Últimamente me llama la atención cierto abuso del lenguaje que se hace a veces sobre algunas ideas de la Cosmología y ciertos errores o conclusiones equivocadas que aparecen como consecuencia de estas imprecisiones.
No se trata de que haya cosas que estén mal en la teoría actual, sino más bien un problema de organización y de divulgación de las ideas esenciales que lleva a error a mucha gente que no ha tenido oportunidad de estudiar con un poco de detalle todo este material.
En la medida de mis posibilidades, voy a intentar sintetizar al máximo las ideas centrales sobre las que se apoya la Cosmología moderna … ¡ sin ecuaciones ! … y voy a intentar mostrar cómo una de las ideas más aceptadas por el público no es exactamente cierta.
La Cosmología
Una de las disciplinas científicas que más atrae la atención de la gente es la Cosmología, cosa normal porque se supone que la Cosmología es el intento de la Ciencia por explicar el origen y destino del Cosmos, del ‘todo’, una empresa ciertamente colosal.
Ocurre que, en realidad, el objetivo de la Cosmología no es tan totalizador como podría parecer y, en lo fundamental, se ocupa de estudiar la evolución y la estructura del Universo a gran escala.
Esta coletilla de ‘gran escala’ es muy importante y significa que la Cosmología no se ocupa de pequeños detalles, solo de grandes cosas.
¿ Y qué son pequeños detalles ? … pues una galaxia como nuestra Vía Láctea, con unos 100.000 millones de estrellas es uno de esos pequeños detalles. Un supercúmulo de miles de galaxias como la nuestra ya es algo de entidad suficiente desde el punto de vista de la Cosmología.
El Principio Cosmológico
El motivo fundamental de centrar la Cosmología en las grandes escalas viene determinado por la posibilidad de modelizar el problema de forma más o menos tratable usando ecuaciones que describan la evolución del Universo. Se trata de simplificar para poder hacer algo manejable y entendible.
Hay que tener en cuenta que en el Universo la fuerza dominante a grandes escalas es la gravedad y que la herramienta esencial para estudiar la gravedad es la Relatividad General. Pero la Relatividad General es un conjunto del orden de 16 ecuaciones diferenciales nada sencillas de resolver, se impone simplificar para poder obtener resultados.
La simplificación de la que se dota la Cosmología y que pone la resolución del problema ‘a tiro’ usando pocas ecuaciones se denomina Principio Cosmológico … ¿ y esto qué demonios es ? … pues esto es un conjunto de dos hipótesis fundamentales que se hacen para hacer el problema tratable:
– El universo es homogéneo. Esto significa que la materia y la energía están distribuídas de forma homogénea en escalas suficientemente grandes.
– El Universo es isotrópo. Esto significa que no hay direcciones privilegiadas a la hora de observar el Universo, no hay lugares especiales.
El principio Cosmológico es la hipótesis central de toda la Cosmología y no estaba nada claro que fuera asumible cuando empezó a postularse a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Hoy en día, observaciones precisas vienen a confirmar que, en escalas muy grandes, sí que parece que el principio se cumple y no hay ‘agujeros’ significativos en la cadena de razonamiento.
Se puede decir que gracias al Principio Cosmológico, la Relatividad General pasa de ser un mamotreto imposible de manejar a convertirse en una única ecuación fácil de manejar.
El Principio Cosmológico impone lo que se denomina métrica del espacio-tiempo(métrica de Robertson-Walker) y deja muy pocos grados de libertad para la estructura general del Universo.
La ecuación de Friedman
A partir del Principio Cosmológico y usando la Teoría General de la Relatividad creada por Albert Einstein en 1915, varios científicos derivaron un conjunto general de ecuaciones sencillas que gobiernan la evolución del Universo.
El primero de estos científicos fué Alexander Friedmann, que no pudo completar el trabajo debido a su prematura muerte en 1925. El trabajo fué reproducido y continuado por Georges Lemaître, que fué el primero en explorar las soluciones que se derivaban de esas ecuaciones y el primero en darse cuenta que todas esas soluciones implicaban un tamaño cero del Universo en algún punto del pasado, un resultado muy revolucionario para la época.
El trabajo fué rematado en los años 30 del siglo XX por Howard Percy Robertson y Arthur Geoffrey Walker que demostraron que en las hipótesis del principio Cosmológico, no había más soluciones que las encontradas por Friedmann y Lemaître.
La ecuación de estado
Además de la hipótesis central que es el Principio Cosmológico, todo este desarrollo usa otra hipótesis denominada ecuación de estado que viene a describir el Universo como un fluído perfecto y que se comporta de forma distinta según contenga materia (tanto bariónica como oscura), radiación o algún mecanismo hipotético que genere una fuerza de signo opuesto a la gravedad (energía oscura) .
La ecuación de estado es necesaria para completar la ecuación de Friedmann como descripción aceptable de la evolución del Universo. Viene a ser otra simplificación que debe ser entendida como válida a grandes escalas, igual que sucede con el Principio Cosmológico.
El ‘edificio’ cosmológico
Pues bien, a estas alturas resulta que tenemos toda la Cosmología moderna basada en una serie de hipótesis:
-Relatividad General
-Principio Cosmológico: métrica RW
-Ecuación de estado
… y a partir de estas hipótesis se derivan unas ecuaciones que describen la posible evolución del Universo (ecuación de Friedmann) y estas ecuaciones se resuelven resultando una familia de soluciones que describen cómo evoluciona el factor de escala del Universo, o tamaño relativo, en cada momento del tiempo.
Todas estas soluciones (o al menos, las soluciones razonables) tienen en común que el tamaño del Universo ha sido cero en algún momento del pasado … ¡ el famoso Big-Bang !
Evolución del factor de escala en distintas soluciones a la ecuación de Friedmann (imagen de umb.edu)
El Big-Bang
¿ Se puede decir que el Big-Bang es una teoría por sí mismo ?
No, es una consecuencia de todo lo anterior.
Entonces … ¿ por qué oímos hablar constantemente de la ‘Teoría del Big-Bang’ ?
Bueno, hay dos cuestiones que lo explican. La primera es que todo el desarrollo teórico de la Relatividad General y las ecuaciones de Friedmann, Lemaître, Robertson y Walker no es algo sencillo, es realidad es algo muy complicado incluso para gente con buenos conocimientos de Físca y Matemáticas. Una forma más accesible de presentar toda la teoría es saltarse todo este desarrollo ‘técnico’ y presentar el Big-Bang como la hipótesis central, lo cual no es cierto pero tampoco se pierde mucha generalidad.
La otra cuestión radica en que durante mucho tiempo existieron otros planteamientos teóricos muy elaborados que abogaban por un Universo estático. Estos planteamientos, como el ‘steady-state universe’ por Fred Hoyle, necesitaban de mecanismos desconocidos para contrarrestar la tendencia natural del Universo a no estarse quieto debido al signo único de la fuerza que lo gobierna, la gravedad.
Así que, durante cierto tiempo, existió cierta rivalidad entre los planteamientos que derivaban en Big-Bang y los que no lo hacían. Naturalmente, la idea del Big-Bang era la que se usaba para referirse al planteamiento de Friedman y compañía a pesar de no ser una hipótesis … ¡ y fueron los enemigos del Big-Bang los que promovieron esta visión !, pensando que de esta forma acabarían con ella. Pero años más tarde las evidencias observacionales se acumularon en favor del suceso del Big-Bang y de todo su soporte teórico. A estas alturas en la ‘mente del colectivo’ ya se había fijado la ‘Teoría del Big-Bang’.
Conclusiones
¿ Por qué es importante todo esto ? … pues sencillamente porque mucha gente piensa que, efectivamente, el Big-Bang es una idea impuesta, una hipótesis inicial … y que todo lo demás surge a partir de esta hipótesis. Lo cual lleva a que mucha gente discrepe de la bondad del Big-Bang como hipótesis inicial … y están en su derecho.
El problema es que ignoran el origen de esta idea y que, en realidad, es una consecuencia necesaria una vez aceptadas las hipótesis de las que hemos hablado.
La Ciencia siempre hace aproximaciones, unas veces mejores y otras peores. La aproximación que se usa en Cosmología moderna es relativamente buena y no hay mucho margen para mejorarla sin meterse en problemas irresolubles. Pero tampoco podemos afirmar que sea una verdad irrefutable.
Lo dicho … en estricta puridad no existe tal teoría del Big-Bang como fundación de la Cosmología moderna. En realidad se habla con más propiedad cuando uno se refiere al Modelo Estándar de la Cosmología Relativista … ese es el termino adecuado, pero quizá es demasiado largo para una serie de televisión.
Esta entrada participa en la Edición LIII del Carnaval de la Física, hospedado en esta ocasión por Vega 0.0: http:/www.vega00.com
Para saber más:
Schneider: Extragalactic Astronomy and Cosmology
Ryden: Introduction to Cosmology
Wikipedia: Teoría del Big-Bang
