J. Rubén Morones Ibarra
El Universo es la totalidad de lo que existe. El espacio, la materia, la energía, galaxias, estrellas, planetas y todo lo que existe es el universo. Hablar sobre el universo es un asunto fascinante. De inmediato surgen preguntas como las siguientes: ¿Cómo se originó el universo? ¿Cuál es el tamaño del universo? ¿Es el universo infinito o tiene algún límite? Hasta hace cerca de noventa años, a estas preguntas se les clasificaba como de tipo filosófico. Sin embargo, en el año 1929 tuvo lugar uno de los descubrimientos astronómicos más notables de la historia.
El astrónomo norteamericano Edwin Hubble observó, desde el telescopio más grande del mundo en ese entonces, el de Mount Wilson, cerca de Los Ángeles, California, que las galaxias más lejanas que podía observar se alejaban unas de otras y también de nosotros, a grandes velocidades. Esta observación es similar cuando se mira en cualquier dirección en el cielo. Puesto que una de las hipótesis de la astronomía es que nuestra galaxia no ocupa una posición privilegiada en el universo, si nos colocáramos en cualquiera otra galaxia, veríamos también a las demás galaxias alejarse de nosotros. Esta observación sentó las bases de la cosmología moderna, que es la rama de la astronomía que se ocupa del estudio del universo como un todo.
Esta observación experimental ha traído como consecuencia que las preguntas con las que se inició el párrafo anterior dejaran de ser exclusivas del campo de la filosofía y formen parte ahora de las preguntas científicas. Y no es porque las preguntas anteriores no fueran de interés de los científicos; lo que ocurre es que los métodos que usan los científicos no se podían aplicar para contestarlas, debido a que no había ninguna observación que permitiera tomarse como base o como guía para emitir una respuesta.
Como se sabe, las ciencias naturales se apoyan en el método científico; es decir, en hechos experimentales, para establecer sus hipótesis o teorías. Para su aplicación, el método científico requiere, primeramente, que se observe un fenómeno y que pueda reproducirse u observarse repetidamente. Después de estas observaciones, se pretende explicar el fenómeno, emitiendo una hipótesis. Esta hipótesis implica que ciertos hechos deben acompañar al fenómeno. Esta capacidad predictiva de la hipótesis es lo que la pone a prueba. Si se confirman los hechos que la hipótesis predice, entonces la hipótesis se refuerza. Si no se observa el hecho predicho, entonces no se pasa a la siguiente etapa en la explicación del fenómeno, que sería someterlo a otras pruebas.
Antes de las observaciones de Hubble, no se tenía ni un indicio que permitiera elaborar alguna hipótesis sobre cómo se inició el universo. A partir de 1929, se empezó a especular científicamente sobre el asunto. Por supuesto que la ciencia no garantiza la verdad sobre todo; la forma en la que procede es apoyarse en la información que se tiene para emitir una hipótesis.
EL BIG BANG
Origen del Universo
Después de la observación del alejamiento entre sí de las galaxias, surgió en forma natural la idea de que, si en el presente las galaxias se alejan unas de otras, entonces en el pasado estas galaxias estaban más juntas. Yéndonos muy lejos hacia atrás en el tiempo, ocurrió entonces que en algún momento, en el pasado, todas las galaxias estaban concentradas en una región relativamente pequeña del espacio. Este simple razonamiento llevó al físico ruso-norteamericano George Gamow (1904-1968) a elaborar un modelo sobre el origen del universo.
Este modelo, conocido como del Gran Estallido o Gran Explosión (Big Bang), supone que hace diez o veinte mil millones de años, toda la materia del universo estaba concentrada en una pequeña región, de dimensiones que no podemos determinar ahora. Este estado primigenio del universo, al que algunos científicos le llaman “bola de fuego original”, se encontraba a una temperatura extremadamente elevada. De acuerdo con una ley de la física, cualquier objeto a una temperatura superior al cero absoluto debe emitir radiación electromagnética, ejerciendo una presión, que en este caso era gigantesca, dada la enorme temperatura de la bola de fuego. Esta inmensa presión fue la causante del Gran Estallido, que es donde la ciencia ubica el origen del universo.
La bola de fuego original era todo el universo. Eso llenaba todo el espacio. No tiene sentido preguntarse qué había fuera de esa región, como no tiene sentido preguntarse ahora, cuando se admite que el volumen del universo es finito, qué hay fuera de este volumen. El pequeño volumen que ocupaba el universo original era todo el espacio que existía. Después de la gran explosión, el espacio fue creándose (aumentando su volumen) a medida que la bola de fuego se expandía. Por supuesto que al irse expendiendo la bola de fuego, la densidad de materia y energía del universo iba disminuyendo.
En los primeros instantes del universo, éste consistía en una mezcla de partículas fundamentales y radiación, y su expansión fue muy violenta. Este universo, aun cuando contenía una densidad muy elevada de radiación, era totalmente oscuro, ya que la radiación era absorbida por el medio formado por las demás partículas, sin poder recorrer largas distancias, debido a la alta densidad de partículas y energía.
De acuerdo con los cálculos teóricos, después de que transcurrieron 700,000 años de la Gran Explosión, se formaron los átomos neutros del universo. Habiendo en ese entonces mucho menos partículas cargadas libres que las que había inicialmente, el universo se volvió transparente a la radiación, la cual pudo recorrer grandes distancias y ha sobrevivido hasta nuestros días.
Al continuar la expansión del universo, esa radiación se “enfrió”, y se ha convertido en un remanente del pasado remoto, que se conoce en la actualidad como “la radiación de fondo del universo”. Esta radiación fue detectada accidentalmente, en el año 1965, por los ingenieros norteamericanos Arno Penzias y Robert Wilson. El descubrimiento de esta radiación, que proviene de todos los puntos del espacio, dio un fuerte soporte experimental al modelo del Big Bang.
Existe ahora una teoría sobre el origen del universo, fuertemente apoyada en observaciones experimentales. No es sólo especulación pura. Las cuestiones sobre el origen, edad y tamaño del universo dejaron de ser temas exclusivos de la teología y la filosofía, y entran ahora en el dominio de la ciencia. Inclusive, la pregunta sobre el destino del universo tiene actualmente respuestas apoyadas en el conocimiento científico.
Destino del universo
Para comprender mejor la forma en que la ciencia plantea el asunto del destino del universo, es conveniente introducir un concepto familiar. Pensemos en lo que le ocurre a una bala lanzada por un hipotético cañón muy poderoso. Si la velocidad con la que se dispara la bala no excede a un cierto valor llamado valor crítico, entonces la bala regresará al suelo. Esto corresponde al caso familiar de cuando lanzamos una piedra al aire.
Por otra parte, si la bala se dispara verticalmente hacia arriba. con una velocidad tal que exceda una velocidad crítica, conocida como velocidad de escape, entonces la bala no regresará a la tierra y continuará moviéndose por el espacio, en principio, indefinidamente. En general, el valor numérico de la velocidad de escape para un planeta cualquiera, depende de su masa y del tamaño del planeta.
De manera similar, podríamos decir que si la velocidad inicial de la Gran Explosión excedió cierto valor crítico, entonces el universo seguirá expandiéndose por siempre, irá disminuyendo continuamente la temperatura promedio y terminará en un universo frío y oscuro, donde no tendrá lugar ningún tipo de proceso, ni biológico ni químico, ni físico. Será un universo muerto. Esta evolución tenebrosa se conoce como “la muerte térmica del universo”.
Por otro lado, si la velocidad inicial con la que explotó el universo es menor que el valor crítico ya mencionado, entonces la expansión se detendrá en algún momento en el futuro, y empezará su contracción, terminando en un Gran Colapso. Este destino, menos trágico pero más espectacular que el anterior, permitirá al universo volver a empezar, como el Ave Fénix de la mitología, que se incineraba a sí misma, para resurgir rejuvenecida de sus propias cenizas. Se iniciará así un nuevo Big Bang, que repetirá el ciclo anterior.
Existe una cantidad importante para decidir cuál de los dos será el destino del universo. Esta cantidad se conoce como densidad de masa crítica del universo. Si la densidad de masa del universo es menor que la densidad crítica, el escenario para su evolución será el primero que mencionamos: el de la expansión continua. A este universo se le conoce como universo abierto. Por otra parte, si la densidad de masa es mayor que la densidad crítica, entonces tendremos el segundo caso, el universo detendrá su expansión, y se contraerá posteriormente, para colapsarse e iniciar una nueva explosión. Este modelo del universo es un modelo cerrado, ya que su tamaño máximo será finito. Este modelo de universo repetirá su ciclo de expansión y contracción eternamente. Por esta razón, al modelo se le conoce como universo cíclico u oscilante.
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