En este apartado del blog juanmartinmira.wordpress.com se muestran artículos dedicados a la divulgación de temas de la cosmología y de la física moderna.

UNIVERSO

Los pitagóricos ya sabían que la Tierra es esférica. Solamente tenían que fijarse en la forma de la Luna y del Sol. Hasta Colón lo sabía. Pero tanto los pitagóricos como Aristóteles, Tolomeo o Aquinas eran geocéntricos: situaban la Tierra en el centro del Universo y ajustaban el movimiento de los astros con respecto a una Tierra fija. La revolución copernicana consistió en trasladar el Sol al centro de los movimientos planetarios. El que esto escribe, cuando era un niño, se asombró al conocer que estamos dando vueltas alrededor del eje terrestre, lo que determinaba que hubiese día y noche, mientras describíamos una órbita elíptica alrededor del Sol, lo que determinaba las estaciones climáticas. Más tarde supo que nuestro Sol, una de tantas estrellas, acompañado de su corte de planetas, giraba alrededor de un hipotético centro de la Vía Láctea describiendo una órbita casi circular.

Cuando Einstein publicó, en 1917, su teoría general de la relatividad, se creía que la Vía Láctea era todo el Universo. En la creencia de que el Universo era estático y que las ecuaciones de su teoría predecían su inestabilidad, Einstein introdujo una constante de integración, la llamada constante cosmológica, con la que admitía una fuerza repulsiva, antagónica a la gravedad, de muy baja intensidad a pequeñas distancias y solamente apreciable a distancias grandes. Esa fuerza repulsiva de origen desconocido equilibraba exactamente la atracción gravitatoria de toda la materia en el modelo de Universo cerrado de Einstein.

Edwin Hubble (1889-1953) , astrónomo del observatorio del monte Wilson, descubrió que las nebulosas eran galaxias independientes, al menos tan grandes como la Vía Láctea y también constituidas por numerosísimas estrellas. Además, como las líneas espectrales de la luz que emitían esas nuevas galaxias estaban desplazadas hacia el extremo rojo del espectro electromagnético, se deducía que dichos objetos se estaban alejando de nosotros. Por lo tanto, se empezó a considerar la así llamada ‘fuga de las galaxias’ (excepto Andrómeda, que parece aproximarse porque su luz está desplazada hacia el otro extremo del espectro, el violeta) dando en conjunto una visión de expansión general del Universo. Al tener noticia de la expansión universal, Einstein manifestó que la introducción de la constante había sido el mayor error de su vida. (No obstante, más adelante en el tiempo, la constante se hizo necesaria, y son muchos los científicos que desearían haber cometido un error semejante).

En 1927, el cura matemático belga Georges Lemaître (1894-1966) fue el primero en observar que la expansión del Universo concordaba con las conclusiones cosmológicas de la teoría general de la relatividad y el ruso Alexander Friedmann (1888-1925) demostró que la naturaleza estática del universo de Einstein se debía a un error algebraico. En suma, las ecuaciones de Einstein permitían universos en contracción y en expansión. Friedmann dedujo que, de acuerdo con la teoría general, que suponía una curvatura del espacio-tiempo, el tamaño del universo podía permanecer indefinidamente creciente para una curvatura cero (universo plano) o negativa (universo con forma de silla de montar) o decreciente para una curvatura positiva (universo que se cierra sobre sí mismo y finaliza en una gran contracción – Big Crunch -, rebotando para regenerar un universo algo deferente).

Fue George Gamov (1904-1968), el físico ucraniano nacionalizado estadounidense, el primero el establecer el modelo denominado Big Bang (Gran Explosión) como origen del Universo, un modelo basado en la relatividad general. Pero esta teoría cae en una singularidad en el Big Bang: supone una densidad infinita y un espaciotiempo nulo, es decir, que no es aplicable. La mecánica cuántica salió en auxilio de la relatividad y asignó, para tiempos anteriores al ‘tiempo de Planck’ (una cifra irrisoria equivalente a un tiempo de 10 elevado a menos 43 segundos desde el origen), la acción de las fluctuaciones cuánticas del vacío (de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg).

Origen y evolución del Universo

¿Qué dice la cosmología estándar aceptada mayoritariamente sobre el origen y la evolución del Universo? Sin duda, la comprensión actual del Universo es muy incompleta, pero el desarrollo del grado de conocimiento en los últimos pocos años es impresionante. En principio, considerar el tiempo hacia atrás en un Universo en expansión, supone la existencia de una semilla del Universo no mayor que una fluctuación cuántica del vacío. En una fracción infinitesimal de segundo, el menor intervalo del que podemos hablar (tiempo de Planck), se creó el espaciotiempo y una bola ígnea a una temperatura de cien quintillones de grados. No había partículas y tres fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnética) estaban fusionadas.

Alan Guth (New Jersey, 1947) expuso en 1981 que tuvo lugar un proceso inflacionario (sin necesidad de explosión, por lo que algunos discrepantes lo llamaron el Big Bluff) y, una fracción infinitesimal de segundo después, el espacio del Universo se había expandido billones de trillones de veces, a una velocidad muy superior a la de la luz (ya que era espacio lo que se desplazaba, no materia o energía: las distancias pueden crecer a mayor velocidad que la luz), quizá debido a una repulsión medida por la constante cosmológica, que cuanto mayor es el valor asignado, con más rapidez se infla el espacio. La temperatura descendió cien mil millones de grados, se individualizó la fuerza nuclear fuerte y se formó materia: qwarks, electrones y sus antipartículas, aunque había más qwarks que antiqwarks.

La velocidad de expansión del Universo se ralentizó después de la inflación. Una centésima de segundo después del inicio, los qwarks se unieron formando protones, neutrones y sus antipartículas. La aniquilación entre las partículas y antipartículas condujo a la formación de energía, quedando un exceso de materia sobre antimateria y un enorme exceso de energía sobre la materia. Simultáneamente se separaron las fuerzas electromagnética y nuclear débil. Tres minutos después del Big Bang se unieron protones y neutrones para formar núcleos de hidrógeno y helio. El Universo era opaco. Mucho después, el Universo de 380.000 años de edad se encontraba a una temperatura de 3.000 grados, se formaron átomos de hidrógeno y helio a partir de los núcleos, ya que los fotones no tenían energía suficiente para desalojar a los electrones. El universo se volvió transparente por la separación entre materia y radiación.