta singularidad donde se inició todo no puede ser descrita como un punto, por lo que se le llama evento inicial. Lo que se sabe es que el tiempo comenzó a transcurrir en ese evento y el evento-Universo comenzó a expandirse. Transcurrido un tiempo cercano al tiempo de planck (10 elevado a la -35s) se concibe una disminución sucesiva de la temperatura y densidad del Universo con una consiguiente mega expansión. Antes de este tiempo crítico no se sabe que pudo ocurrir porque no se dispone de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, que unifique la mecánica cuántica (encargada de explicar los comportamientos en espacios sub atómicos) y la relatividad general (encargada de explicar los sucesos gravitatorios a escala planetaria y estelar) y de esta manera describa que sucedió antes de la mega expansión. Solo se sabe que todo estaba muy caliente y denso.
Img1. Diagrama de Expansión del Universo. NASA
Citando a Michio Kaku, físico estadounidense, con respecto a la paradoja de denominar Big Bang (gran explosión) al inicio del Universo: “En cierto modo no puede haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del espacio-tiempo: el mismo big bang habría sido lo que generó las dimensiones desde una singularidad; tampoco es exactamente una explosión en el sentido propio del término ya que no se propagó fuera de sí mismo.”*
De esta manera el Universo comenzó un proceso expansivo que dura hasta el día de hoy, 13.700 millones de años después del evento inicial. Pero no todo fue simple. En efecto, de existir Dios, este solo pudo “ver” su universo en el año 380.000. Antes de ese periodo, las partículas que transmiten la “luz” no estaban libres.
A que me refiero con esto, a que lo que ocurría antes de esa fecha en el plasma incandescente que era el Universo entonces fueron complejos procesos de creación y destrucción de fotones, electrones y quarks. Los primeros transmiten la luz, los segundos orbitan el núcleo atómico y los terceros son partículas elementales que en combinación formarían protones y neutrones, constituyentes del núcleo del átomo que conocemos hoy.
Con el tiempo y las colisiones atómicas, poco a poco las nubes de gas comenzaron a colapsar gravitatoriamente en si mismas para formar las primeras estrellas que, agrupadas entre ellas, formarían luego las primeras galaxias. La gravedad comenzó a regir el universo dándole forma que a ratos se abstraen de la inconmensurable velocidad de expansión. Este fenómeno de expansión puede ser visto con la analogía del Universo como una red llena de puntos, donde la expansión corresponde a un alargamiento de la red con los puntos en consecuencia separándose entre si. Para el terror de algunos y la alegría de la ciencia ficción, está comprobado que a mayor distancia de separación de dos objetos, mayor es la velocidad de “alejamiento” de los mismos.
Volviendo al Universo primigenio, dadas aquellas condiciones descritas y con la inminente disminución gradual de temperatura, la formación del primer átomo de hidrogeno marcó la primera liberación de fotones, por lo que el universo por fin pudo ser “visto”. Esto ocurrió en el año 380.000, año en el que Dios debe haber sonreído. Pero nadie mas sonrió: la temperatura del universo en ese entonces alcanzaba los 2800ºC. Además, con la expansión del universo ha disminuido también su temperatura, alcanzando actualmente los -270ºC o 2.7ºK. Una inminente muerte térmica se producirá de alcanzar el 0º absoluto, instancia en la cual ninguna estrella brillará y todo el cielo se volverá nuevamente “negro”, aunque de eso no estoy tan seguro porque no habrá nadie vivo que corrobore tal predicción.
Proyecto Sloan.
De esta manera, el estudio del inicio y dinámica del universo parecen bien encaminadas. Es más, la adquisición de conocimientos sobre el origen del universo supone una mejor base para acercarnos al conocimiento del Universo actual, aunque no lo podamos observar a cabalidad.
De esta manera, y si del método científico se trata, ningún estudio o aproximación teórica adquiere total validez sin una confirmación empírica que la valide. Es así como actualmente se desarrolla un proyecto llamado Sloan Digital Sky Survey, una investigación astronómica de 7 años que pretende mapear mas de un millón de galaxias con posiciones exactas en 3 dimensiones, ya no solo en una foto. Esto se hace estudiando la radiación que de cada galaxia proviene con un método llamado espectroscopia, que permite analizar el espectro de la radiación electromagnética ocupando la ley de doppler para analizar la luz como fuente de información de propiedades y movimiento del objeto.
Img2. Diagrama de observación Sloan Digital Sky Survey
Lo sustancial de este proyecto es que ya ha dado una primera luz en su ambicioso objetivo: una primera aproximación observacional a la estructura a gran escala del universo, imagen llamada también “Sloan Great Wall”. Esta imagen deja en evidencia, no solo la macro estructura en forma de “red” que reúne súper clusters de galaxias (en amarillo) sino también la presencia de materia oscura (en morado): forma no observable de materia dotada de masa que ejerce influencia gravitacional sobre la materia que conocemos.
Esta estructura es, sin duda, una consecuencia de la “evolución” o cambio continuo del Universo en estos casi 14 mil millones de años de historia, lo que implica la importancia del estudio de aquel periodo con interés práctico y no solo histórico.
Img3. Sloan Great Wall
Fondo de Radiación de Microondas.
La introducción anterior solo tenía como objetivo llegar a esta sección de una manera gradual. ¿Que es el Fondo de Radiación de Microondas (o Cosmic Microwave Background-CRB en inglés)? Es la radiación electromagnética mas antigua que se ha podido percibir, y corresponde a la evidencia empírica mas fuerte de la validez del “Big Bang” como teoría del universo. La frecuencia de esta radiación pertenece al rango de las microondas, de una amplitud mucho mayor a la luz visible, de ahí su nombre.
Fue predicha desde los años 40 pero fue medida por primera vez veinte años después. Puede ser percibida desde todo ángulo en el que se observe el “cosmos”. En consecuencia es llamada por algunos científicos como el “eco del big bang”. Pero no es exactamente eso, sino la primera liberación de fotones ocurrida cerca del año 380.000 anteriormente descrito. Lo que se mide entonces es la temperatura de aquella antigua radiación que ha viajado casi 14 billones de años hasta llegar a nuestros computadores, que con una precisión creciente han estudiado la temperatura de ese “primer destello” en 2800 grados Celsius, la mitad que la temperatura de la superficie del sol. En un primer estudio de esta radiación de microondas, se observó una increíble y esperable uniformidad en la temperatura del universo, sin embargo en sucesivas misiones de observación (satélites WMAP1, WMAP2, COBE) han mejorado esa medida y se dieron cuenta que a lo largo del campo de observación y a pesar de su homogeneidad, existía un sin fin de “parches” de variación de la temperatura en menos de un 0.0001%. Estas variaciones, aunque ínfimas, parecen ser los restos dejados en la radiación de microondas por la existencia de acumulaciones de masa primigenias. De estas “semillas estelares” se desprende la estructura del universo actual; una red de galaxias agrupadas en supercúmulos.
Img4. Primera imagen del fondo de radiación de microondas llamado Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), 2003.
Estudiando la complejidad de esta radiación y aumentando la prolijidad de observación, muy probablemente podamos obtener pistas certeras del Universo primigenio que nos guíen hacia la estructura a gran escala del universo de hoy. En esa línea, el año 2009 una nueva misión fue enviada por la agencia espacial europea (European Satellital Agency - ESA): se trata del satélite “Planck” -en honor al científico alemán-. Este satélite entregó recientemente una foto en baja calidad de lo que es la nueva observación de alta definición de dicha radiación de fondo. Sucesivos estudios en los 6 meses venideros revelaran, muy probablemente evidencia sobre la estructura del universo que hoy son desconocidas y permitirán finalmente liberar públicamente la nueva gran imagen del universo primigenio en alta definición. Por mientras, la nueva imagen en baja calidad promete no solo por su belleza, sino por las implicancias que de ella se derivarán. ¿Estaremos próximos a experimentar la primera aproximación humana realmente aguda a una macro estructura del Universo? El tiempo lo dirá.
Img5. El universo primigenio visto en microondas por el satelite Planck, Julio 2010.
Refs.
* Stephen Hawking “Historia del Tiempo”.
* Modelo Relativista A. Einstein
* Modelo Cosmológico Standard
* Sloan Digital Sky Survey www.sdss.org
Escrito por Gustavo Montaldo.
Video recomendado sobre la forma de fotografiar de los satelites WMAP, COBE y PLANCK:
http://www.youtube.com/watch?v=e5BeGg4xWVM&playnext_from=TL&videos=SFnBRS46i9c
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