1. las fronteras de la ciencia | Y la inflación se hizo |Lo que hubo antes |Si el espacio está arrugado… | Una historia del universo | Un siglo de pioneros Objetivos de la investigación cosmológica Del cero a la eternidad George Ellis, profesor de Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Ciudad del Cabo (Sudáfrica), autor de Before the Beginning (Bowerdean/Marion Boyar, 1993). Ecos del universo primitivo: imagen satelital de vestigios de radiación. Un siglo de pioneros 1905: Albert Einstein formula la teoría de la relatividad. 1912: Ernest Rutherford descubre el núcleo del átomo. 1924: Se establecen las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica. 1929: Edwin Hubble revela que el universo está en expansión. 1950: El astrónomo Fred Hoyle lanza la expresión humorística “Big Bang”, cuyo empleo perdurará. 1965: Descubrimiento del fondo difuso cosmológico (radiación de ondas milimétricas). 1981: Alan Guth presenta la primera versión de la teoría de la inflación cósmica. 2000: Primera prueba experimental del Campo de Higgs —la fuerza que da una masa a las partículas. “Toda la teoría del universo está dirigida a un solo individuo: a ti.” Walt Whitman, poeta estadounidense, 1819-1862 A medida que el universo se fue expandiendo y enfriando se constituyeron gradualmente unidades más grandes y más complejas. Creíamos que la expansión del universo se reducía por la fuerza de gravedad de toda materia, pero en realidad parece irse acelerando. El Big Bang es hoy la explicación científica admitida del nacimiento del universo y de los comienzos de su evolución, pero es mucho aún lo que queda por descubrir.. El objeto de la cosmología es determinar la naturaleza del universo en la mayor escala observable, y explicar así cómo llegó a ser lo que es en la actualidad. Descartada durante mucho tiempo como una empresa fundamentalmente filosófica sin más base que unas raras observaciones esporádicas, esta rama de la ciencia ha experimentado una extraordinaria transformación en los últimos cincuenta años, convirtiéndose en un conjunto impresionante de conocimientos sobre el universo, rico en datos y vinculado con los últimos adelantos de la física nuclear y de partículas. En primer lugar, esta disciplina se vale de los más sofisticados instrumentos, a fin de amplificar y analizar la radiación1 increíblemente débil que nos llega de la materia muy distante. Ahora es posible observar hasta distancias casi inconcebibles el diámetro aparente, la intensidad de la radiación y el número de galaxias lejanas y de cuásares. Cuando se conjugan estos datos con las teorías de la física –las leyes matemáticas que indican el comportamiento de la materia y la radiación– el resultado es algo que hace un siglo pocos científicos habrían creído posible: un “modelo físico uniforme” de cosmología, suficientemente completo como para retrotraernos hasta los primerísimos segundos de la existencia del universo, en los que se formaron los núcleos atómicos. Menos definida y más especulativa, es una ciencia que promete llevarnos aún más lejos, posiblemente hasta el umbral mismo de la creación. La estructura básica del universo visible en su mayor escala se entiende ya bien: hay enormes extensiones de espacio vacío pobladas con más o menos uniformidad por conjuntos de galaxias, cada una de las cuales es una configuración dinámica de unos 100.000 millones de estrellas separadas por polvo y gases. Además, se conoce el movimiento fundamental del cosmos: una expansión uniforme de esos conjuntos de galaxias, con distancias entre ellos que no cesan de aumentar también en todas direcciones. Si extrapolamos este movimiento hacia atrás en el tiempo, obtenemos una densidad y una temperatura cada vez más elevadas de la materia y la radiación que, en un momento dado del pasado remoto –en condiciones de calor extremas– estaban estrechamente unidas. Las estimaciones sobre el momento en que se originó apuntan a hace 10.000 millones de años. Dadas las increíbles temperaturas (más de mil millones de grados centígrados) de esta fase inicial, la materia sólo existía en forma de partículas sumamente elementales, en equilibrio con la radiación. Era imposible que estructuras complejas sobrevivieran al bombardeo de rayos con tal calor. Pero a medida que el universo se fue expandiendo y enfriando se constituyeron gradualmente unidades más grandes y más complejas: para empezar, en los primerísimos segundos del cosmos, protones y neutrones se formaron a partir de quarks, que figuran entre las unidades de materia más primitivas cuya existencia se conoce. Luego, sólo unos minutos después del comienzo del universo, protones y neutrones pudieron combinarse para formar núcleos atómicos ligeros, un proceso conocido como nucleosíntesis. Unos 300.000 años más tarde se constituyeron átomos completos a partir de esos núcleos y electrones, un episodio denominado recombinación. Fue entonces cuando la radiación, hasta entonces atrapada por electrones flotantes, pudo separarse (o desacoplarse) de la materia y circular libremente durante miles de millones de años-luz, enfriándose durante todo ese tiempo debido a la expansión del universo: de una temperatura de unos 3.000 grados Kelvin en el momento de la emisión, bajó a 2,75 grados Kelvin (–270 grados centígrados). Esta radiación, conocida como fondo difuso cosmológico, nos brinda el mejor mapa de que disponemos actualmente sobre los momentos iniciales del universo. Una vez constituidos átomos completos –de hidrógeno y helio, fundamentalmente– la gravitación pudo concentrar la materia para formar la primera generación de estrellas; éstas se agruparon en galaxias, que a su vez se reunieron en conjuntos de galaxias. Algunas estrellas de la primera generación desaparecieron en explosiones masivas de supernovas, esparciendo en el espacio los elementos de vida orgánica constituidos en su interior por reacciones nucleares sucesivas. Las nubes de polvo resultantes fueron la cuna de las estrellas de segunda generación, rodeadas de planetas, en las que las moléculas orgánicas pudieron finalmente encontrar medios hospitalarios para engendrar las primeras células vivas y dar origen así a seres vivos complejos (ver también p. 26-27). Existen varias razones esenciales para dar crédito a esta visión de la historia de nuestro universo. Así pues, la comunidad científica ha dado por buena esta historia del cosmos. Tenemos pruebas palpables de que el universo emergió a gran velocidad de una bola de fuego inicial, aunque lo remoto que resulta este fenómeno –y la inmensidad del espacio– deja evidentemente una infinidad de incógnitas sin resolver, en especial cuando tratamos de entender sus orígenes. Ahora bien, las observaciones recientes han precisado muchos detalles sobre la estructura y la historia del cosmos. Hemos logrado evaluar la cantidad de materia presente en el universo, en especial estudiando los movimientos de las galaxias y sus conjuntos. A partir de esas cifras, hemos deducido la presencia de gran cantidad de una misteriosa “materia oscura”, materia que no puede detectarse por una radiación emitida como la luz, por la sencilla razón de que no brilla. La composición de esa materia oscura es totalmente diferente de la de la materia ordinaria. También hemos logrado evaluar mucho mejor que antes la distancia de las galaxias muy lejanas, en especial observando en ellas las explosiones de supernovas y midiendo el debilitamiento de la luz debido a la agonía de esas estrellas calcinadas. Ello nos llevó a otro descubrimiento inesperado. Creíamos que la expansión del universo se reducía por la fuerza de gravedad de toda materia, pero en realidad parece irse acelerando. Cabe atribuir este fenómeno a una forma de energía oscura que, a diferencia de la materia oscura antes mencionada, actúa como un campo de gravitación negativo, impulsando a toda la materia a alejarse aún más deprisa. Así pues, parece ahora claro que el universo va a expandirse indefinidamente. Las teorías sobre el nacimiento de las galaxias y los conjuntos de galaxias dieron lugar también a una intensa investigación. Así, hemos logrado representarnos en términos generales la aparición de las estructuras de gran tamaño a partir de pequeñas variaciones de la densidad en el universo primitivo. Pero estas conclusiones dejan pendiente una pregunta importante: ¿Cómo explicar que el universo sea tan homogéneo (es decir, uniforme) en todas direcciones, cuando contiene también las mínimas diferencias de densidad que fueron el germen de las futuras galaxias? El concepto esencial de inflación –periodo de expansión sumamente rápida, que se fue acelerando, en la primerísima fracción de segundo de la vida del universo– posiblemente explique ambas características. Una expansión tan prodigiosa tuvo en primer lugar que dejar el espacio totalmente liso, antes de que las fluctuaciones cuánticas2 de esta fuerza inicial crearan áreas de densidades marginalmente distintas. Es posible que la expansión, en sus fases de inflación primero, y de desaceleración después, haya propagado esas variaciones insignificantes a regiones de las dimensiones de los conjuntos de galaxias. Y ulteriormente la fuerza de gravedad atrajo la materia durante miles de millones de años hacia las estrellas y galaxias que ahora nos son familiares. Por último, algunos estudios en curso sobre los espectros distantes abren vías muy interesantes, pues sugieren que la naturaleza misma de la física podría ser diferente a grandes distancias, en las zonas cuya radiación recibimos miles de millones de años después de su emisión. ¿Es posible que las constantes de la naturaleza varíen con el tiempo? Si así fuera, se trataría de un descubrimiento de trascendental importancia. Es seguro que en los años y decenios venideros aumentarán considerablemente la cantidad y la calidad de las observaciones cósmicas, permitiendo un progreso que nos ayudará a definir el modelo que corresponde mejor a nuestra región observable del universo. Pero incluso una vez elaborado este modelo, numerosos enigmas quedarán por resolver. ¿Cómo relacionar lo que sabemos de la gravitación cuántica3, en especial, la creación del universo, con la teoría cosmológica? ¿Y si las leyes de la naturaleza no fueran las mismas en el universo inicial? ¿Cuán frecuente es la vida en el universo? ¿Podría crearse de otra manera un universo que permitiera la vida inteligente? Queda así establecido el marco de reflexión sobre los principales problemas filosóficos en el contexto de la unicidad del cosmos. La ciencia por sí sola nunca logrará resolver estas cuestiones, pero podrá en todo caso señalar con más claridad las bases físicas sobre las que se plantean. 1. La radiación es la corriente de energía que atraviesa partículas subatómicas. Este término abarca las ondas radiofónicas, las microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos X y los rayos gamma. 2. Según la mecánica cuántica –la ciencia de la energía y las partículas a niveles subatómicos– las ondas de energía tienden a fluctuar de manera aleatoria. 3. La gravitación cuántica es la teoría, hasta ahora desconocida, del funcionamiento de la gravitación a nivel cuántico. Se estima que operaba en el momento de la creación del universo. Objetivos de la investigación cosmológica ¿Cuáles son los grandes problemas que quedan por resolver? En primer lugar, quisiéramos saber más sobre la geometría del universo, dentro como fuera de la zona observable. En gran escala, esta región parece sumamente simple, puesto que es espacialmente homogénea e isótropa (de igual apariencia en todas direcciones). Pero sus grandes parámetros sólo son conocidos de manera aproximada. El margen de incertidumbre de nuestras estimaciones sobre la edad del universo es de alrededor de 20%. Es necesario que sean más precisas, así como las de la “energía oscura” que provoca su expansión acelerada. Nos preguntamos también si hay secciones del espacio encerradas en sí mismas y si, en ese caso, la magnitud de este fenómeno es tal que vivimos en un “pequeño universo” en el que vemos múltiples reflejos de las mismas galaxias (ver pp.24-25). En segundo lugar, nos interesa saber de qué está hecho el universo: ignoramos qué tipo de materia compone su densidad y en qué consiste la fuerza que provoca su expansión. Ahondar en el conocimiento de esos aspectos nos ayudará a saber por qué surgieron las grandes estructuras en el universo. En tercer lugar, deseamos entender mejor el universo de los primerísimos instantes. ¿Qué desencadenó la potente expansión cósmica? ¿Qué la precedió? ¿Cuáles fueron las características de la creación? ¿Existen hipótesis al margen de la creación? Hay una multiplicidad de tesis opuestas; todas muy difíciles de probar. Para avanzar tenemos que profundizar al máximo nuestro conocimiento de la física de las partículas, a fin de realizar experimentos sobre las interacciones presentes en el momento de la creación e inmediatamente después. Pero, por mucho que los llevemos adelante, nunca podremos lograr los niveles de energía necesarios para descifrar experimentalmente los secretos de la gravitación cuántica. Así pues, no todo es demostrable en las leyes que rigen el análisis cosmológico de la creación. Nuestra tarea es elaborar una teoría física coherente, que sea confirmada por los experimentos. En cuarto lugar, ¿cómo vincular la teoría y la observación en el contexto excepcional de una ciencia que tiene un solo objeto de estudio: el universo existente? En este caso, no contamos con ningún análisis de los límites de la prueba científica. La idea de un “conjunto de universos” (un “multiverso”) podría ayudarnos a superar este obstáculo.