Teoría del big bang - Introducción

De Filosofia de las Ciencias
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(* Tomado de Las raíces y los frutos. Flichman, Miguel, Paruelo y Pissinis (eds.) CCC-Educando. Bs. As. 1999)


Las ideas cosmológicas actuales siguen reproduciendo la polémica acerca de si el universo existió siempre o si tuvo un comienzo. Una minoría de astrónomos adhiere a idea de que el universo es eterno y, en algún sentido, invariable, ideas que están plasmadas en la teoría del Universo Estacionario. En cambio la mayoría de los científicos se inclinan por la idea de que el Universo tuvo un comienzo en un instante dado. Se trata de la teoría del big bang. Este comienzo ya no se liga con ninguna idea a favor ni en contra de cualquier tradición de un ser creador. La teoría no se expide sobre tal tema. La teoría del big bang (Gran Explosión) sostiene que el Universo debe haber comenzado, y con él el tiempo y el espacio, hace alrededor de 15.000 millones de años sin agregar ninguna hipótesis sobre la existencia de un creador.

La teoría del "big bang"

Pero, ¿a partir de cuáles observaciones los científicos optaron por una idea tan particular como la de que el Universo se creó "explotando" en aquel instante? En 1929, el investigador Edwin Hubble (astrónomo estadounidense) había sugerido que el Universo estaba en expansión: "hacia donde miremos las galaxias más distantes se están alejando de nosotros". Las observaciones con las que contamos hasta el momento confirman que el alejamiento mutuo de las galaxias es más pronunciado cuanto mas separadas están estas galaxias. Esto tiene el aspecto del resultado de una explosión del pasado y de allí el nombre de la teoría. Sin embargo los detalles que son necesarios suponer para dar cuenta de tales observaciones incluyen varios aspectos poco intuitivos. Para comenzar no parece que fueran las galaxias que se alejaran viajando por el espacio sino que es el espacio mismo el que se expande y con ello da lugar al alejamiento observado. Algo así como se alejarían las pintitas de un globo de lunares a medida que lo inflamos.

A partir de estas consideraciones parece intuitivo querer "rodar la película hacia atrás" y calcular en que momento todo el Universo estaba concentrado en un punto. En ese momento debe haber comenzado todo a partir de una explosión. Pero en esa explosión también comenzó el tiempo, de modo que no tiene ningún sentido preguntarse sobre lo que hubo antes del Big Bang como no tiene sentido preguntarse que hay al sur del polo sur ya que cualquiera que sea el movimiento que hagamos sobre la superficie de la Tierra en el Polo Sur estaremos moviéndonos en dirección hacia el norte.

Igualmente cualquier intervalo de tiempo que podamos imaginarnos respecto del instante del Big Bang deberá ser de ese instante en adelante.

Ahora bien, si toda la energía del universo actual alguna vez estuvo concentrada de tal manera, los científicos creen que la forma en que se manifestaba tal energía no debía ser tal como se presenta ahora en forma de partículas y radiación sino que solo podría haber habido radiación. A medida que el espacio se expandía, la energía se "desparramaba" de modo que su densidad disminuía. Habrá llegado un momento en que la energía por unidad de volumen era suficientemente baja como para que las partículas y antipartículas que se formaran a partir de esa energía, no se volvieran a transformar en radiación. En ese momento las partículas comenzaron a ser estables. Dicho de otro modo, los choques entre fotones crearon partículas, y estas partículas chocaban con menos energía de la necesaria para desintegrarse en fotones. De este modo una vez creadas las partículas, parte sustancial de ellas permaneció sin transformarse en radiación. Sin embargo aquella época prolífica de creación de partículas no duró para siempre. El espacio siguió expandiéndose y con ello la energía por unidad de volumen siguió bajando, la temperatura siguió bajando. Esto significó que los choques entre fotones ya no fueron tan energéticos y entonces ya no se crearon tantas partículas como antes. El Universo había obtenido un equilibrio entre la radiación existente y las partículas que de ella habían surgido.

Con la aparición de las partículas se hizo más evidente la fuerza de atracción gravitatoria. Esto provocó que las partículas se fueran agrupando en grandes nubes y a su vez que esas nubes siguieran compactándose por la fuerza atractiva hasta formar galaxias y estrellas. También esa fuerza de atracción hace que las distintas partes masivas del Universo se atraigan de modo que se reduzca en parte el efecto expansivo del espacio. La pregunta que la ciencia se hace todavía es si la atracción gravitatoria podrá reunir nuevamente toda la masa colapsando hacia un punto o la expansión no tendrá freno y los cuerpos se alejarán unos de otros indefinidamente hasta no interaccionar nunca más.

La radiación de fondo cósmico

El haber observado el alejamiento de las galaxias como lo describimos anteriormente dio pie a la conjetura de un universo en expansión. Pero el hecho de que supusiéramos una gran explosión en sus comienzos no había sido corroborado por ninguna otra observación independiente de tal alejamiento. En 1964, los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson detectaron (sin buscarlo) una radiación cuya intensidad y frecuencia no tenía variación respecto de la zona del espacio que escudriñaran. Esta radiación de fondo fue interpretada rápidamente como la radiación remanente de aquella supuesta explosión y se la conoce con el nombre de "radiación de fondo cósmico". Ahora una nueva evidencia fortalecía la hipótesis del Big Bang. El Universo había continuado su expansión y con ello la temperatura seguía bajando. Era de esperar que el Universo tuviera una radiación típica de la temperatura a la que había llegado en esta época y esa era la radiación de fondo. Así como una brasa ardiente irradia calor, el Universo ya bastante enfriado irradia en la frecuencia que Penzias y Wilson detectaron. El Universo irradia en una frecuencia típica de los cuerpos que se encuentran a 270 grados centígrados bajo cero. Esto solo quiere decir que así como el Sol irradia en frecuencias que nos indican temperaturas de miles de grados, el Universo contiene radiación en frecuencias e intensidades tales que corresponderían a esas temperaturas tan bajas.

Cuando se propuso la idea de que toda la energía estaba concentrada en un punto en el momento de la explosión y que el espacio comenzó a expandirse de forma homogénea, apareció uno de los obstáculos para la teoría del Big Bang. ¿Cómo podría el espacio expandirse de forma homogénea y a su vez dar como resultado que en algunas zonas hubiera galaxias y en otras no? Debía haber alguna inhomogeneidad desde el comienzo. Pero la radiación del fondo cósmico parecía ser estrictamente constante no importando a que zona del espacio apuntáramos los radiotelescopios. Con la intención de investigar en forma más detallada esta radiación, se creó un satélite especialmente diseñado para analizar tales frecuencias. En marzo de 1992, el COBE (Cosmic Background Explorer: Explorador del fondo cósmico) registro y envió a Tierra numerosas informaciones y datos de microondas que confirman la idea de que hubo pequeñas inhomogeneidades desde tiempos remotos y que estas diferencias mínimas pudieron dar lugar a que hubiera zonas con materia y zonas sin materia. Este descubrimiento resolvió una de las dificultades que había enfrentado la teoría, y al hacerlo dio un nuevo impulso a la misma.

Efecto doppler y la "observación" del alejamiento de las galaxias

Cuando una fuente de sonido se acerca al observador, éste percibe un sonido levemente más agudo que el que percibiría si la fuente estuviera en reposo. Si en cambio la fuente de sonido se aleja de él, el efecto será que el sonido parece más grave. Este efecto nos es familiar ya que lo hemos notado en distintas ocasiones pero sin describirlo detalladamente. Son ejemplos de este efecto del sonido la variación (en frecuencia) en el sonido del motor de un auto de carrera cuando pasa frente a nosotros (o frente a la cámara de TV); el sonido del silbato del tren que parece más agudo cuando viene que cuando se va; el sonido de los aviones que se acercan y luego de pasar cerca nuestro se alejan y el sonido de las sirenas de las ambulancias.

Este "efecto Doppler" se podría resumir en que el sonido parece más agudo si la fuente emisora se acerca y más grave, si se aleja. Pero más agudo o más grave respecto del sonido de la fuente emisora en reposo. Podríamos decir que el sonido presenta un `corrimiento' de frecuencias: hacia el agudo en el primer caso o hacia el grave en el segundo.

Cuando se analiza la luz que proviene de las galaxias lejanas se encuentra que su frecuencia no coincide con la esperada sino que presenta un corrimiento hacia frecuencias menores. Esto se interpreta, como lo hacíamos en el caso del sonido, como un alejamiento de la fuente de emisión. De allí la sugerencia de Hubble de que las galaxias se alejan unas de otras ya que todas las galaxias lejanas estudiadas presentan este corrimiento hacia frecuencias menores. Tales observaciones no deben interpretarse como si nuestra galaxia estuviera en el centro de la expansión ya que los distintos cálculos de las velocidades junto con la teoría física actual indican que desde cualquier galaxia se observaría que las demás se alejan de ella. De allí la hipótesis de la expansión del universo.

Como las frecuencias más bajas del espectro visible corresponden al color rojo, éste efecto que presentan las galaxias lejanas (de que su luz presenta una frecuencia menor que la esperada) se ha llamado "corrimiento al rojo".

Podríamos decir que todas las galaxias lejanas investigadas mostraron corrimiento al rojo y que esto indica (nos hace suponer) que se alejan de nosotros.


El universo estacionario

Son pocos los científicos que se inclinan a favor del modelo de Universo Estacionario. Este modelo describe un universo en expansión continua tal cual la que se infiere a partir del alejamiento de las galaxias, pero con la particularidad de que la densidad de partículas del Universo permanece constante. Esto significa que al expandirse el espacio se deberán crear partículas de modo de mantenerse la cantidad de materia por unidad de volumen (en forma global). Según este modelo, el Universo se expandiría y a la vez se crearía materia de modo que una zona del espacio siempre presentaría el mismo aspecto no importa en que época nos fijáramos. Con ello se puede sostener la idea de que el Universo no fue creado ni que apareció en algún instante. No tiene sentido en este modelo descriptivo preguntarse a partir de cuándo existe el Universo. Este existió siempre y siempre existirá con el mismo aspecto: expansión y creación de partículas en el vacío de modo que se mantenga constante la densidad de aquéllas.

El modelo estacionario da perfecta cuenta del alejamiento de las galaxias pero tuvo que enfrentar una acomodación al descubrirse la radiación de fondo que corroboraba fuertemente la teoría del Big Bang. Esta acomodación consistió en sugerir que tal radiación podía provenir de las nubes de polvo existentes en el Universo que absorberían la radiación de las estrellas y la reemitirían en la frecuencia observada del fondo cósmico. Sin embargo no queda explicado totalmente el hecho de que la radiación de fondo no varía en las distintas direcciones de observación.

De este modo la teoría del universo estacionario sobrevivió al descubrimiento de Penzias y Wilson pero no sin ajustes.

Asistimos ahora a otra fuerte confirmación de la teoría del Big Bang como lo es el descubrimiento de las irregularidades que dieron lugar a que el Universo fuera inhomogéneo. Los defensores del modelo de universo estacionario deberán ahora ajustar nuevamente su teoría si quieren sostenerla y a la vez dar cuenta de estas nuevas evidencias.

Una característica importante de este último descubrimiento es que los defensores de la teoría del Big Bang habían anticipado que de ser correcta la teoría deberían encontrarse tales inhomogeneidades en la radiación de fondo, mientras que tales rasgos no se desprendían de la teoría del modelo estacionario. De este modo, al obtener los resultados predichos, la teoría del Big Bang obtiene credibilidad mientras que los arreglos que sufra la teoría del universo estacionario hacen que su credibilidad descienda.

La teoría del Big Bang cuenta con el apoyo de la comunidad científica. Ahora quedan por investigar los aspectos que se derivan de tal teoría como son si el Universo seguirá en expansión indefinidamente o se volverá a aglomerar la energía en un punto, cuáles fueron las condiciones por las que se formaron las inhomogeneidades desde los albores de la expansión, y tantas otras implicancias que la teoría nos presenta.

Hemos recorrido un largo camino desde que en la antigüedad se pensaba al Universo con un tamaño finito y fijo, sin vacío, sin expansión, sin comienzo ni fin y con un movimiento eterno. En cada etapa de ese camino creíamos haber dado con la teoría adecuada. La aventura de la ciencia es no saber cuál es el camino que todavía nos queda por recorrer en el conocimiento de nuestro universo.