Vivimos tan inmersos en nuestra rutina diaria que no somos conscientes de lo solos e significantes que estamos en el universo. Es un buen ejercicio de humildad darnos cuenta de eso una vez lo entendamos y, personalmente, de sosiego al poner en perspectiva los problemas que creemos tener y que amargan nuestra efímera existencia… Creo que también es un ejercicio de valientes, pues salir de la zona de confort, cálida y controlada, conocida, para conocer una realidad mucho más amplia y verdadera, exige ponernos a prueba y un cambio que pocos están dispuestos a arriesgar. Pero una vez se supera, la recompensa es incalculable. Embarcarse hacia los mares que todo el mundo temía y donde se suponía acababa el mundo, trajo el descubrimiento de América y la forja del mayor imperio de todos los tiempos. O atravesar el cielo hasta ver dónde acababa poder contemplar la más bella de las imágenes, nuestro planeta.

Pero a medida que más conocemos, más sedientos estamos de nuevas y complejas respuestas. Sí, hace no mucho nos creíamos dioses en una Tierra más pequeña de lo normal, además de plana y en el centro del cosmos, y poco se podía cuestionar al respecto, pues era tema de Dios. Ahora, gracias a esos valientes exploradores y al afán intrínseco de nuestra especie por conocer, sabemos para bien o para mal, que somos un simio que habita un planeta mediocre alrededor de una estrella corriente, en la periferia de una galaxia que su vez forma parte de un insignificante cúmulo de otras en un punto cualquiera de un Universo casi infinito, del cual apenas sabemos absolutamente nada… En cualquier caso, y parafraseando al biólogo Richard Dawkins, saber esto nos haría dignos de ser catalogados de seres inteligentes a la luz de un test alienígena, al haber descubierto por fin quiénes somos y de dónde venimos, esto es, habiendo descubierto la evolución.

Y sí, como primates hemos evolucionado y adecuado a una vida a nuestra escala donde nos desenvolvemos para sobrevivir. Aunque podemos comprender ciertas cosas gracias a nuestro pensamiento simbólico y el lenguaje, como conceptos, ideas o fórmulas, se nos escapan realidades que están ahí, que forman parte de nosotros y que nos afectan, como la mecánica cuántica o los límites del universo. Sencillamente porque van contra todo sentido común. Por ejemplo, que todo haya surgido de la nada o que estemos hechos de algo que en sí es 99,9% vacío. Aun así, voy a esforzarme en mostraros un pequeño retrato de nuestro universo y de cómo hemos llegado a él.

¿Cómo comenzó todo? ¿Dónde termina?

Cuando al fin nos lanzamos al espacio y vimos todo a nuestro alrededor estrellado, empezamos a medir la distancia a dichas estrellas. Y no solo comprobamos que están muy lejos, sino que cada vez se alejan más y más deprisa de nosotros. Partiendo de este hecho y dejando abierto el interrogante de qué es lo que está haciendo que se alejen unas de otras, es obvio rebobinar la cinta y suponer que todas ellas estuvieron más y más cerca en un pasado remoto. Si vamos al inicio todo parece apuntar que la materia que hoy compone el cosmos estuvo concentrada en un único punto y que a partir de ahí se expandió. A la vez, cabe suponer que esa masa debió estar sometida a temperaturas extremadamente altas, puesto que todos los cuerpos materiales se calientan cuando se comprimen, y se enfrían cuando se dejan en libertad. No mencionaré los números de presión y temperatura porque son tan enormes que no nos haríamos ni la menor idea. El caso es que la enorme “explosión” del Big Bang (aunque hay que denominarla correctamente “expansión inflacionaria”) ha dejado su huella hasta el día de hoy en la forma de ondas de microondas, esto es, la radiación que ha viajado desde ese momento y que por tanto ha ido perdiendo energía hasta una temperatura tremendamente baja (de tres grados por encima del cero absoluto), detectable solamente mediante receptores de alta sensibilidad.

Penzias y Wilson. Estos dos físicos recibieron el Premio Nobel de Física en 1978, por el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas.

Precisamente es esta radiación de microondas la que ha permitido representar un mapa del universo a gran escala y donde se ha visto que el universo es completamente uniforme, igual en todas partes. Aunque si alzamos la vista al cielo y veamos que la uniformidad parece brillar por su ausencia (los planetas giran alrededor de las estrellas y las estrellas se juntan en galaxias, que a su vez se unen para formar enormes cúmulos galácticos, entre los que hay descomunales vacíos), eso es solo una impresión, un simple efecto local que se desvanece si observamos el universo desde una perspectiva más amplia, como en esta imagen de fondo de microondas.

Mapa del fondo de microondas del universo observable. Los puntos o regiones azules corresponden a zonas más frías y las amarillas-rojas a las más calientes, pero la diferencia entre unas y otras es inferior a una cienmilésima parte de grado a una escala angular de 10º. Se trata por tanto de una radiación altamente uniforme y las mínimas diferencias observadas responden básicamente al dipolo resultante del movimiento propio de la Tierra por el espacio, (unos 380 Km/s en la dirección del cúmulo de Virgo). [NASA / WMAP Science Team].

[Pero, si la velocidad de la luz siempre ha sido constante (casi 300.000 kilómetros por segundo), ¿cómo es posible que el Universo sea tan uniforme por todos lados? Para que el universo tenga una densidad tan homogénea, los rayos de luz tuvieron que llegar a cada rincón del cosmos o, de lo contrario, algunas zonas serían más frías y densas que otras. Ya que está repartido igualmente por todo, ¿cómo es que a la luz le dio tiempo iluminarlo todo por igual? Para que los lugares o las cosas lleguen a una temperatura común, una condición esencial es el contacto mutuo. Sin embargo, las matemáticas de la relatividad general muestran que en los primeros instantes del universo el espacio se habría dilatado tan rápidamente que las regiones se habrían separado a una velocidad mayor que la de la luz (y esto no incumpliría la relatividad de Einstein, como veremos más abajo, pues fue el espacio en sí el que se expandió más rápido que la velocidad de la luz, no la materia). Como resultado, la luz de dichas regiones habrían sido incapaces de ejercer ninguna influencia unas sobre otras. La dificultad está en explicar cómo se establecieron temperaturas casi idénticas en dominios cósmicos independientes, un enigma al que los cosmólogos han llamado el problema del horizonte.
La teoría inflacionaria resuelve el problema reduciendo la velocidad con la que las regiones se estaban separando en los primeros momentos, lo que les da tiempo más que suficiente para llegar a la misma temperatura. La teoría propone entonces que después de completar este “contacto” hubo un breve brote  de expansión enormemente rápida y a un ritmo cada vez mayor – llamada expansión inflacionaria – que compensó con creces la lenta salida, impulsando rápidamente las regiones hasta posiciones enormemente distantes en el cielo. Las condiciones uniformes que observamos ya no plantean un misterio, puesto que se estableció una temperatura común antes de que las regiones fueran rápidamente separadas. A grandes rasgos, esta es la esencia de la propuesta inflacionaria].

Saber qué había antes de ese Big Bang o, cómo surgió, es todavía un enigma. Hay ciertos razonamientos matemáticos y aproximaciones teóricas pero no terminan de dar una respuesta clara. Lo que está claro es que hablar de tiempo o espacio “antes” del Big Bang o ver nuestro universo como una enorme esfera expandiéndose en medio de otro espacio, es físicamente absurdo. Y como no tiene límites ni paredes, preguntarse por qué hay más allá es como preguntarse, en palabras de Stephen Hawking, qué hay al sur del Polo Sur. Además, al ser infinito, tampoco existe un “centro”, sino que cualquier punto puede ser ese centro. Haré aquí un paréntesis:

[El hecho de que la materia ocupe un espacio infinito y pueda ser comprimida o distendida y ocupar todavía ese mismo espacio infinito (∞ – algo = ∞; ∞ + algo = ∞), constituye una de las llamadas “paradojas del infinito”. Esto se comprende mejor citando un ejemplo que puso el célebre matemático alemán David Hilbert en una de sus conferencias:
Imaginaos –dijo Hilbert- un hotel con un número finito de habitaciones que están todas ocupadas. Cuando llega un nuevo cliente, el director debe rechazarle con disculpas. Pero permitidnos imaginar ahora un hotel con un número infinito de estancias. Aun cuando todas estas habitaciones estuvieran ocupadas, el director acompañaría gustoso a cualquier nuevo huésped para acomodarlo, porque todo lo que tiene que hacer, si acaso, es trasladar al ocupante del primer cuarto al segundo, al del segundo al tercero, al del tercero al cuarto, y así sucesivamente. De este modo resulta que el nuevo huésped puede ocupar siempre la primera habitación. Figuraos ahora un hotel con un número infinito de habitaciones, todas ocupadas –continuó Hilbert-, y un número infinito de nuevos recién llegados. El director sentirá una gran satisfacción por servirlos, y a tal fin trasladará al ocupante del primer cuarto al segundo, al del segundo al cuarto, al del tercero al sexto, y así sucesivamente. De esta manera, cada segundo cuarto (todos los números impares) estará ahora libre, para acomodar un número infinito de nuevos huéspedes”.
Exactamente igual que un hotel con infinito número de habitaciones puede alojar a un número infinito de individuos sin que quede nunca lleno, un espacio infinito puede contener cualquier cantidad de materia, y aunque ésta se halle tan apretada como sardinas en lata o tan extendida como una capa de mantequilla en un bocadillo, siempre existirá sitio de sobra].

La cuestión de si la expansión actual de nuestro universo continuará por siempre jamás, o si alguna vez se detendrá en el futuro, sufriendo algún colapso, se parece a la pregunta de si un cohete disparado desde la superficie de la Tierra continuará por siempre su viaje a través del espacio o caerá sobre nuestras cabezas. Los cálculos indican que la atracción gravitatoria entre galaxias es despreciable comparada con sus velocidades de lo que pudiéramos llamar “inercia de alejamiento”, por lo que no hay posibilidad de que la expansión actual se detenga nunca ni caiga en ningún colapso.

¿Por qué el tiempo y el espacio son relativos?

Así, aunque el origen del universo y sus límites son aún un misterio, sí nos hemos podido aproximar a momentos después de su origen e incluso “verlo”. Claro que lo que vemos es precisamente, valga la redundancia, el “universo visible” y es probable que haya muchísimo más de él que desconocemos. Y es precisamente visible por la luz que nos llega a nosotros. Utilizando los más potentes telescopios actuales que detectan estrellas de luz muy tenue y alejadas, y sabiendo que la luz recorre 300.000 kilómetros por segundo, se ha estimado que el universo (visible) tiene unos 13.800 millones de años.

Como hubo un inicio y como la luz viaja a una velocidad finita, el trozo de Universo que podemos ver está limitado, pues solo es observable la parte cuya luz ha tenido tiempo de llegar a la Tierra. Si el Universo nació hace unos catorce mil millones de años, la luz solo ha podido viajar durante unos catorce mil millones de años y todo cuanto haya más allá de esa distancia aún no es posible observarlo. Ese es nuestro horizonte cósmico y lo que existe dentro es el universo observable. [JM Alvarez METAGRÀFIC].

Y a propósito de la luz, nada viaja más deprisa que ésta, sencillamente porque a medida que los objetos viajan más rápido, su masa crece y mientras más masa tienen, más difícil es lograr la aceleración, por no hablar de que el tiempo se hace más y más lento. Y esto es así porque los fotones, las partículas de las que se compone la luz, no tienen masa. Aparte de que ésta propiedad les da vía libre a la hora de atravesar vacíos como el espacio, su velocidad es constante y además no necesitan acelerar. La energía natural que poseen significa que cuando se crean ya están a su máxima velocidad. Esta propiedad de que la velocidad de la luz es constante hace que, puesto que es el resultado del espacio que recorre entre el tiempo que tarda en hacerlo, espacio y tiempo deban ser relativos.

De esto se dio cuenta Albert Einstein a principios del siglo pasado y fue una enorme revolución científica para el pensamiento de la época, donde el tiempo y el espacio en el universo eran inamovibles.

Einstein no solo formuló esta teoría (Relatividad Especial, 1905), sino que otorgó de maleabilidad a dicho espacio-tiempo como si de una tela se tratase. Se aproximaba así a uno de los misterios que aún imperan en nuestra época, como es la gravedad. La gravedad era entendida como una fuerza o acción a distancia, pero Einstein propuso que solo era consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. La teoría proporcionaba las bases para el estudio de la cosmología y permitía comprender las características esenciales del Universo, muchas de las cuales no serían descubiertas sino con posterioridad a la muerte de Einstein.

El principio fundamental de la teoría (Relatividad General, 1915) era el denominado principio de equivalencia:

Para ilustrar el principio de equivalencia, imaginemos a una persona dentro de un ascensor en caída libre. Esta persona se sentiría ingrávida, flotando. En cambio, cuando el ascensor tirara de nuevo hacia arriba, la persona se daría un buen golpe contra el suelo. Grosso modo Einstein explicó mediante este experimento mental que es imposible distinguir una aceleración constante de los efectos de la gravedad. Llamó a esta idea principio de equivalencia, porque mostraba la equivalencia entre aceleración y gravedad. Los astronautas de una nave espacial acelerada, lejos del sistema solar, sienten una gravedad real, no una mera simulación de gravedad. Y el astronauta que salta de la nave y la ve acelerar alejándose de él está en la misma situación que nosotros cuando saltamos de un trampolín y vemos que la Tierra acelera hacia nosotros.

Vayamos más allá. Si un ascensor se acelera muy rápidamente y un haz de luz lo atraviesa, ¿Qué veríamos? Como se aprecia en la imagen, desde el ascensor veríamos que el rayo de luz se “tuerce”. Entonces, si la luz se curva en el ascensor, también debería curvarse al pasar cerca de un campo gravitatorio. El problema es que como va tan rápida, la aceleración del ascensor debería ser muy alta o lo que es lo mismo, el campo gravitatorio muy elevado. El de la Tierra es pequeño, pero ¿el del Sol? Einstein calculó lo que se desviaría un rayo de luz pasando cerca del Sol: 1,75 segundos de arco (5 diezmilésimas de grado).

Un haz de luz entra en un ascensor, enfocado por un observador desde el exterior con una linterna. Las trayectorias del haz de luz se muestran tal como se verían desde el interior. Si el ascensor acelera, el haz se curvará hacia abajo. La luz se curva de un modo similar hacia una fuente de gravedad.

A pesar de la abstracción matemática de la teoría, las ecuaciones permitían deducir fenómenos comprobables. En 1919 Arthur Eddington fue capaz de medir, durante un eclipse, la desviación de la luz de una estrella al pasar cerca del Sol, una de las predicciones de la relatividad general. Cuando se hizo pública esta confirmación la fama de Einstein se incrementó enormemente y se consideró un paso revolucionario en la física. Desde entonces la teoría se ha verificado en todos y cada uno de los experimentos y verificaciones realizados hasta el momento.

Einstein describe en la teoría de la relatividad general cómo la distribución de materia y energía determina la geometría del espacio-tiempo, y con ella, la gravedad. Einstein crea así un tejido espacio-temporal cuya curvatura es lo que atrae los planetas hacia el Sol. Si en vez del Sol ponemos algo más grande, se hundirá todavía más dicho tejido. Ahora, imagínate que ponemos algo tan tremendamente denso que conseguimos que este tejido del espacio-tiempo se hunda mucho. Hasta que se crea un agujero, un agujero negro. Como en un desagüe, todo caería dentro de él, como en una cascada.

¿Tiene alguna forma?

Entonces, si vivimos dentro de un tejido espacio-temporal como afirmaba Einstein, ¿qué forma tiene?

La cuestión, uno de los mayores interrogantes de la Cosmología, tiene para nosotros implicaciones muy concretas y que van mucho más allá de ser simples cuestiones teóricas. De hecho, la geometría del universo influye de forma decisiva en los objetos que observamos. En un espacio curvo o esférico, la luz que nos llega de galaxias o estrellas lejanas se deforma durante su largo viaje, de manera que la imagen que vemos no se corresponde con la realidad, sino que está distorsionada. Sería, en cierta medida, igual que mirarnos sobre la superficie de una bola metálica y ver nuestro rostro completamente deformado. En un espacio plano, sin embargo, esa distorsión no existiría y nos permitiría ver los objetos celestes tal y como son. Pero, ¿cómo saber cuál de las posibilidades es la correcta?

Un experimento hipotético para comprobar que el universo es plano, sería lanzar dos rayos de luz paralelos que se mueven como “rectas” en el espacio, y comprobar si se encuentran alguna vez o permanecen paralelos indefinidamente. Ya sabemos que los rayos de luz se curvan en las cercanías de una masa, por ejemplo, cuando pasan cerca de una estrella, por lo que para determinar la geometría global del espacio, tendríamos que descontar esas desviaciones locales. Si los rayos de luz siguen indefinidamente paralelos, la geometría del Universo es plana. En este contexto, el término “plano” no se refiere a las características de una superficie, como ocurre en el lenguaje coloquial, sino a las propiedades geométricas de un espacio en tres dimensiones.

Bien, pues esa hipótesis ha sido corroborada por un estudio de la Universidad de Provence en Marsella (Francia), publicado en Nature y que ha empleado la medición de la geometría de pares de galaxias distantes (ver bibliografía).

 

Consultas recomendadas:

Demostración La gravedad deforma el espacio con canicas encima de sábana elástica: https://www.youtube.com/watch?v=yOGkoyvY2To

Gamow, G. (1993). La Creación del Universo. Barcelona, España. RBA Editores SA.

Greene, B. (2015). 100 años de Relatividad General. Investigación y Ciencia. Nº 470, pp. 16-35.

Green, B. (2011). La realidad oculta. Barcelona, España. Editorial Grupo Planeta.

Inflación cósmica: https://www.youtube.com/watch?v=kyiWP-Q4-XI

Marinoni,C. & Buzzi, A. (2010). A geometric measure of dark energy with pairs of galaxies. Nature. Vol. 468, pp. 539–541. doi:10.1038/nature09577

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