El Origen del Universo

Por Ramón Rey

“El universo se originó hace 14 mil millones de años en una gigantesca explosión conocida como Big Bang”. Esta idea (algo simplificada) está hoy ampliamente aceptada y es un conocimiento generalizado incluso entre un gran número de personas sin formación científica. Pero esto no siempre fue así y de hecho esta afirmación ha conseguido ser aceptada en tiempos bastante recientes.

Existen diversos modelos que pretenden explicar el origen del universo, algunos de ellos son: la teoría del Big Bang, la teoría inflacionaria, la teoría del universo oscilante y el universo estacionario. A estas teorías, no siempre excluyentes entre sí, podríamos sumarles las peculiaridades de modelos tan extraños como el de los multiversos.

Modelo esquemático del Big Bang

Big Bang

Probablemente la pieza más popular del rompecabezas. Esta teoría, sugerida por primera vez por el sacerdote belga George Lemaître, postula que el universo y por tanto todo lo que contiene, todo lo que conocemos y lo que desconocemos, nació hace aproximadamente 13,6 miles de millones de años a partir de una singularidad espaciotemporal (una zona en la cual no son aplicables las leyes de la física tal y como las conocemos).

Curiosamente el nombre “Big Bang” (Gran Explosión) proviene de uno de sus detractores y defensor a su vez de la teoría del estado estacionario, el astrónomo británico Fred Hoyle, que en su programa de radio de la BBC se burló de este modelo aseverando que era, en esencia, todo un big bang.

Más o menos lo que nos dice esta teoría es que no sólo toda la materia existente en el universo, sino también el espacio (es decir, el universo completo) estaba en el origen concentrado en un punto más pequeño que un átomo, con una densidad y una temperatura inimaginables. De este estado inicial y expandiéndose a una velocidad incomprensible no sólo se formó el universo (materia y espacio) sino también el tiempo, además de todas las fuerzas y leyes que lo rigen. Es por esto por lo que carece de sentido preguntarse ¿qué existía antes del Big Bang?

“La Teoría del Big Bang”

Conviene aquí hacer una puntualización. Cuando se habla de que algo es una “teoría” no falta quien, bien por desconocimiento propio, o bien aprovechando la idea equivocada que existe sobre el concepto “teoría científica”, ataca ciertas ideas que no le gustan (aun cuando están bastante bien probadas) e intentan deslizar la idea de que “explicaciones” alternativas y más de su gusto, son igualmente válidas para describir la realidad. Así cuando se trata ciertos temas más o menos polémicos nunca falta la objeción “es una teoría, no está probado”.

Esto, que es particularmente frecuente cuando hablamos de la Teoría de la Evolución y nos encontramos con algún creacionista, tampoco es difícil de observar en lo que respecta al Big Bang. Pero estas quejas parten de un error, intencionado o no.

En el lenguaje cotidiano “teoría” es un equivalente a “suposición” o “conjetura”, es decir, una idea que no está probada. Pero para este concepto en ciencia tenemos la palabra “hipótesis”. Así, una hipótesis científica es una proposición que ha sido formulada en base a datos empíricos e información, que no estando confirmada, sirve para responder a determinado problema planteado.

Para hablar de teoría científica por otra parte deben cumplirse ciertas premisas, como por ejemplo: 

- Debe estar basada en hipótesis probadas

- Está sustentada y explica las observaciones y datos empíricos

- Será autoconsistente (no habrá contradicciones internas)

Por supuesto en ciencia (y es precisamente esto lo que la diferencia de las creencias, supercherías o pseudociencias) no hay palabra sagrada y si salen a la luz pruebas que contradigan incluso las afirmaciones más aceptadas, éstas han de ser examinadas y eventualmente nuestro conocimiento revisado. 

Vemos pues la diferencia clara en el término “teoría” según lo usemos en nuestro lenguaje cotidiano o en el campo científico. La realidad es que el Big Bang es un concepto bien establecido y sustentado por una buena cantidad de pruebas sólidas (ni hablar de la Evolución, donde las evidencias son sencillamente abrumadoras).

Evidencias a favor del Big Bang

Como hemos dicho, la teoría del Big Bang cuenta a su favor con fuertes evidencias que la respaldan, algunas de las cuales y quizá las más importantes son las siguientes:

La expansión del universo

El universo se está expandiendo. Esto ya había sido sugerido por el matemático ruso Alexander Friedmann en 1922 basándose en dos ideas sencillas: que el universo parece el mismo independientemente de hacia dónde miremos, y que esto se cumple independientemente del punto de observación. 

Su universo en expansión se vio corroborado mediante observación en 1927 gracias al astrónomo y sacerdote belga George Lemaître primero y al americano Edwin Hubble (quien se llevaría el crédito de los descubrimientos) en 1929. Ambos constataron que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a la distancia que las separa, lo que conocemos hoy por Ley de Hubble.

Efecto Doppler y corrimiento al rojo

Esta conclusión se deriva del corrimiento al rojo de los espectros de emisión que nos llegan de las galaxias, consecuencia del efecto Doppler. Así, si un objeto que emite luz se aleja de nosotros, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas (su longitud de onda aumenta) desplazándose hacia el rojo, siendo mayor este fenómeno cuanto mayor sea la velocidad a la que se aleja (y al contrario, si un objeto emisor de luz se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose en el espectro de luz visible hacia el azul). Gracias a la observación de este fenómeno sabemos que todas las galaxias se están alejando unas de otras, siendo la velocidad de alejamiento mayor cuanto más distante es el objeto observado. Por tanto podemos deducir que el universo se está expandiendo.

La proporción relativa de elementos primordiales

A partir de la teoría del Big Bang se puede estimar la abundancia del helio-3, helio-4, deuterio (un isótopo del hidrógeno) y litio-7 en el universo en comparación con la presencia de hidrógeno. Estas abundancias dependen de la proporción entre diferentes partículas subatómicas (de menor tamaño que un átomo) que puede calcularse a partir de la radiación cósmica de fondo.

Las abundancias medidas de esta forma concuerdan con las predichas por la teoría constituyendo una de las pruebas más sólidas en su favor, ya que por otra parte es la única explicación que conocemos para justificar la abundancia relativa de elementos ligeros.

La radiación de fondo de microondas

Se podría decir que esta radiación es el eco de la formación del universo. 

De acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, en los primeros instantes del universo éste experimentó una época de densidad y temperaturas extremadamente elevadas, para posteriormente enfriarse a media que transcurría el tiempo y el universo se expandía. Pero aún después de tanto tiempo las teorías predecían que deberíamos de ser capaces de detectar esa radiación remanente del nacimiento del universo en forma de radiación de microondas.

Fue en 1964 cuando los físicos estadounidenses Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, utilizando un detector microondas muy sensible, encontraron un ruido de fondo más elevado del que esperaban. Además, ese ruido era el mismo en cualquier dirección en la que lo midieran, independiente de las condiciones climáticas y del momento del día o de la noche.

La temperatura que midieron a partir de esta señal de fondo era de unos 3K (-270ºC), la misma que se había previsto a partir de la Teoría del Big Bang teniendo en cuenta el estado de expansión del universo y el tiempo transcurrido.

Nuevas mediciones en tiempos más recientes han permitido medir la radiación de fondo de microondas con mucha más precisión.

Otras pruebas

Pero existen muchas más evidencias que refuerzan esta teoría, por ejemplo se ha estimado a través de tres modos diferentes la edad de universo arrojando un valor de 13,7 miles de millones de años; las tres medidas son consistentes entre sí y también con el valor predicho por la teoría del Big Bang. 

La presencia del deuterio (un isótopo del hidrógeno que contiene un protón y un neutrón, mientras que el hidrógeno tiene solamente un protón) también es un punto a favor del Big Bang, ya que la fusión estelar destruye el deuterio y no hay procesos de creación naturales conocidos a excepción de la nucleosíntesis primordial (periodo de formación de los elementos ligeros tras el Big Bang) que pudo haber producido el deuterio en la proporción que conocemos.

Además de las evidencias mencionadas existen muchas otras más, además de otras que se esperan verificar en un futuro cercano.

Objeciones a la teoría

A lo largo de la historia se han ido planteando algunos problemas, evidencias empíricas que la teoría no podía explicar completa o satisfactoriamente. Algunos de ellos han sido resueltos y otros posiblemente provoquen alguna modificación en el cuerpo de la teoría. Ciertos científicos que prefieren el modelo estacionario argumentan que las distintas correcciones que se han producido para resolver los problemas más importantes han sido añadidas ad hoc. 

A pesar de estas pequeñas inconsistencias y los misterios que aún quedan por resolver, la mayoría de los físicos y astrónomos consideran que la concordancia entre la teoría del Big Bang y la evidencia experimental es lo suficientemente grande como para establecer con cierta seguridad los aspectos fundamentales de la teoría.

Universo inflacionario y el Big Bang

Esta teoría formulada entre 1981 y 1982 por Alan Gurth y Andrei Linde, que goza de gran aceptación y puede ser considerada como un anexo a la teoría del Big Bang, intenta explicar los primeros instantes del universo.

Uno de los problemas de la teoría del Big Bang era el grado de uniformidad a gran escala que observamos en el universo. Esta uniformidad era difícil de explicar, porque con las ideas de la época el universo se habría expandido demasiado rápido como para ser tan homogéneo.

Los bordes del universo observable están separados por 28 mil millones de años luz de distancia, mientras que la edad del universo es de 13,6 mil millones de años. A no ser que consideremos que los objetos se han movido en algún momento a una velocidad superior a la velocidad actual de la luz estos dos extremos no han podido tener influencia mutua, es difícil pues explicar por qué la temperatura del universo, miremos en la dirección que miremos, es tan homogénea ya que no habría sido posible un intercambio de radiación.

Universo inflacionario en contraste con el modelo estándar

Así, el “problema del horizonte” consiste en que es difícilmente explicable el motivo por el cual regiones tan separadas, donde cabría esperar un desarrollo independiente, hayan evolucionado como si hubieran estado en equilibrio.

La teoría inflacionaria resuelve este problema postulando que en los primeros instantes de vida del universo, se produjo un proceso de expansión acelerada muy rápido, en contraste con el modelo standard de la teoría del Big Bang, según el cual la expansión perdía velocidad. Para tomar conciencia de la magnitud de esa aceleración podemos considerar que durante este breve instante de tiempo el universo pasó a tener desde el tamaño de un átomo a aproximadamente el radio observable del actual universo. Bastante impresionante.

Esta velocidad de separación llegó a ser mayor que la velocidad de la luz, lo cual no viola la relatividad general porque fue el propio espacio el que se expandió a esa velocidad, mientras los cuerpos se mantuvieron en reposo respecto a él.

Según este modelo, esta fuerza inflacionaria que produjo el impulso se dividió en las actuales cuatro fuerzas fundamentales: la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones nucleares fuerte y débil.

A pesar de que algunas de las predicciones de la teoría han sido comprobadas (por ejemplo su predicción de un universo plano), más evidencias son necesarias así como resolver varias dudas que deja abiertas, siendo las más importantes: “¿cómo empezó la inflación?” y “¿cómo terminó?”.

El universo oscilante

Esta alternativa al modelo inflacionario predice que nuestro Big Bang sólo es uno más de los muchos “instantes iniciales” que se repiten cíclicamente.

Según este modelo, tras cada Big Bang y su periodo de expansión inicial, llega un momento en que esta aceleración se detiene y eventualmente el universo comienza a contraerse, hasta que finalmente colapsa sobre sí mismo en un proceso igual pero inverso al Big Bang, una singularidad conocida como Big Crunch. Así pues, el nuestro sólo sería un universo más entre este ciclo de Big Bangs y Big Crunchs que se van sucediendo sin fin.

La hipótesis, planteada en los años 30 del siglo pasado como una alternativa al modelo lineal del Big Bang, presentaba un serio problema: chocaba con la Segunda Ley de la Termodinámica. La solución que lleva aparejada que la entropía (el desorden) aumente en cada ciclo, provoca que en cada nuevo ciclo la expansión va siendo mayor que en el anterior… lo que irremediablemente se traduce en que los ciclos iniciales fueron más y más cortos, conduciendo nuevamente a un Big Bang inicial donde todo comenzó.

En épocas recientes y con el descubrimiento de la energía oscura, así como con la aparición de nuevas teorías (francamente abstractas y complicadas de entender) esta idea ha resucitado. El tiempo quizá diga si la cosmología de branas le da finalmente una segunda oportunidad a un modelo oscilante del universo.

Un universo estacionario

Según esta hipótesis formulada en 1948 por Fred Hoyle, Hermann Bondi y Thomas Gold, el universo siempre ha existido y siempre existirá.

En el modelo del estado estacionario, la pérdida de densidad y temperatura que se produce al expandirse el universo se ve compensada por la creación de nueva materia. Es por eso que a pesar de que el universo se hace más grande, éste no ha tenido un inicio sino que es eterno.

Este modelo comenzó a perder popularidad con la aparición de cada vez más importantes pruebas que sustentaban la teoría del Big Bang. Primero a principios de los 60, cuando el descubrimiento de quasares sólo a grandes distancias parecía indicar que el universo sí estaba cambiando. Pero el gran golpe vino con el descubrimiento en 1964 de la radiación de fondo de microondas, ya que si el universo siempre ha sido igual no parece haber motivo para la existencia de una radiación térmica de fondo. Además, la suposición de que se crea masa y justo en la proporción adecuada parece una explicación demasiado forzada.

Nuevas versiones de este modelo establecen que el universo sufre etapas de contracción y expansión sucesivas e infinitas. En estos modelos se proporcionan explicaciones alternativas a evidencias en principio sólidas en favor del Big Bang como el corrimiento al rojo que no gozan de una gran popularidad entre la comunidad científica. 

Estos modelos alternativos necesitarían presentar fuertes pruebas en su favor si quieren suponer una amenaza a una teoría tan bien establecida actualmente como es la teoría del Big Bang.

Otros modelos

Además de los modelos clásicos que pretenden explicar nuestro universo existen multitud de teorías que no tienen por qué colisionar con los modelos explicados sino que les añadirían interesantes posibilidades.

Así, bordeado la línea que separa la ciencia y la mera especulación nos encontramos con los “universos burbuja”, en los cuales a partir de una inflación del espacio, nuevos universos nacen unos dentro de otros. 

Evolución del universo

Otro ejemplo ya popularmente conocido es el de los “universos paralelos” o “multiversos”. Como consecuencia de las leyes de la probabilidad de la mecánica cuántica se plantea que, si el tiempo es infinito, todas las diferentes probabilidades acaban cumpliéndose. Así, habría infinitos universos, algunos muy similares entre si y otros totalmente diferentes donde ni siquiera las constantes y leyes físicas serían tal y como las conocemos.

¿El futuro?

Parece difícil actualmente que el modelo del Big Bang vaya a ser desechado y sustituido por un modelo estacionario. Esto no quiere decir ni mucho menos que (tal y como hemos visto) nuestro conocimiento del universo esté completo. Además y dado que la historia de la ciencia es la historia de la continua mejora de nuestra comprensión y la modificación de los modelos que utilizamos para expresar la realidad cabe esperar que también en este campo se consigan avances en el futuro. 

Siempre es bueno remarcar el hecho de que la invalidez del principio de autoridad es lo que diferencia la ciencia de las supersticiones y que nuevos descubrimientos pueden hacernos renegar de ideas que hoy consideramos indiscutibles. Esto no debe ser visto como un fracaso o una deshonra, sino más bien al contrario como el orgullo de una especie embarcada en la hermosa aventura del conocimiento.