Arrugas en el tiempo

George Smoot, Keay Davidson, Néstor Míguez, José González, Néstor Míguez, José González

• Editorial: Grano de Sal
• Año: 2018
• ISBN del libro electrónico: 9786079824921
• Categoría: Ciencias físicas
• Categoría: Cosmología

Todo lo que somos y todo lo que nos rodea proviene de un mismo lugar y un mismo momento: el Big Bang. La cosmología contemporánea, esa disciplina en que la astronomía convive con la física cuántica y la relatividad general para estudiar el origen y la evolución temprana del universo, explica el surgimiento y la distribución de los cuerpos celestes y los elementos químicos. George Smoot y Keay Davidson presentan en este libro un recuento de los hitos que a lo largo del siglo XX transformaron nuestro modo de comprender el cosmos; es además una emocionante bitácora de las aportaciones del propio Smoot —con globos que ascienden a la estratosfera, aviones bombarderos adaptados para la exploración científica, severos viajes a la Antártida, todo ello aderezado con las rivalidades entre distintos grupos de investigación— para escudriñar en el fondo cósmico de microondas, como nunca se había hecho antes, en busca de pequeñas irregularidades —las "arrugas en el tiempo" del título— en la estructura del espacio-tiempo en los primeros momentos del Big Bang. Tal vez la contagiosa pasión que irradia este libro provenga de la certeza de George Smoot de que esos hallazgos fueron "como mirar a Dios" pues logró "vislumbrar el momento mismo de la creación". Por eso Stephen Hawking consideró que éste fue "el descubrimiento científico del siglo, si no es que de todos los tiempos".

1. En el comienzo

Yo era un tesoro escondido y deseaba ser conocido:
por lo que creé la creación para ser conocido

MITO SUFÍ DE LA CREACIÓN

Existe algo en el cielo nocturno que hace que, al mirarlo, uno no pueda dejar de admirarse. Cuando era niño, tuve la fortuna de vivir en lugares donde por la noche el cielo se veía fácilmente. Recuerdo claramente estar viajando en el asiento trasero del auto cuando mi familia regresaba a casa después de visitar a nuestros primos. Por la ventana de atrás veía la Luna a través del paisaje. Parecía seguirnos por el camino que hacía mi perro cuando yo exploraba nuestro gran jardín y los campos y bosques que lo rodeaban. Cuando parecía que se había perdido detrás de un cerro o de un árbol, volvía a aparecer. Les pregunté a mis padres: “¿Estamos en algún lugar especial para que la Luna se mantenga sobre nosotros observándonos? ¿Es a nosotros o a la dirección en la que vamos? ¿Cómo puede hacer lo mismo en todo el mundo al mismo tiempo? ¿La Luna es como Santa Claus?” Mis padres me explicaron que la Luna es muy grande y está muy lejos, y que las montañas y los árboles que encontrábamos en el camino eran pequeños comparados con ella, como cuando uno pone los dedos delante de los ojos y, si mueve un poco la cabeza, puede ver enseguida de nuevo. Entonces me hablaron acerca de la Tierra y la Luna, y también de las fases de ésta y de las mareas. Esa noche mi mundo cambió. Nuestro jardín trasero, el bosque cercano, mi pueblo e incluso el viaje de dos horas a la casa de mis primos no eran sino una pequeña parte de un mundo mucho mayor. Más aún, había razón y orden, hermosamente explicados por conceptos claros que se entrelazaban. No sólo pude descubrir cosas nuevas, como los estanques y los renacuajos, sino que también pude descubrir qué había hecho que las cosas sucedieran, cómo habían sucedido y de qué manera armonizaban. Para mí fue como caminar en un museo oscuro y salir a la luz. Había tesoros increíbles para contemplar.

Ahora, cuatro décadas más tarde, sentado en mi laboratorio, me doy cuenta de que había sido capaz de pasar mucho tiempo en ese museo buscando tesoros. Algunos habían sido bosquejados por anteriores investigadores y sabios. Unos pocos los vi con la débil luz de mi linterna. Ésta es la historia de la búsqueda y la consiguiente iluminación de uno de esos tesoros, llamado por algunos “el Santo Grial de la cosmología”, o sea la búsqueda principal de esta ciencia. Es una historia que comienza con las primeras personas que contemplaron las estrellas y con nuestros propios orígenes, y continúa a través de siglos de observación, especulación y experimentación. Incluye objetos tan grandes como los supercúmulos galácticos y tan pequeños como las partículas subatómicas. Es una historia que me transportó a la selva tropical de Brasil y a las desérticas planicies heladas de la Antártida, al enamoramiento y a la frustración con los globos aerostáticos diseñados para alcanzar grandes alturas, al misterio de los aviones espía U-2 y, finalmente, a la aventura del espacio. Es mi historia personal, pero también la historia de muchos otros, tanto personajes históricos como contemporáneos, que intentaron dar respuesta al más viejo y central de los misterios: ¿cómo y por qué empezó el universo y cuál es nuestro lugar en él?

FIGURA 1.1. Concepción tolemaica del universo. Los antiguos griegos organizaron sus observaciones del mundo en modelos cosmológicos, cuyo origen se remonta unos 2 500 años. Un modelo permanecía por encima de otros por su belleza. El astrónomo egipcio Ptolomeo (siglo II d. C.) trató de adaptar el modelo cosmológico para que concordara con las observaciones astronómicas de su época; su modelo tuvo una vigencia de 1 400 años. (A partir de un dibujo de Christopher Slye.)

La cosmología se define como la “ciencia del universo”. En el inicio del tercer milenio, la cosmología está experimentando un magnífico periodo de creatividad, una edad dorada en la que las nuevas observaciones y las nuevas teorías aumentan nuestra comprensión del universo —y nuestro respeto— de manera sorprendente. Pero esta edad dorada vigente sólo puede ser totalmente entendida a la luz de lo que ha pasado antes. El conocimiento científico siempre es provisional, siempre está en discusión. La historia de la ciencia muestra una progresión de teorías que se entrelazan en un momento dado sólo para ser cambiadas, rectificadas o modificadas cuando la observación las pone en entredicho.

La cosmología occidental comienza con los griegos, quienes hace 2 500 años comenzaron a hacer observaciones sistemáticas del cosmos. En su día apareció la visión del cosmos de Aristóteles, enfoque que prevalecería, a pesar de algunas modificaciones menores, a lo largo de toda la Edad Media y hasta el Renacimiento. La suya era una visión estética del universo que fue formalizada por la teología. Según Aristóteles, en el instante de la creación el Primer Hacedor —versión aristotélica del creador— estableció los cielos con un movimiento eterno y perfecto, con el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas fijos en el interior de ocho esferas cristalinas que rotaban sobre su centro alrededor de la Tierra. No había nada semejante al vacío; todo estaba lleno de la divina presencia. Toda la materia estaba constituida por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Una quinta esencia, una sustancia perfecta que no podía ser destruida ni convertida en ninguna otra cosa, formó las esferas; esta quintaesencia era llamada “éter”.^† Los cielos eran perfectos e inmutables, en tanto que la Tierra era imperfecta y proclive a la decadencia.

FIGURA 1.2. El universo medieval. La cosmología no era el reino exclusivo de la ciencia y la filosofía sino que incorporaba al hombre y sus divinidades. Este dibujo, elaborado a partir de la Divina comedia de Dante (1265-1321), muestra el concepto medieval del universo, incluyendo la conexión entre la teología católica y la cosmología griega, es decir ptolemaica.

FIGURA 1.3. El universo infinito de Thomas Digges. Después de los trabajos de Copérnico (1473-1543) sobre la reforma del calendario, realizados a petición del Vaticano, apareció una nueva cosmología con el Sol en el centro del universo. Fue la época de los grandes descubrimientos tanto en la Tierra (las expediciones de los navegantes españoles y portugueses) como en los cielos. El tamaño del sistema solar se multiplicó por 10 mil en un siglo. La idea de un universo pequeño dio paso a un sistema mucho mayor en 1576, cuando Thomas Digges (1543-1595) publicó su representación del sistema copernicano combinada con un espacio exterior de estrellas infinitamente extenso.

En la cosmología aristotélica, el movimiento en los cielos era circular —otro signo de perfección— mientras que, en la Tierra, cuando las cosas se movían lo hacían en línea recta. El estado natural de la materia era el reposo.

Diversas observaciones tanto del cielo como de la Tierra permitieron detectar imperfecciones en la cosmología de Aristóteles. Por ejemplo, los planetas parecían cambiar su curso; Marte de vez en cuando se detenía y luego invertía la dirección de su trayectoria. No obstante, tras las modificaciones realizadas por el astrónomo alejandrino Claudio Ptolomeo para dar cuenta de ciertas anomalías, la cosmología aristotélica persistió durante dos mil años y fue adoptada y adaptada por la teología cristiana.

En 1514, el papa encargó al matemático polaco Nicolás Copérnico la reforma del calendario. Copérnico aceptó el encargo, pero creyó que las relaciones entre los cuerpos celestes y sus movimientos debían reconsiderarse. Así lo hizo y en 1543, año de su muerte, publicó el trabajo titulado Sobre las revoluciones de las esferas celestes, un documento que ataca los fundamentos de la cosmología aristotélica y por ello también a la teología cristiana que la había incorporado. Este trabajo fue el resultado de la visión emergente del mundo renacentista, en la que la lógica, las matemáticas y la observación ocupaban un lugar destacado. La Tierra ya no se encontraba en el centro del universo: el Sol estaba en el centro y la Tierra orbitaba a su alrededor como los demás planetas. Esta cosmología sitúa al hombre fuera de la posición central, desde la cual había sido objeto de una constante vigilancia por parte de Dios, y al mismo tiempo mezcla lo perfecto con lo imperfecto, al colocar la Tierra en los cielos. Éste fue el principio del fin para el cosmos aristotélico.^†

Durante los últimos cuatro siglos, el enfoque geocéntrico del cosmos fue cambiando gradualmente debido a las observaciones astronómicas y los experimentos realizados en la Tierra. De la misma forma como el universo geocéntrico de Aristóteles fue reemplazado por el universo heliocéntrico de Copérnico, éste pronto fue sustituido por el de Newton y más tarde el de Newton por el de Einstein. Actualmente vivimos en el universo de Einstein, pero este enfoque del mundo también puede resultar inadecuado algún día. Uno de los planteamientos de este libro, y de la historia de la ciencia, es que ninguna teoría es sacrosanta. A medida que la tecnología y el ingenio experimental amplían nuestros poderes de observación, debemos modificar nuestras teorías para incorporar aquello que observamos.

FIGURA 1.4. La cosmología del Big Bang sostiene que el universo está en expansión y evolución. Si se mira atrás en el tiempo (hacia abajo en la figura), el universo es más denso y caliente, y su contenido más joven. En el preciso momento en que ocurrió el Big Bang, sólo había “semillas”.

Cuando en 1970 empecé a dedicarme a la cosmología, la ciencia estaba sufriendo un cambio. En el pasado, la astronomía y la física de partículas habían encarado en forma independiente algunos problemas fundamentales de la naturaleza. Pero en 1970 comenzó a darse una unión de esas dos disciplinas. Esta unión del estudio de lo incomprensiblemente grande (astronomía) y lo increíblemente pequeño (física de partículas) promete acercar la curiosidad humana a la respuesta de las últimas preguntas. Por cierto, ya se está moviendo en esa dirección, ya que la experimentación y la teoría nos permiten retroceder hacia el lapso de tiempo más pequeño imaginable, algo como 10^–42 segundos (es decir, una millonésima de una billonésima de una billonésima de una billonésima de segundo), después de lo cual creemos estar ante el origen del universo.

La finalidad de la cosmología comienza en ese momento y acompaña la evolución consecuente de nuestro cosmos, que pasó de ser del tamaño de una fracción de un protón (una de las partículas elementales de las que está hecha toda la materia conocida) a ser una interminable extensión esencial. Esta teoría de un cosmos en expansión es conocida popularmente como Big Bang. Para los cosmólogos, el Big Bang es una poderosa teoría que ha dominado la ciencia en las últimas décadas. Como lo indican esas dos palabras, la teoría encara el comienzo del universo con una probable explosión. Pero a diferencia de una convencional, el Big Bang no ocurrió dentro del espacio existente, sino que creó el espacio mientras se expandía (y continúa haciéndolo). El Big Bang fue la creación cataclísmica de la materia y el espacio. Para entender las condiciones que permitieron que ocurriera el Big Bang, debemos abandonar nuestra noción racional de la materia, la energía, el tiempo y el espacio como entidades separadas. En el momento de la creación, el universo existía en condiciones muy distintas, y probablemente actuaba de acuerdo con leyes diferentes de las de hoy. A veces la realidad de la cosmología supera nuestra comprensión.

A pesar de que la idea original del Big Bang la desarrolló entre 1927 y 1933 George Lemaître, un sacerdote belga, no fue sino hasta 1964 cuando la teoría emergió como la explicación dominante de cómo el universo llegó a ser lo que es.^† En ese año, dos radioastrónomos estadounidenses descubrieron lo que parecía ser un débil resplandor del antiguo cataclismo. Ese resplandor, un invasor sonido de radiación con una temperatura equivalente a poco más de 3 K (apenas tres grados sobre el cero absoluto), es conocido como fondo de radiación cósmica y nos da una rápida imagen del universo tal como era unos 300 mil años después del Big Bang. Es a través del fondo de radiación que mis colegas y yo esperamos descubrir nuestras arrugas en el tiempo, el Santo Grial de la cosmología.

Uno de los mayores desafíos para la teoría del Big Bang ha sido explicar cómo la materia está distribuida a través del espacio del cosmos en constante expansión. Es posible imaginar que toda la materia puede haberse distribuido uniformemente a través del espacio, haciendo del universo una nube de gas homogénea, con una densidad promedio de alrededor de un átomo de hidrógeno por cada diez metros cúbicos. (Como comparación, el aire que respiramos contiene 3 × 10²⁵ átomos por metro cúbico, fundamentalmente de nitrógeno, oxígeno y carbono, todos ellos más grandes que el de hidrógeno.) Si el universo actual, unos 15 mil millones de años después de formado, fuera una nube de gas virtualmente interminable, el cielo nocturno sería inexorablemente negro y nosotros no estaríamos aquí para observarlo. Sin embargo, sabemos por nuestra existencia misma que algo en la evolución del universo hizo que la materia se condensara para formar estrellas y planetas, y finalmente la vida (no exactamente la vida en la Tierra sino, con una probabilidad que se acerca al cien por ciento, en millones de otros planetas, incluyendo algunos en nuestra Vía Láctea).

De nuevo, es factible imaginar que las estrellas, como nuestro Sol con sus órbitas planetarias, se distribuyeron de manera uniforme a través del universo, una nube uniforme de miles de millones de puntos luminosos en el firmamento nocturno. Pero nuestra experiencia nos dice que no fue así. El Sol no es sino una en los cientos de millones de estrellas similares en una enorme galaxia espiral rotatoria, con forma de disco —la Vía Láctea—, que se ve como una sutil banda en el cielo de la noche. Para todos los fines y propósitos, todas las estrellas forman parte de esas galaxias. La materia, entonces, no sólo está agrupada formando estrellas sino también como grupos de estrellas o galaxias.

FIGURA 1.5. Fotografía de una galaxia en espiral, la NGC 1232, a una distancia de 65 millones de años-luz. La materia visible se agrupa en estrellas y las estrellas se organizan en sistemas gigantes llamados galaxias. Si pudiéramos ver nuestra Vía Láctea, posiblemente éste sería su aspecto. (FORS, 8.2-meter VLT Ant, ESO)

De nuevo, es posible imaginar que todas las galaxias, una vez que por la condensación de la materia constituyeron una comunidad de estrellas, se distribuyeron de manera uniforme a través del universo, una nube uniforme de espirales borrosas en el cielo de la noche. Un descubrimiento tan importante como reciente de la cosmología es que tampoco ése es el caso. A menudo las galaxias no sólo están reunidas en grupos de miles de galaxias, sino en entidades mayores conocidas como supercúmulos y en estructuras aún mayores, algunas de muchos millones de años luz de extensión. En otras palabras, en el universo la materia está altamente estructurada. Una imagen útil del universo es una espuma compuesta por burbujas de jabón, en la que las paredes de éstas representan concentra ciones de galaxias y su interior, vastas áreas vacías del espacio.

FIGURA 1.6. Estudio de un millón de galaxias del Lick Observatory. Aquí se representa la localización de un millón de galaxias que cubren un hemisferio celeste. Obsérvese que las galaxias no están distribuidas al azar sino organizadas, formando grupos que a su vez están agrupados (racimos). Existen vacíos de forma esférica con galaxias en su superficie y grupos en las intersecciones de esas esferas vacías, en una distribución que se asemeja a la espuma. La materia se agrupa en una escala que va de las estrellas hasta las configuraciones de mayor tamaño observadas. (Edward Shaya, James Peebles y R. Brent Tully.)

Pero para el cosmólogo moderno la estructura y la formación de la materia visible no son más que una parte del problema. Salga el lector esta noche y, si tiene la fortuna de encontrarse con un cielo claro y una lucecita extraña, mire detenidamente el firmamento. Si usa binoculares o un telescopio, verá un cielo nocturno ardiente, como lo vio Galileo hace cuatro siglos, con millones de estrellas y galaxias, la sustancia misma de la creación. Esto es lo que pensamos habitualmente cuando hablamos sobre el universo. Sin embargo, aquello que el lector no verá es de la mayor importancia para los teóricos. Si la cosmología moderna es correcta, las estrellas que brillan en el cielo nocturno representan menos del 1 por ciento del material de la creación. La mayor parte de la materia creada durante el Big Bang puede resultarnos completamente extraña, ser invisible a nuestros ojos y estar mucho más allá de nuestra experiencia física.

Este rompecabezas cosmológico tan nuevo como gigantesco está relacionado con la investigación de la cosmología en las últimas cinco décadas. El descubrimiento en 1964 del fondo de radiación cósmica parece confirmar la realidad del Big Bang. Pero deja sin contestar una pregunta clave: ¿cómo dirigió el Big Bang la formación de estrellas, galaxias, cúmulos galácticos y demás, por condensación de la sustancia de la creación? Si el Big Bang tuvo lugar, las claves para la formación de las estructuras que actualmente vemos en el universo deberían ser observables en los primeros residuos de la furia de la creación. Los indicios deberían advertirse en el fondo de radiación cósmica.

Para sus descubridores, el fondo de radiación proveniente de todas las regiones del universo tiene la misma apariencia, una imagen que muestra un tejido uniforme de espacio y energía. Pero, para que las estructuras se ...

Índice

• Cubierta
• Portadilla
• Portada
• Créditos
• Índice
• Nota del revisor
• Prólogo a la nueva edición en español
• Prólogo
• 1. En el comienzo
• 2. El oscuro cielo nocturno
• 3. El universo en expansión
• 4. Conflicto cosmológico
• 5. En busca de antimundos
• 6. Un espía en el cielo
• 7. Un universo diferente
• 8. El corazón de las tinieblas
• 9. El universo inflacionario
• 10. La promesa del espacio
• 11. COBE: la alternativa
• 12. Primera ojeada a las arrugas
• 13. Un lugar horrible para hacer ciencia
• 14. Hacia la pregunta definitiva
• Agradecimientos
• Lecturas sugeridas
• Colaboradores del proyecto COBE