Teorías del origen del universo



En este artículo vamos a explicar todas las teorías científicas actuales sobre el origen del universo.

EL BIG BANG: LA GRAN EXPLOSIÓN

La mayoría de los físicos y astrónomos de la actualidad está convencida de que la teoría de la Gran Explosión es esencialmente correcta.

Las pruebas más fuertes aparte de la expansión misma del Universo, son la radiación de fondo y la abundancia del helio primordial. Estos dos descubrimientos, recientes, inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosión. Hay que insistir en que esta teoría no es un dogma —nadie pretende que lo sea—, sino una explicación simple y natural de varios hechos observacionales que, de otra forma, no pueden comprenderse y, mucho menos, relacionarse entre sí.

Por otra parte, la objeción más seria a la teoría de la Gran Explosión era que la edad del Universo, deducida de los datos de Hubble, resultaba incómodamente corta, pues no excedía la edad de la Tierra calculada por métodos geológicos; pero este escollo fue superado cuando, en los años cincuentas, se revisaron todos los datos observacionales y se encontró que la expansión del Universo era más lenta que la estimada por Hubble y, por lo tanto, la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba.

En cuanto al aspecto teórico, se puede cuestionar la validez de la Relatividad General, sobre la cual está basada la teoría de la Gran Explosión. Nadie duda de que la mecánica de Newton tiene limitaciones, pero se han propuesto otras teorías gravitacionales que también la generalizan.

Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cuál teoría gravitacional es la correcta; hasta ahora, la de Einstein ha pasado todas las pruebas, mientras que otras teorías se han enfrentado a serias dificultades.

Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada más allá de toda duda.

En todo caso, el gran mérito de esta teoría es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos, que la distinguen de teorías rivales; si la estética tiene algún valor en las leyes de la naturaleza, entonces podemos confiar en la Relatividad General.

Para no ser parciales, vamos a citar a continuación algunas de las teorías cosmológicas rivales de la Gran Explosión; señalando, cuando así sea el caso, las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente. Algunas de estas teorías proponen premisas totalmente distintas de la teoría de la Gran Explosión, mientras que otras son variaciones sobre este tema.

LA TEORÍA DEL ESTADO ESTACIONARIO

Aquellos que rehúsan aceptar que el Universo tuvo un principio, pueden encontrar una opción satisfactoria en la teoría del estado estacionario.

Según ésta, el Universo no sólo es uniforme en el espacio, sino también en el tiempo; así como, a gran escala, una región del Universo es semejante a otra, del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier época, ya que el Universo existe desde tiempos infinitos.

Pero ¿Cómo reconciliar la expansión del Universo con su apariencia eterna?

Si se expande, su densidad debe de disminuir al paso del tiempo. La hipótesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada, con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansión.

Para ello, es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kilómetro cúbico cada año, masa que equivale a apenas un átomo de hidrógeno.

Evidentemente, queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe. Por otra parte, la teoría no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio; podría ser que nace en regiones muy específicas, como por ejemplo en los núcleos de las galaxias, donde ocurren fenómenos muy extraños, como veremos en el capítulo X.

La teoría del estado estacionario perdió su popularidad cuando se descubrió la radiación de fondo, ya que no la explica de manera natural, en contraste con la teoría de la Gran Explosión.

Además, la suposición de que se crea masa, y justamente en la proporción necesaria para mantener constante la densidad del Universo, es totalmente ad hoc y no está sustentada en ninguna teoría física o hecho observado.

LA HIPÓTESIS DEL FOTÓN CANSADO

Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las líneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler: ésta es la única explicación en el de la física contemporánea.

Sin embargo, no puede excluirse la posibilidad de que algún fenómeno desconocido, y no la recesión de las galaxias, sea la causa del corrimento.

El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto.

Siempre tuvo cuidado de señalar que el corrimiento al rojo se debe, probablemente, al efecto Doppler, pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori.

La aprehensión de Hubble se debía a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra. Cuando esta aparente contradicción se resolvió, cobró nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros.

Si no se acepta que el Universo está en expansión, sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia, sólo se puede postular que los fotones pierden energía —”se cansan”— al atravesar las distancias cósmicas, por lo que nos llegan con menos energía de la que disponían al iniciar su travesía —o sea, corridos hacia el rojo—.




Empero, nuestros conocimientos de la física no aportan ningún sustento a esta hipótesis. Un fotón no puede perder energía a menos de que choque con otra partícula, pero esto provoca también que la trayectoria del fotón se desvíe.

Después de un gran número de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desvían aleatoriamente, volviendo borrosa la imagen.

Sin embargo, nada de esto sucede con las galaxias: sus imágenes son nítidas, sus líneas espectrales están claramente localizadas, y los objetos cósmicos más lejanos no se ven como manchas borrosas.

La única otra circunstancia que se conoce en la que un fotón pierde energía es cuando tiene que escapar de la atracción gravitacional de un cuerpo masivo.

Sin embargo, se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las líneas espectrales se ensanchen notablemente, lo cual no se ha detectado. Además, una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensión, mientras que su masa está concentrada en su núcleo y, por lo tanto, su atracción gravitacional es más intensa allí.

¿ES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIÓN?

¿De qué orden de magnitud es el tiempo característico de los procesos atómicos?

Si combinamos la carga q de un electrón con su masa m y la velocidad de la luz c, podemos formar la cantidad q2/mc3 que tiene unidades de tiempo: equivale a unos 10-23 segundos; y es la unidad de tiempo más apropiada para describir los fenómenos atómicos.

Si medimos la edad del Universo en esa unidad atómica obtenemos, evidentemente, un número inmenso: aproximadamente 10 40.

No habría nada de qué sorprendernos si no fuera por una curiosa coincidencia. Hemos visto que la fuerza eléctrica entre un protón y un electrón es unas 1040 veces: más intensa que la gravitacional

¿Es una casualidad que este número también sea, aproximadamente, la edad del Universo medida en unidades atómicas?

No hay ninguna respuesta obvia; podría ser una casualidad, sin ninguna consecuencia, como podría ser la clave de un problema cosmológico fundamental.

Hace algunas décadas, el físico británico Dirac formuló la hipótesis de que, la constante de la gravitación G no es en realidad constante sino que disminuye con el tiempo, por lo que la fuerza gravitacional en el pasado era más intensa.

Según Dirac, la fuerza electromagnética y la gravitacional entre un protón y un electrón tenían la misma intensidad cuando nació el Universo, pero la “constante” gravitacional fue disminuyendo proporcionalmente con el tiempo; en el presente, es 1040 veces más pequeña que en el “principio”, porque han transcurrido 1040 unidades atómicas de tiempo.

La conjetura de Dirac ha inspirado diversas teorías gravitacionales y cosmológicas. La única manera segura de comprobarlas o refutarlas es medir directamente una posible variación de G. Por ejemplo, si la gravitación disminuye con el tiempo, la Tierra debería de inflarse lentamente, lo cual tendría implicaciones geológicas que merecen estudiarse. Asimismo, la Luna se encontraría más cercana a la Tierra en el pasado y el mes lunar habría sido más corto. A de estas consideraciones, se ha podido establecer que G no varía con el tiempo en más de una parte en 1010cada año —que corresponde a la precisión de las mediciones— pero la hipótesis de Dirac predice una variación aún menor, por lo que todavía no se puede afirmar nada definitivo sobre la constancia de G.

En cuanto al Universo, una fuerza gravitacional más intensa en el pasado habría afectado la expansión inicial, y esto, a su vez, modificado la producción de helio primordial.

Desgraciadamente, las teorías con G variable que han hasta ahora no son lo suficientemente precisas para predecir una abundancia específica de helio u otros elementos, por lo que aún no se puede afirmar algo sobre la variación de G con base en la síntesis de los elementos primordiales.

EL UNIVERSO DE MATERIA Y ANTIMATERIA

Cuando miramos el cielo y vemos estrellas y galaxias, ¿podemos estar seguros de que están hechos de materia y no de antimateria?

Una respuesta rigurosa sería negativa: las propiedades de la materia y la antimateria son las mismas, excepto por un cambio global del signo de las cargas (y la pequeña asimetría que ya mencionamos, pero que no tiene importancia para las consideraciones que siguen).

Un antiátomo estaría formado por un núcleo (de carga negativa) de antiprotones y antineutrones, rodeado de positrones (de carga positiva); pero la luz emitida por tal antiátomo —y particularmente el espectro— sería idéntico a la emitida por un átomo normal.

Por ello resulta imposible determinar si un objeto que se ve a lo lejos, en el espacio, está constituido de materia o antimateria, ya que el único conocimiento que tenemos de él es a través de la luz que nos manda. Quizás la galaxia de Andrómeda está hecha de antimateria.

Y quizás algunas de las estrellas que vemos en nuestra galaxia son “antiestrellas”.

La única manera de confirmarlo directamente es enviarles una sonda espacial y ver si, al contacto con ellas, se aniquila íntegramente.

Sin embargo, no todo lo posible es real, y no hay ninguna razón perentoria de que la antimateria sea tan abundante como la materia.

Muy por el contrario, el hecho de que el Universo esté en expansión y que, por lo tanto, su densidad de masa haya sido alta en el pasado remoto, descarta la posibilidad de que parte de la antimateria haya podido evitar el contacto con la materia y se haya salvado de la aniquilación (cuando la temperatura cósmica bajó a 109 grados Kelvin).

En síntesis, una abundancia comparable de materia y antimateria es incompatible con la teoría de la Gran Explosión.

Otra dificultad es que si las nubes interestelares fueran parcialmente de antimateria, se estarían aniquilando y producirían un flujo continuo de rayos .

Los satélites artificiales diseñados especialmente para estudiar rayos cósmicos no han detectado nada que pueda corresponder a tal proceso.

Si existen antiestrellas o antigalaxias en el Universo, podrían, ocasionalmente, entrar en contacto con estrellas o galaxias de materia y producir explosiones catastróficas.

Algunos físicos han sugerido que éste es el origen de la actividad en los núcleos galácticos y en los cuásares.

Por lo que respecta a la vida organizada, esperemos que si existen seres de antimateria en algún lugar del Universo, no tengan la ocurrencia de visitarnos, pues las consecuencias serían fatales para ambos.











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