“La humanidad es tan insignificante si la comparamos con el universo, que el hecho de ser un minusválido no tiene mucha importancia cósmica”. Stephen Hawking.

Por: Alberto Reséndez Cahero

Pretender en pocas palabras explicar el origen del Universo es una tarea complicada y difícil. Dada la complejidad de la Física cosmológica. Sin embargo es importante entender el Universo que nos rodea y hallar explicación a múltiples preguntas que surgen al contemplarlo. Además de quedar azorados por su inmensidad y avasallados ante su esplendor. Sin embargo, es importante entenderlo.

Existen cuatro fuerzas que rigen el Universo: La gravedad, la más débil y evidente que rige los grandes objetos celestes existentes en el Universo (estrellas, planetas, todo lo viviente en la tierra), las otras tres actúan a nivel subatómico que son la interacción nuclear fuerte, que es trillones de veces superior a la gravedad y mantiene unidos a componentes del núcleo atómicos, el electromagnetismo cuya fuerza hacer girar a los electrones en torno al núcleo que es el que aporta a la materia normal su apariencia sólida y la interacción débil que genera la desintegración radiactiva de ciertos átomos como el Uranio.

Estas cuatro grandes fuerzas interactúan en el cosmos y confieren sus atributos y particularidades a la materia. Y durante mucho tiempo los físicos teóricos han pretendido explicar su comportamiento y unificarlas para dar una explicación acerca de los inicios del Universo y poder predecir su futuro.

Su explicación ha tropezado con los avances de la ciencia y la tecnología de modo que en la medida que se han ido afinando los telescopios y avances en física y matemáticas se ha buscado entender de qué forma opera el Universo.

Galileo Galilei gran astrónomo del siglo XVII pudo haber sido el mayor científico del siglo XX. Fue el primer científico en utilizar efectivamente sus ojos, tanto en el sentido físico como en el figurado pues fue responsable de la era científica que hoy disfrutamos.

Stephen Hawking decía que Galileo empleaba sus ojos en forma precisa, sabía lo que veía y obraba en conformidad. Sabía cómo obtener las deducciones correctas y cuando era consciente del buen camino se encaminaba hasta el final; a 340 años de su muerte, Hawking consideraba que la mayoría de los científicos deberían copiar esta actitud e ir en contracorriente para avanzar más allá de las ideas aceptadas.

Galileo fue el primer científico que definió la fuerza de gravedad, la más omnipresente en la naturaleza y paradójicamente, la más débil. Desde Galileo, la explicación ha sido objeto de diversas correcciones. Newton reformó y perfeccionó las teorías de Galileo y Einstein, a su vez, pulió y amplió las leyes básicas de Newton para llegar a alcanzar un conocimiento global del Universo. Posteriormente, Hawking y otros cosmólogos intentaron hacer lo mismo con la teoría de la relatividad general de Einstein, que constituye la moderna explicación de la gravedad y principal punto de partida de la cosmología.

En 1905, Albert Einstein publicó tres artículos en el volumen 17 de la revista científica alemana Annalen der Physik, era imposible imaginar siquiera que esto iría a cambiar el curso de la historia de la ciencia. El primer artículo trataba sobre mecánica estadística; el segundo acerca del efecto fotoeléctrico que él juzgaba como el más importante y el tercero fue la bomba. Destinada a cambiar para siempre las percepciones sobre el tiempo y espacio. En el se esbozaba la teoría especial de la relatividad, como luego se llamaría, rebatiéndose el aforismo antiguo en el que el espacio era una substancia etérea ocupada por materia y el tiempo se desarrollaba del mismo modo que la corriente de un río. Eran ideas que habían dominado la ciencia durante cientos de años.

Einstein afirmaba que tiempo y espacio debía ser definidos como los científicos requerían y no en términos poéticos y filosóficos. Debían ser magnitudes medibles por los hombres comunes dotados de instrumentos comunes, no inútiles abstracciones. No existía más que espacio y tiempo. Se trataba de una solución sencilla del siglo XX a un problema del siglo XIX.

Einstein rechazando audazmente las concepciones más prestigiosas de los siglos precedentes se atrevió a realizar dos postulados: Primero, que la luz siempre viaja a una velocidad constante de 299, 789.21 km/seg y que ésta no varía aunque se mueva de su fuente de procedencia y cambie su dirección. Esto lo escribió en su tercer artículo, incluso si su foco de procedencia se mueve a gran velocidad, como en el caso de galaxias y estrellas.

Esta concepción herética parecía desafiar el sentido común. Sin embargo gracias a esto ha sido posible contar con un medio efectivo para medir distancias estelares. La velocidad de una bala, de la luna o de algún cuerpo celeste se mide siempre en relación con otro objeto, en cambio, la velocidad de la luz no guarda relación con nada; siempre es igual, es una constante absoluta.

El segundo postulado decía que un observador solo es capaz de detectar el movimiento relativo. En otras palabras al observar el movimiento de un tren, una persona situada en el andén de una estación verá que es el tren lo que se mueve, y no el andén. Sin embargo, otro observador situado en el interior del tren podría imaginarse perfectamente que él y el tren están parados mientras la persona del andén y todos los demás pasan con rapidez por la ventanilla.

Un primer postulado afirma que todo movimiento es relativo, mientras que el segundo exceptúa a la luz de esa relatividad, lo cual parece una contradicción. Sin embargo no existe ningún conflicto para el mundo de la relatividad especial y ambos postulados han servido para derribar la concepción básica de Newton de que el tiempo es absoluto y siempre fluye como un río, desde el pasado hasta el presente

Para esto Einstein propuso diversos experimentos ideales. Al afirmar que el tiempo se mide de forma diferente en función del movimiento relativo de los objetos y personas entre sí. Einstein abolía para siempre el tiempo absoluto posteriormente Einstein formuló que si un Astronauta que viaja a una velocidad próxima a la velocidad de la luz envejecerá más despacio que un hermano gemelo suyo que se hubiese quedado en la tierra lo que se conoce como paradoja del tiempo.

En su cuarto y último artículo publicado en 1905, Einstein formuló el que quizá fuese su descubrimiento más atrevido. Después de derribar las concepciones tradicionales de tiempo y espacio, ahora iba a hacer lo mismo con la de la masa y de la energía. Antes de Einstein, se consideraban dos cosas separadas y distintas. La intuición nos dice, como los físicos anteriores a Einstein decían que una pelota y la energía necesarias para ser lanzada no son la misma cosa. Partiendo de los postulados de la relatividad especial, Einstein encontró que tal distinción no era válida.

A partir de las fórmulas matemáticas de la teoría especial de la relatividad general y algunas de las ideas de su artículo sobre el efecto fotoeléctrico Einstein llegó a la conclusión de que si un objeto emite energía en forma de luz, su masa se reducirá en función de la energía, dividida por el cuadrado de la velocidad de la luz m=E/ Einstein demostraba con esto que la masa y la energía no sólo eran equivalentes, sino que eran también intercambiables. Esto ha sido demostrado en múltiples ocasiones en los desintegradores atómicos. En el Fermy National Accelerator Laboratory se ha comprobado que la masa de protones acelerados a través de un tubo de 6,5 km aumenta varios miles de veces al alcanzar una velocidad cercana a la de la luz.

Sin embargo, las teorías de Einstein estaban formuladas sobre la medición del espacio y el tiempo entre observadores que se movía a una velocidad uniforme, sin considerar posibilidades de aceleración, desaceleración o las de movimiento curvo (como el de una órbita planetaria). Comprendió que debía resolver esto y su viejo amigo Marcel Grossman, cuyos apuntes le habían ayudado a aprobar un importante examen en la época en que estudiaban en un instituto en Suiza, le indicó el camino a seguir. Existía un tipo de geometría no euclidiana que había sido desarrollada por un matemático alemán llamado Bernhard Riemann era el instrumento que él necesitaba: la geometría de un espacio curvo.

En 1916, reunió todos estos conceptos en diez formulaciones matemáticas o ecuaciones específicas bajo la denominación de Teoría General de la Relatividad siendo esta una teoría más revolucionaria incluso que la de la relatividad especial. En ella, Einstein había dado al traste con la idea de la gravedad como fuerza. De hecho para él no existía la fuerza de gravedad, lo que existía era la Geometría del Universo (geometría curva aportada por Riemann), de la que dependía la fuerza a la que llamamos gravedad. Einstein denominó “Continuo Espacio Tiempo” al espacio curvo que había concebido.

Este espacio funcionaba como una cama elástica. Una naranja por ejemplo, producirá una deformación más pequeña y tenderá a rodar hacia el punto más hundido. En el espacio estrellas y planetas producen el mismo efecto que esferas en la cama elástica; los cuerpos celestes causan una deformación en el espacio que les rodea que es capaz de atraer a otros objetos menos voluminosos hacia ellos.

La teoría general de la relatividad se distanciaba del pensamiento convencional de la época. Constituía una física totalmente nueva. Einstein conocía la existencia de dos fenómenos que podían demostrar la veracidad de sus ideas. El primer problema era explicar la excentricidad la órbita de mercurio que no se ajustaba a la órbita elíptica definida por la física de Newton: su órbita mostraba una desviación de 43 segundos de circunferencia cuando el planeta se encontraba en el punto más cercano al sol. Nadie había podido explicar esa diferencia pequeña pero medible con los instrumentos técnicos del siglo XX. Cuando las ecuaciones de Einstein se aplicaron a la órbita de mercurio éstas pronosticaron precisamente una diferencia de 43 grados de circunferencia

La segunda prueba, la más difícil, era que las ecuaciones de Einstein demostraban que la luz de una estrella lejana debería desviarse ligeramente al pasar junto al campo gravitacional del Sol. Esto pudo comprobarse tres años después de la publicación de su teoría general de la relatividad, el 29 de Mayo de 1919 se produjo un eclipse. La Royal Society organizó una expedición científica con destino a Príncipe una isla situada frente a las costas occidentales de África. Durante el eclipse el físico Británico Arthur Eddington detectó la desviación de la luz estelar que coincidía casi exactamente con los cálculos de Einstein.

Todas las grandes reformulaciones de la visión conceptual del hombre acerca del Universo se han visto precedidas por un período en el que viejas concepciones estaban comenzando a desmoronarse. Descubriéndose nuevas concepciones que no encajan con los esquemas tradicionales.

Einstein escribió en varias ocasiones que:

 

“Dios no jugaba a los dados en el Universo”

 

lo que suponía una declaración permanentemente en conflicto con la mecánica cuántica, sistema matemático desarrollado durante la década de 1920 y 1930 para explicar el comportamiento de las partículas subatómicas. Décadas más tarde Hawking agregaría:

 

“Dios no solo juega a los dados sino que a veces los arroja a donde no pueden verse”.

 

No era una observación tan importante como la de Einstein pero si una importante contrastación e indicaban que el tiempo y el progreso del conocimiento habían sobrepasado a Albert Einstein.

En 1917 Einstein publicó un artículo en el que, más que en ninguno de los anteriores, se establecían las bases de la moderna cosmología, el estudio del origen, evolución y configuración del Universo. Era un texto notable. En el que se exponía el principio del rayo laser 40 años antes de que se llegara a producir el primero, lo cual constituía por sí mismo un sorprende logro. El problema era que cualquier interpretación consecuente y sencilla de sus ecuaciones indicaba que el Universo era inestable e incluso podía encontrarse en un proceso de expansión. El astrónomo holandés Willem de Sitter, entre otros había derivado de dichas ecuaciones la conclusión de que el Universo no era estático, podía encontrarse en expansión o en contracción, pero no en reposo. Einstein se negó a admitirlo. Einstein alteró sus ecuaciones añadiendo un número al que él llamó constante cosmológica. Se trataba según él de una insignificante modificación.

En 1922, un matemático ruso, Alexander Friedman, resolvió de dos distintas formas las ecuaciones de Einstein, una con la constante cosmológica y otra sin ella. La primera indicaba la existencia de un Universo estático donde la materia nunca llegaba a alcanzar una cantidad crítica, que siempre permanecía igual. La segunda solución de Friedman más atrevida, prescindía los signos delta y esbozaba el primer modelo de un Universo en expansión donde la densidad es mayor que el nivel crítico. Era necesario determinar cuál era el correcto.

En un Universo finito, pero ilimitado, lo que significa que si pudiéramos avanzar continuamente en línea recta por el espacio, al final regresaríamos al punto de partida sin haber modificado la dirección. Es una extraña concepción. Según Hawking equivale a la misma noción de que un huevo se fríe al echarlo a un sartén caliente. Hawking pensaba que este Universo curvado sobre sí mismo es como un gigantesco agujero negro que también se curva en torno a sí mismo. La descripción matemática de ambas realidades es similar.

Otra forma de imaginar este modelo para Hawking, “es como un globo gigantesco que se hincha” Los puntos del globo serían las galaxias. Su mérito fue el de haber descubierto que los agujeros negros no son tan negros y dedicado a ello descubrir la radiación débil que emiten denominada radiación de Hawking y por ello es posible que sean detectados aún cuando esto no se pudo probar para darle el premio nobel.

Posteriormente se construyeron muchos telescopios en el oeste de Estados Unidos. En 1908, se construyó en Mount Wilson, California un telescopio reflector de 150 cm, y uno de 250 cm en el mismo observatorio. En este observatorio Edwin Hubble, realizó varias observaciones para medir las distancias de la Vía Láctea y la nebulosa de Andrómeda, la galaxia más próxima a nosotros. Finalmente, en 1929 Hubble anunció que según sus comprobaciones las galaxias se separaban entre sí a una velocidad directamente proporcional a su distancia de la Vía Láctea. Reconocida como la Ley de Hubble, se trataba de la primera prueba directa de la expansión del Universo. Aceptada por la mayoría de los científicos y Einstein tuvo que aceptar su error como el más grave de su carrera científica.

Los cálculos de Friedman y la Ley de Hubble permitieron establecer lo que hoy se conoce como el principio cosmológico. En esencia afirma que el Universo es más o menos igual en todas direcciones, es decir isotrópico. Aunque este principio no ha sido comprobado de forma definitiva. Según Hawking “no existe una plena seguridad de que el Universo sea igual en todos sus puntos”. Podemos imaginar un Universo con distintas ramas que no nos permitirían ver el resto del Universo. De hecho, existe cierta probabilidad de que el Universo tenga diversas formas.

Stephen Hawking así como Arnold Penrose afirman que en sus inicios en el Universo existió un período singular. A partir de este momento buscar las pistas para entender los orígenes del espacio y el tiempo. La teoría del Big Bang, es la que señala que en sus inicios la materia se encontraba concentrada con una masa crítica que al estallar liberó inmensa energía para formar el universo conocido. Y las estrellas al contraerse generan un agujero negro en cuyo centro se encuentra la problemática “singularidad”. Y lo más importante, estas estrellas presentan algunas de las características a la inversa de lo que sería un universo en expansión. En la singularidad los conceptos de espacio y tiempo simplemente desaparecen y se diluyen. Hawking señalaba: con las ecuaciones pasa lo mismo.

Arnold Penrose y Robert Wilson en 1964, fueron los primeros en detectar sin darse cuenta, la radiación de fondo que se distribuye de manera uniforme a través del Universo. El fenómeno se interpretó correctamente como un vestigio del Big Bang, “esto había sido predicho en 1948 por George Gamow y sus colegas pero en aquella época no se tomó demasiado en serio dicha predicción, en parte debido a los problemas derivados del modelo de Friedman“.

Otro hallazgo de gran importancia fue el descubrimiento de que el 25% de toda la masa de toda la materia del Universo es Helio. Mientras que el 75% es Nitrógeno en su mayor parte. Cálculos de Gamow afirmaban que 100 segundos después de que se produjera la singularidad, la cuarta parte de los protones y neutrones que se habían creado originalmente se transformaron en helio y una pequeña cantidad de Deuterio. Resultaba difícil explicar la gran cantidad de helio existente en el Universo de otra forma que no fuera la que indicaban los cálculos de Gamow. Por ello, junto con la radiación de fondo, han sido hallazgos satisfactorios para los teóricos.

El mayor error que se comete al tratar de entender el Big Bang es pensar que éste constituyó el origen de la masa material en los primeros momentos del universo. Durante el Big Bang según Hawking se creó el espacio y el tiempo.

Según las descripciones de Hawking los agujeros negros son una especie de desgarradura en el tejido del espacio y el tiempo, en ellos, las inimaginables fuerzas gravitacionales originan una enorme deformación y densidad, de modo que muchos científicos llegaron a pensar que ni siquiera la luz escapaba a ellos. Los agujeros negros constituyen la consecuencia natural de la muerte de las estrellas. Si la contracción de una estrella puede originar una singularidad, entonces un agujero negro podría describirse como la última fase de la evolución de una estrella antes de que llegue a producirse una singularidad. El agujero negro es el que oculta finalmente la singularidad del resto del Universo, generando una ruptura en el espacio-tiempo que se encuentra a su alrededor.

Las estrellas evolucionan

En el caso de nuestro sol de masa mediana, la gravedad terminará ganando y al contraerse se convertirá finalmente en una enana blanca debido a una ley física llamada principio de exclusión. Según esta ley dos electrones no pueden ocupar el mismo espacio energético, lo que significa que existe un límite para la compactación de la materia. No obstante se trata de un límite muy amplio: en la fase de una “enana blanca”, un pedazo de sol del tamaño de una nuez pesaría varias toneladas.

Si la estrella originaria tiene una masa más grande (1/4 veces o más superior a la del sol) el principio de exclusión será anulado por la gravedad. El proceso de contracción que sufre la estrella podría continuar hasta el momento en que se produjera la separación de los núcleos atómicos y la consiguiente destrucción de los átomos. Finalmente, se formaría una” estrella de neutrones”. Una pesada masa neutrónica con un diámetro de apenas unos cuantos kilómetros. La velocidad de escape en su superficie sería de 1900,000 km/seg. Más si la estrella tiene una masa de 3.6 veces del tamaño del sol, no dejará de contraerse hasta llegar a formar una “estrella de neutrones o pulsar” o bien por otra vía de tener una masa mayor un “agujero negro”.

El término agujero negro fue acuñado por el científico norteamericano John Wheeler como la gráfica descripción de una idea que se remonta a un mínimo de doscientos años, época en que habían dos teorías de la luz: una preferida por Newton que suponía que la luz estaba compuesta de partículas y la otra asumía que estaba formada de ondas. Hoy en día sabemos que ambas son correctas dada la naturaleza dual de la luz onda/corpúsculo de la mecánica cuántica, la luz puede ser considerada como onda y como partícula. Al principio se pensaba que la luz fuera afectada por la gravedad del mismo modo que las balas o cohetes y los planetas. Se pensaba que las partículas de luz viajaban con infinita rapidez, de modo que la gravedad no podía frenarla.

El Universo una caja negra

Tal pareciera que la gravedad puede poner un límite a esta sucesión de cajas dentro de cajas semejantes a una matrioshka (conjunto de muñecas rusas de diversos tamaños que se encuentran embebidas una dentro de la otra) del mismo modo que la sucesión de teoría más refinadas debe tener algún límite, a medida que vamos hacia energías cada vez más altas, por lo tanto, debería existir una teoría definitiva del universo, y posiblemente esto nunca ocurriría puesto que las teorías deben ser comprobadas. O esto se irá afinado conforme avance la investigación espacial y la tecnología humana evolucione hacia esos rumbos.

Como una conclusión, la búsqueda de una Teoría unificada completa, bien podría llegar a concretarse algún día en el futuro con el advenimiento de nueva tecnología que se vean acompañadas con el refinamiento teórico o bien pudiera tratarse de un espejismo. Stephen Hawking, señala en su libro Historia del Tiempo tres posibilidades: la primera señala que realmente existe una teoría unificada que algún día podríamos descubrir si somos los suficientemente inteligentes; la segunda, señala que podría no existir una teoría definitiva del universo, sino una sucesión infinita de teorías que describen el universo cada vez con mayor precisión y finalmente, la tercer, que no existe ninguna teoría del universo, los acontecimientos no pueden ser predecibles más allá de cierto punto ya que ocurren de una forma aleatoria y arbitraria.

BIBLIOGRAFIA_:
Asimov, Isaac. 1980. “El Colapso del Universo”. Primera reimpresión. Editorial Diana. México. 211p.
Boslough, John. 1986. “El Universo de Stephen Hawking”. Biblioteca Científica Salvat. 141p.
Hawking, Stephen. 1988. “Historia del Tiempo: del big bang a los agujeros negros” Editorial critica 245p.
Kippenhahn, Rudolf. 1984. “Cien millones de soles”. Biblioteca Científica Salvat. 264p.