Big Bang sí, pero no así

14/05/2018 47 comentarios
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Explicar la teoría del Big Bang a un público amplio no es fácil. Nunca lo ha sido, como lo pueden atestiguar cientos de cosmólogos y divulgadores profesionales de todo el mundo, especialmente en las últimas décadas. Pero, seguir usando en la divulgación analogías que hoy sabemos son claramente incorrectas es, sencillamente, inaceptable. No todo lo que se dice sobre el Big Bang es cierto. No todos los que lo decimos lo hacemos a propósito (a veces simplemente es la costumbre). Los invito a que "exorcicemos el Big Bang" (al menos la versión que todos conocemos) e intentemos reinterpretar sus ideas básicas con analogías nuevas, más cercanas a la realidad científica y, espero yo, igual o más entendibles.

Esta imagen simplificada del Big Bang está mandada a recoger. Como muchos divulgadores lo sabemos y lo repetimos, el Big Bang no fue una explosión que ocurrió en un lugar del espacio. Pero ¿será este el único aspecto equivocado de las versiones más anticuadas de la teoría del Big Bang que estamos divulgando?

La teoría del "Big Bang" (o Gran Explosión en castellano) es una de las más conocidas y divulgadas teorías científicas de la historia; nuestra mejor versión de cómo comenzó el universo (si lo hizo), cómo llegó a ser lo que es, e incluso sobre lo que puede seguir a continuación en su historia.

A pesar de su popularidad (o precisamente debido a ella) muchas de las ideas centrales (la expansión del universo, el estado del universo, el origen o lo que pudo pasar antes, la composición, etc.) de la teoría siguen explicándose de forma confusa y a veces simplemente equivocada.

Y no es cuestión de estilo o de opinión del investigador, el profesor o el divulgador de turno. Una comparación entre las más populares analogías divulgativas usadas en casi todas partes, con las ideas rigurosas de la teoría, hacen evidentes los errores, a veces, bastante elementales, que hemos cometido y seguimos cometiendo en su divulgación.

Las galaxias lejanas se ven más rojas que las galaxias cercanas. Este hecho observacional básico es una de las motivaciones observacionales de la teoría del Big-Bang. En la foto, entre otras galaxias resaltadas, aparece la imagen rojiza de la galaxia MACS0647-JD, una de las más remotas jamás observadas (crédito: NASA/Hubble)

Expansión y enrojecimiento de las galaxias

Déjenme comenzar con la que seguramente es la más confusa de las ideas asociadas con el Big Bang: la expansión y su manifestación aparente, el enrojecimiento de la luz de las galaxias. Desafortunadamente la idea que está en la raíz misma de la teoría del Big Bang, se divulga de forma bastante engañosa. Explico a continuación por qué.

Casi todos conocemos algunos hechos básicos sobre este resultado observacional. En las primeras dos décadas del siglo xx, los astrónomos descubrieron que el "color" de las galaxias lejanas era más rojo de lo que esperaban. Su color debería ser similar al de las estrellas y nubes de gas que había en la Vía Láctea, justo aquí al lado, pero no resultó ser así.

La primera interpretación para este resultado (después de descartar que fuera un error o una ilusión debido a que teníamos en ese entonces muy pocos datos) era que se trataba de la manifestación del movimiento de esas galaxias mientras se alejaban de nosotros (un fenómeno que se conoce en física como efecto Doppler). Lo extraño era que casi todas las galaxias que se conocían en el cielo se alejaban de nosotros, como si en la Vía Láctea, algo "oliera" mal.

El astrónomo teórico belga George Lemaître, fue el primero en encontrar una interpretación alternativa (y correcta) del fenómeno (casi simultáneamente la misma explicación fue presentada por el astrónomo observacional americano Edwin Hubble, que no leía revistas en francés y solo se enteró de las ideas de Lemaître muy tarde).

Según Lemaître (y Hubble), el enrojecimiento de las galaxias se debía a la expansión del espacio mismo y no al movimiento de esas mismas galaxias (hoy sabemos que casi todas las galaxias se mueven muy poco de su lugar en el cosmos, al menos para los estándares astronómicos). No había nada entonces maloliente en la Vía Láctea; todas las galaxias se alejan de todas las demás y si nos transportáramos a cualquiera de ellas veríamos lo mismo que vemos en la Tierra.

Hasta ahí todo muy bien (espero).

Cuando pedimos que nos expliquen por qué si las galaxias no se mueven se ven entonces más rojas, la respuesta que obtenemos es casi siempre la misma: "al expandirse el espacio entre las galaxias se expande con él todo lo que contiene, incluso la luz (que pasa de ser, por ejemplo, azul -pequeña longitud de onda-, a roja -gran longitud de onda-)". 

Cuando nos explican la razón por la cual la expansión del universo se manifiesta como un enrojecimiento de la luz de las galaxias se apela a la idea de que al expandirse el espacio se expanden también las ondas. Lamentablemente esta explicación merece ser jubilada para usar una más cercana al fenómeno que ocurre efectivamente.

Nada más equivocado.

El enrojecimiento de la luz no es debido al cambio en el espacio. Es debido al cambio en el tiempo.

Sí, tal como lo oyen (y como lo saben los cosmólogos), el paso del tiempo en el universo, es alterado por la expansión. Vistos desde la Tierra (es decir desde el presente) el tiempo en las galaxias remotas (que están en el pasado porque la luz demora en llegar) pasa más lentamente.

Esto lo hemos podido comprobar observando por ejemplo supernovas en galaxias remotas. La duración de una supernova está directamente relacionada con su potencia máxima. Comparando la duración de supernovas en galaxias cercanas, con la duración de supernovas con potencia máxima similar, en galaxias remotas, descubrimos que las supernovas remotas se ven durar más tiempo. Otra manera de decirlo es que los relojes en el pasado del universo andaban más lento que los relojes del presente.

El tiempo que duran las supernovas es mayor cuanto más lejanas son. La curva verde muestra la curva de luz de una supernova muy cercana, los puntos rojos y la curva roja la de una supernova lejana y los puntos azules de una supernova muy lejana.

Diagrama esquemático de la razón por la que el tiempo cosmológico parece dilatarse. La luz emitida en una galaxia remota tiene una frecuencia de oscilación normal. Cuando la luz viaja en un universo en expansión hacia una galaxia como la nuestra, por efecto de la misma expansión las oscilaciones se observan con una frecuencia menor (más roja).

Como la luz surge de un fenómeno oscilante en el tiempo (cuanto más rápido oscila, más azul), cuando vemos llegar un rayo de luz de una galaxia lejana, las oscilaciones de esta luz (como pasa con la duración de las supernovas) parecen más lentas y el color que le asociamos es entonces más rojizo.

El enrojecimiento de las galaxias es entonces cuestión de tiempo y no de espacio.

El universo podría ser finito (universo cerrado a la izquierda) o infinito (universo plano a la derecha).

El átomo primigenio y el universo infinito

El término sarcástico "Big Bang" fue acuñado en la década de los 1950 por el astrónomo teórico británico Fred Hoyle, en referencia a la idea, considerada bastante ridícula por él y otros cosmólogos de su tiempo, de que el universo podría haber "nacido" a partir lo que Lemaître en algún momento llamó un "átomo primigenio".

Setenta años después, con sólidas evidencias observacionales y teóricas que apuntan a que la teoría del Big-Bang es la mejor versión de la mayor parte de la historia del universo, la idea de Lemaître no tiene nada de risible. Al contrario, ofrece un panorama bastante cercano, al menos para la divulgación, de cuál podría haber sido el estado del universo en un principio.

Dicen la mayoría de los textos divulgativos e incluso algunos textos técnicos, que el universo se desarrolló después de la expansión de una pequeñísima "burbuja de espacio", con una densidad y temperatura inimaginables, hace aproximadamente 13.799 millones de años. Esta burbuja microscópica (literalmente, la versión moderna del átomo primigenio de Lemaître), al expandirse y enfriarse se fue convirtiendo después de mucho tiempo en el universo que vemos hoy en día por los telescopios.

La imagen pintada por esta descripción es relativamente sencilla de reproducir y aparentemente de entender. Excepto porque es equivocada.

Pero, ¿no estaré exagerando?

Hay un hecho poco divulgado y muy sobrecogedor acerca de la extensión del universo, que fue descubierto apenas hace poco más de 15 años: el universo es infinito.

Ya desde hacía más de 3 o 4 décadas, las observaciones del contenido de materia en el universo, sumadas con nuestro entendimiento del funcionamiento de la gravedad, venían apuntando en esa misma dirección. Pero no hay nada en ciencia que se compare con una observación directa que confirme una idea, por extraña que sea.

Imagen de alto contraste fabricada con las observaciones del telescopio espacial WMAP. Los grumos más intensos en esta imagen miden cerca de un grado.

En el año 2003, se publicaron las primeras observaciones procesadas del telescopio espacial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). La misión de WMAP era medir con gran precisión espacial (hasta ángulos muy pequeños), las sutiles diferencias entre la intensidad de la radiación cósmica de fondo (RCF) proveniente de distintos puntos del cielo.  Ya hacia finales de los años 1990 otro telescopio, esta vez a borde de un globo estratosférico, el BOOMERanG había hecho medidas de gran precisión desde la Tierra, pero de una porción más pequeña de cielo que la medida por WMAP, de las diferencias en la intensidad de la RCF.

Como deben saber, la RCF es la luz que fue emitida por toda la materia del cosmos cuando estaba muy caliente y que quedó vagando después de que el universo se enfrió.

Hoy todavía nos está llegando parte de esa luz emitida hace 13.799 millones de años desde todos los sitios del cosmos. La radiación cósmica de fondo que llega a la Tierra (principalmente microondas), por ejemplo, viene de lugares muy remotos (se ha tardado 13.799 millones de años en llegar). Se calcula que esos lugares están hoy ubicados a la medio bicoca de 47.000 millones de años luz de distancia de nosotros. Cuando vemos la RCF y sus grumos, estamos viendo cómo era el universo por allá en ese entonces.

Si se hace un mapa de muy alto contraste de la RFC, como lo hizo el WMAP y más recientemente su sucesor, el telescopio espacial PLANCK, se evidencia que el universo que produjo esta luz era bastante granuloso. La materia no estaba regada de forma completamente uniforme por el espacio, lo que confirma justamente lo que vemos hoy en los telescopios (galaxias formando racimos).

El tamaño espacial de los grumos más intensos en la RCF es predicho con precisión por la teoría de la relatividad de Einstein: 385 millones de años-luz. Como están tan lejos, sin embargo, se ven pequeñitos en el cielo. Cada uno de ellos tiene el tamaño del dedo índice al estirarse hacia el cielo.

Si el universo tuviera una extensión limitada (no infinita), es decir, si pudiéramos viajar en cualquier dirección del espacio hasta regresar después de mucho tiempo al punto de partida (una propiedad que los cosmólogos llaman "espacio-tiempo cerrado" o "universo cerrado"), el tamaño de los grumos de la RCF debería ser más grande que lo que ha sido visto por WMAP y PLANCK.

El tamaño observado coincide exquisitamente con el predicho por la relatividad y por la idea de que el universo no es cerrado y finito. Al contrario, el hecho de que veamos sin distorsión (sin aumento) estos grumos es prueba bastante contundente de que el universo es infinito.

Si el universo fuera 'cerrado' (como acostumbran decir los cosmólogos), los 'grumos' de la RCF se verían más grandes de lo que son (imagen a la derecha). Los telescopios espaciales WMAP y PLANCK han comprobado que los grumos se ven del tamaño exacto que deberían verse lo que indica que el universo es infinito.

Pero hay que tener cuidado. El infinito (así como el cero) de la cosmología, la astronomía o la física no son el mismo infinito y el mismo cero de las matemáticas. De la misma manera que nada que sea real mide "0 matemáticos" metros (esa puede ser una idealización, pero no una realidad física) o tiene "0 matemáticas" calorías de energía, tampoco hay nada que tenga "infinitos matemáticos" metros o "infinita matemática" densidad.

El infinito de la cosmología hace referencia más bien a lo "inmedible", a lo que supera la imaginación más salvaje. Si el universo fuera en realidad cerrado, pero el tiempo o la distancia que nos tomara regresar al mismo punto fuera 100000000000...(un billón de ceros después)...000000000000 kilómetros, lo llamaríamos "infinito" en cosmología. Aunque matemáticamente tenga un número finito de km, ningún cosmólogo o astrónomo (por muy altas que sean las escalas a las que está acostumbrado) pensaría en la palabra "finito" para describir un universo así.

Una analogía que se me antoja adecuada para explicar esta diferencia entre el infinito de la cosmología y el de las matemáticas es la siguiente. Si le preguntas a un zoólogo si existen los unicornios, la respuesta sería un categórico "no". Pero ese "no", no es un "no" matemático (probabilidad exactamente-matemáticamente, igual a cero). La verdad es que si los caballos se reprodujeran durante un tiempo increíblemente grande (infinito para todos los estándares biológicos) algún día nacería un caballo al que le saliera un cuerno en la frente (una mutación muy improbable). Así, de la misma manera que saber que la probabilidad minúscula de que nazcan unicornios nos lleva a decirle a los niños, categóricamente, que no hay unicornios, el tamaño inmedible del cosmos, revelado indirectamente por las observaciones de la RCF, nos lleva en cosmología a decir que el universo es infinito.

Ahora bien, si el universo es infinito, ¿cómo podría haber nacido de una "burbuja de espacio" o de un "átomo primigenio"?

Cuando el universo tenía 1 segundo de edad, era tan infinito como lo es hoy. Las cosas infinitas difícilmente cambian de tamaño. Cuando tenía una mil millonésima de billonésima de edad, seguía siendo más grande que cualquier tamaño que el más imaginativo de los cosmólogos imaginara.

¿Qué era entonces aquello que era muy pequeño al principio, de lo que hablan los textos divulgativos?

A pesar de que el espacio del universo sea infinito, no quiere decir que no contenga porciones de espacio finitas. Así, por ejemplo, y como dijimos antes, la distancia que nos separa a nosotros de los puntos del universo de los que nos está llegando la RCF es de 47.000 millones de años luz. Todos esos puntos forman una gigantesca esfera de 94.000 millones de años luz de diámetro con centro en la Tierra. Al contenido de esa esfera la llamamos el universo observable presente (UOP).

El universo observable presente está contenido en una esfera de 47.000 millones de años luz que contiene todas las galaxias que podemos ver en el presente porque su luz ha tenido tiempo de llegar a la Tierra en los últimos 13.799 millones de años.

Si hacemos un seguimiento del UOP a lo largo de la historia pasada del universo (como podríamos hacerla de cualquier otra porción de espacio); sabemos que en el pasado el UOP ocupaba obviamente un espacio mucho menor. Así, por ejemplo, en el tiempo en el que fue emitida la RCF, el diámetro del UOP era de 100 millones de años luz. Es decir, la materia de las más de 1 billón de galaxias que vemos hoy por los telescopios en el universo observable, estaba, en ese entonces, contenida en el volumen que hoy ocupa un supercúmulo de galaxias.

Si nos vamos más atrás, por ejemplo al tiempo en que el universo tenía 1 segundo de edad, el UOP medía 10 años-luz. Un volumen que hoy contiene apenas 10-20 estrellas, en ese tiempo contenía el equivalente a 1 billones de galaxias.

Cuando el universo tenía apenas 1 femtosegundo (que es la duración aproximada del salto de un electrón en un átomo), el tamaño del UOP era igual al de la órbita de la Tierra. Y así sucesivamente.

Como vemos, el UOP ha sido grande (para los estándares humanos), incluso desde muy temprano. Pero más grande aún ha sido el universo infinito más allá de él.

Entonces, y en conclusión, durante el Big Bang el universo no era pequeño, era tan infinito como lo es ahora. Divulgadores y profesionales, debemos dejar de repetir que el universo era muy pequeño en el pasado y que ha crecido. Hay que "tomar el toro por los cuernos" y tratar de explicar a todos cómo un universo infinito, puede "expandirse".

El Big Bang y el inicio del tiempo

¿Cuándo comenzó todo? Esta es una pregunta que obsesiona a cosmólogos y no cosmólogos por igual y a la que hemos buscado desesperadamente respuesta en la teoría del Big Bang. Según la versión divulgativa de esta teoría, el universo comenzó precisamente en el Big Bang hace 13.799 millones de años. Allí comenzó todo, incluso el espacio y el tiempo.

Pero no hay que ir tan rápido, ni en la cosmología, ni en la divulgación de la cosmología, para responder de forma tan definitiva una pregunta tan importante.

En realidad no hay nada (nada) en la teoría del Big-Bang que indique (si quiera especulativamente) cómo o cuándo comenzó el universo.

Así como lo leen. La teoría del Big Bang intenta explicar todo en la historia del universo, menos el Big Bang mismo. O para ser más preciso, el nombre "Big Bang" ha venido usándose de forma sistemática (y a mi parecer errada) para referirse a un instante de tiempo, cuando en realidad, para la mayoría de los cosmólogos profesionales, el Big Bang es en realidad un período de tiempo: el período comprendido entre el que podría ser el inicio de la expansión y (dependiendo del gusto del cosmólogo) 3 minutos después, el momento en el que terminó la fabricación de los núcleos atómicos ligeros (principalmente helio y litio); o bien entre el inicio de la expansión y el momento en el que radiación cedió en importancia a la materia, 60.000 años después del "comienzo".

El Big Bang entonces no es un momento en la historia del universo, sino un período durante el cual fue muy distinto a como lo hemos visto en la mayor parte de su vida. En particular el Big Bang fue el período de tiempo en el que el universo fue muy caliente y no tenía estructuras astronómicas como las que vemos hoy.

Pero entonces ¿qué pasó en el "principio"? Nadie lo sabe todavía. La ciencia que tenemos es incompleta para explicarlo con seguridad. Nuestras mejores teorías físicas sobre lo que pasa con la materia a temperaturas muy elevadas solo pueden describir (y con limitaciones) lo que pasó en el universo después de 1 femtosegundo de iniciada la expansión. Decir lo que pasó antes de ese tiempo es una de las misiones de futuras teorías de la física fundamental (y una de las razones, por ejemplo, de los experimentos realizados en el LHC).

A pesar de no tener ninguna clave concreta, las características del universo primitivo reveladas por la radiación de fondo, nos ofrecen una pista.

¿Recuerdan los grumos observados por WMAP y PLANCK en el mapa de alto contraste de la RCF? ¿recuerdan que en el tiempo en el que produjo la RCF estos grumos medían 325 millones de años-luz? Si se contraen hacia atrás en el tiempo, esos grumos revelados por la RFC, en tiempos mucho anteriores a un femtosegundo, serían microscópicos. Lo que sea que haya pasado al principio de la expansión, tiene que explicar el origen de estos grumos.

Alan Guth, uno de los padres de la teoría inflacionaria (complemento de la teoría del Big Bang) y todavía uno de sus intensos defensores.

Existe una teoría complementaria a la teoría del Big Bang, la teoría inflacionaria, que podría explicar la existencia y característica de esos grumos. Fue elaborada a principio de los años ochenta, entre otros, por el físico teórico americano Alan Guth. Si le pregunta a un familiar lejano (y poco familiarizado con la astronomía) si sabe qué es la teoría del Big Bang le apuesto que tendrá algo para responderle (así sea equivocado); si le pregunta por la teoría de la inflación seguro le dirá que es algo económico.

Aunque la teoría inflacionaria, no goza todavía de la popularidad y aceptación generalizada de los cosmólogos (algunos de los cuales la consideran incluso casi pseudocientífica), ciertamente es el más exitoso "modelo" de lo que pudo haber pasado en los primero momentos de la expansión.

La singularidad inicial y el tiempo de Planck

En el contexto de las mejores versiones de la teoría inflacionaria (porque hay varias), existe un universo preexistente a nuestro Big Bang, el multiverso, lo llaman. Este universo está completamente vacío y se expande de forma febril o acelerada como dicen los cosmólogos (no como la expansión de nuestra porción de multiverso que es mucho más tranquila).

En algunos lugares de ese multiverso ocurre un evento azaroso, casual. Algo similar a lo que ocurre en el agua que se enfría rápidamente. El vacío infértil del multiverso (como el agua líquida) súbitamente se vuelve un vacío fértil e inestable (como el hielo). Una "transición de fase" como dicen de forma rimbombante los físicos. Pero la transición no ocurre en todas partes del multiverso al mismo tiempo (como no se congela toda el agua al mismo tiempo). En unas regiones la transición se produce y en otras no.

Adicionalmente y como sucede al congelarse el agua (aunque no lo notemos) ingentes cantidades de calor se producen en ese cambio de "estado". En el caso del agua que se congela, todo ese calor liberado al pasar del estado líquido al sólido sale por detrás del refrigerador. En el caso del universo recién nacido, este calor crea las condiciones infernales que llamamos el Big-Bang.

Es decir, de acuerdo a la teoría inflacionaria, el Big Bang sería el final y no el principio de una historia iniciada mucho antes.

Ahora bien, ¿de qué tamaño es la porción de multiverso donde ocurre este cambio? No lo sabemos exactamente, pero a juzgar por el tamaño de los grumos de la RCF, al comenzar el Big-Bang nuestra porción de multiverso era ya inmensamente grande o, como dicen los cosmólogos, infinita.

En el contexto de esta teoría no hay pues un momento cero (en sentido matemático); un instante de densidad "infinita matemática" en el que todos los lugares de un cosmos infinito estaban a distancia "cero matemático" unos de otros. Esta condición, que se llama en cosmología como la "singularidad inicial", nunca ocurrió. Afortunadamente, debo decir, para nuestro ya bastante maltratado entendimiento.

Y de la misma manera que no hay singularidad inicial, tampoco hay, en el contexto de la teoría del Big Bang más la teoría inflacionaria, nada que podamos llamar el "tiempo de Planck". Este concepto, tan recurrente en la divulgación del Big Bang, es realmente prescindible e innecesario.

Una teoría dinámica

Como he tratado de aclarar en esta entrada, existen muchas cosas de la teoría del Big Bang que cosmólogos profesionales y divulgadores por igual hemos distorsionado en nuestro afán por hacerla más digerible por un público no especializado; a veces las distorsiones son sutiles y en otros casos hemos cambiado elementos de la teoría hasta hacerlos prácticamente irreconocibles.

Es obvio que las aclaraciones ofrecidas aquí no pretenden ser ni las mejores versiones alternativas a las analogías divulgativas en boga y mucho menos las últimas. Ni la teoría del Big Bang, ni la teoría de la inflación son teorías acabadas. Al contrario, ambas teorías son dinámicas y bastante fértiles. Nuevas y mejores analogías deberán surgir para reemplazar las que hemos usado durante décadas, especialmente para explicar los resultados más frescos.

La interpretación que he ofrecido aquí es la que me ha ayudado como profesional y divulgador a entender mejor los hechos fundamentales de la teoría y explicárselos de una manera más precisa a mis estudiantes y al público con el que he tenido la oportunidad de interactuar en muchos cursos que he ofrecido a todos los niveles sobre el tema.

Lo ideal es que este ejercicio de autocrítica motivará a muchos otros para examinar analogías que deberíamos empezar a jubilar, no solo en astronomía o en cosmología, sino también en otras áreas de la divulgación científica.

Todas las ideas para hacer que los resultados que divulgamos se acerquen más a las "verdades" científicas detrás incluso de las teorías más abstractas, deberían ser, felizmente bienvenidas.

 

(Esta entrada tiene una "secuela" en el que discuto otros aspectos interesante de la teoría del Big Bang y la cosmología contemporánea, tales como, la expansión acelerada, la energía oscura y el futuro del Universo.  Puede leer la secuela en este enlace)