Origen del universo – Cap 1: La teoría del Big-Bang (en su concepción inicial)

Cuando Albert Einstein formuló en 1915 su teoría general de la relatividad nadie imaginó los profundos cambios que introduciría en nuestro entendimiento del universo.

Por más de 2 siglos, la fisica newtoniana fue la mejor descripción de nuestro universo. Y aun hoy, 300 años después, sigue usándose como una buena aproximación en la mayoría de los cálculos relacionados con movimientos. Es la física que nos enseñan en la secundaria y en la universidad. Sin embargo, hoy sabemos que no es correcta. Existen varios fenómenos que no puede ser correctamente explicados sin la teoría general de la relatividad. Por ejemplo, el sistema de posición global (GPS) no funcionaría si no conociéramos y entendiéramos la física relativista.

La relatividad de Einstein, respondió una serie de preguntas sin respuesta hasta ese momento: que es la fuerza de gravedad? Como se transmite de un cuerpo a otro? Se transmite instantáneamente?

La teoría general de la relatividad postula que la fuerza de gravedad es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. Toda masa deforma la geometría del espacio tiempo que se encuentra a su alrededor y cualquier otra masa que se mueva por ese espacio-tiempo curvado, seguirá una trayectoria curva. Esto es lo que genera a la fuerza de gravedad.

Y su acción no es instantánea, como se creía. Si el sol desapareciera en este momento, su atracción gravitatoria, al igual que su luz, nos seguiría llegando durante los próximos 8 minutos.

Recientes experimentos realizados por las NASA han confirmado la curvatura del espacio-tiempo en las proximidades de la Tierra. http://ciencia.nasa.gov/ciencias-especiales/04may_epic/

Einstein, indirectamente, fue el padre de la cosmología moderna. Inmediatamente, aplicó sus ecuaciones a un modelo cosmológico. Pero los resultados que obtuvo indicaban que el universo no era estático como él y la mayoría de la comunidad científica creían en aquel momento.

Con el objeto de forzar sus ecuaciones a generar una solución que permitiera un universo estático, Einstein introdujo su famosa “constante cosmológica” que es tristemente célebre por ser considerada por el mismo como el peor error de su carrera. Sin embargo, la constante cosmológica, no era un agregado arbitrario a una teoría elegante, como muchos creen. Todo lo contrario, la constante cosmológica es, de hecho, una parte importante de la teoría de la relatividad, que Einstein simplemente ignoró, en la concepción original de su teoría. Muchos años después, la comunidad científica volvió a traer este concepto a la mesa de discusión, como veremos en otro momento.

La constante cosmológica representa la energía del espacio vacío. En su teoría original simplemente consideró que la energía del vacío era cero. Cuando quiso corregir los resultados que derivaban de sus ecuaciones, asignó a la constante cosmológica un valor positivo y adecuado para que el universo sea estático, como él quería. Este fue su “gran error”, pues como se demostró luego, el universo no es estático.

Mientras Einstein se dedicaba a modificar su propia teoría para que diera los resultados que él intuía correctos, otros científicos, se tomaron en serio el trabajo original del genio alemán. El primero de ellos fue el matemático ruso Alexander Friedmann, quien usando las ecuaciones formuladas por Einstein desarrolló, en 1921, un modelo que predecía un universo en constante movimiento. Luego, en 1927, el astrofísico belga, Georges Lamaître, profundizó y perfeccionó el trabajo de Freidmann, logrando esta vez, convencer a buena parte de la comunidad científica (incluido Einstein) de que el modelo era correcto.

Fi nalmente en 1929, el astrónomo norteamericano, Edwin Hubble, realizó, el descubrimiento astronómico más importante del siglo XX al confirmar que el universo efectivamente se está expandiendo, al medir la velocidad de alejamiento de varias galaxias.

Los modelos cosmológicos de Friedmann-Lamaître son la base de la mundialmente famosa “Teoría del Big Bang”, aunque no recibió este nombre sino hasta 1949 (20 años después). Curiosamente, el nombre de “Big Bang” fue usado por primera vez (y en tono despectivo), por el astrofísico inglés Fred Hoyle, uno de los principales detractores de la misma y defensor de la teoría alternativa llamada “teoría del estado estacionario”, que luego se demostró que era incorrecta.

Luego de la confirmación de Edwin Hubble, en 1929, de que el universo de está expandiendo surgieron varias teorías explicativas. La más prometedora fue la famosa teoría del Big Bang.

Hubble descubrió que las galaxias se están alejando unas de otras. Además, las galaxias más lejanas lo hacen más rápidamente que las cercanas.
Si el universo se está expandiendo significa que en el pasado fue más pequeño y las galaxias estaban más próximas unas de otras. Esto llevo a algunos cosmólogos a razonar que debió haber un tiempo en el pasado en donde toda la materia del universo se encontraba concentrada en un punto de tamaño microscópico, de altísima temperatura y densidad, que simplemente “exploto” dando origen al espacio y al tiempo. Luego de muchos años de expansión, el universo adquirió el tamaño que hoy tiene.

Midiendo como variaba la velocidad de alejamiento de las galaxias en función de su distancia, Hubble, logró determinar la edad del universo. En aquel momento, la falta de precisión de sus mediciones arrojó un valor incorrecto, incluso menor a la edad de la Tierra, que ya se conocía mediante las pruebas de carbono 14. Hoy en día, nuestra mejor medición, asigna una edad del universo de 13800 millones de años.

Grandes esfuerzos se realizaron durante las décadas siguientes para explicar cómo evolucionó el universo luego de la gran explosión, en particular durante las fases iniciales. El cosmólogo norteamericano Ralph Alpher junto con su tutor, el eminente cosmólogo soviético, George Gamow (que fue alumno de Friedmann) publicaron en 1948, el primer trabajo serio acerca de la génesis del Big Bang.

La temperatura inicial del universo era tan alta que la materia se encontraba en un estado de plasma, es decir, no existían ni siquiera las partículas elementales. Conforme el universo se expandió, se fue enfriando. Aproximadamente 1 micro segundo después del Big Bang, la temperatura descendió lo suficiente para que se formen las primeras partículas elementales: protones y neutrones. 1 segundo después, comenzaron a formarse los electrones.

Este proceso de generación de partículas duró aproximadamente 3 minutos. Durante este período se generaron núcleos atómicos de hidrógeno (alrededor de 75%), helio (alrededor de 25%) y pequeñas trazas de litio. A este período de lo llama período de núcleo síntesis.

Luego, durante los siguientes 380 mil años, nada sustancialmente importante ocurrió, salvo que el universo siguió enfriándose y expandiéndose.

Aproximadamente unos 380 mil años luego del Big Bang, la temperatura descendió por debajo de los 3 mil grados y los electrones libres se incorporaron a los núcleos atómicos, generando por primera vez en la historia, átomos de materia. Este fenómeno, provoco que el universo deje de estar ionizado (formado por partículas con carga eléctrica) y se convierta en un universo con partículas eléctricamente neutras.

Además de partículas, el universo estaba formado por fotones (partículas de luz). Durante los primeros 380 mil años, al estar el universo ionizado, esto es, cargado eléctricamente, los fotones eran dispersados por el ambiente ionizado. Es decir, el universo era opaco a la radiación luminosa. Cuando el universo se hizo eléctricamente neutro, se volvió trasparente a la radiación luminosa. Como consecuencia, los fotones más viejos que podemos detectar datan de esa época.

Pero mientras tanto el universo siguió expandiéndose y enfriando y estos fotones sufrieron una transformación: su frecuencia disminuyó.
George Gamow fue el primero en señalar (y luego Ralph Alpher y Robert Hermann lo desarrollaron con más precisión) que si la teoría del Big Bang era correcta, estos fotones provenientes del universo cuando tenía 380 mil años, deberían hoy en día, observarse como una radiación de microondas. Lamentablemente, la comunidad científica, en esa época, ignoró completamente este trabajo.

Más de 10 años después, a principios de la década del 60, dos científicos de Princeton, Robert Dicke y Jim Pleebes, sin conocer el trabajo de Alpher y Hermann, llegaron a las mismas conclusiones. Pero esta vez, algo increíble pasó. Poco tiempo después, en 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, ingenieros de Bell Labs, descubrieron accidentalmente la Radiación de Fondo de Microondas, mientras lidiaban con un equipo de telecomunicaciones y no podían deshacerse de una molesta interferencia que parecía provenir del espacio exterior.

Este descubrimiento, se lo considera, junto con el de Hubble, uno de los logros más importantes de la cosmología moderna y la confirmación de que la Teoría del Big Bang era correcta.