La ruta del Big Bang

Marcia Henríquez Bustamante

• Editorial: Editorial Universidad de Santiago
• Año: 2022
• ISBN:
  9789563034011
• Categoría: Storia
• Categoría: Storia mondiale

Estimado lector: usted está aquí.Tiene este libro en sus manos, y si no consigo llamar su atención en las próximas cinco líneas, va a dejarlo abandonado sobre la mesa. Me temo que no tengo otra alternativa que decirle la verdad sin suavizantes ni "photoshop", la verdad a secas: mi única intención es que usted haga valer uno de los más profundos derechos del ser humano, el derecho a acceder al conocimiento. ¿Acaso no fue que "por probar el fruto del árbol de la Ciencia" nuestros ancestros fueron expulsados del paraíso? Le daré una sola buena razón para que se le vuelvan imperiosas las ganas de reclamar este derecho: ¡el conocimiento produce placer!Pues bien, ¿nos arriesgamos una vez más?

CAPÍTULO III
LA TEORÍA DEL BIG BANG

“Los niños habían de recordar por el resto de su vida la augusta solemnidad con que su padre se sentó a la cabecera de la mesa, temblando de fiebre, devastado por la prolongada vigilia y por el encono de su imaginación, y les reveló su descubrimiento.

—La tierra es redonda como una naranja…”

Cien años de soledad
Gabriel García Márquez

Conceptos clave: Teoría Estándar del Big Bang con etapa inflacionaria, Tiempo de Planck, Longitud de Planck, Fluctuación cuántica del vacío, Velocidad de la luz, Relatividad Especial, Relatividad General, Sistema de referencia inercial, Fusión nuclear de hidrógeno, Cadena protón-protón, Defecto de masa, Espacio-tiempo, Principio de equivalencia, Geodésica, Constante cosmológica, Parámetro de Hubble, Principio cosmológico, Cefeidas variables, Radiación de fondo de microondas, Problema del horizonte, Planitud, Materia Oscura, Energía oscura.

ASIMILANDO QUE HABITAMOS UN MUNDO EXTRAÑO

Casi por la misma época en que me dijeron que el viejito pascuero no existía, todavía en edad preescolar, hube de vivir la misma extraña experiencia, a la que José Arcadio Buendía sometió a sus hijos en el inolvidable Macondo; mis hermanos me dijeron que la Tierra era redonda.

Cada año, cuando se acercaba la navidad, me preocupaba profundamente al escuchar las mentiras de mis padres; que pórtate bien, que el viejito, que los regalos, en fin… en cambio los meses restantes, mi preocupación estaba centrada en los chinos; porque viviendo los chinos al otro lado del mundo, los imaginaba con los pies arriba, caminando apoyados sobre sus manos, y pensaba que aquello debía ser agotador. A la larga, entendí que no hay una ley natural entre la atracción gravitatoria y los circos de acróbatas chinos; después de un par de lustros, también llegué a entender los argumentos para sostener que la Tierra es redonda y, aunque el ciclo de la vida se encargó de traer de vuelta al viejito pascuero en gloria y majestad, llegó el día en que hube de renunciar a ese “chico de rojo”, que fue cuando escuché a mis hijos susurrando «¿le decimos o esperamos hasta el próximo año?».

Ahora bien, siendo el propósito de este libro un tema científico serio, es posible que este preámbulo le resulte desconcertante, sin embargo, cumple con el propósito de confesar que soy una de esas personas que asimilan lentamente el conocimiento. He tomado alguna consciencia de la profundidad y aridez de los temas que vamos a tratar y, con eso en mente, me he propuesto como objetivo que usted, mediante su lectura, llegue a percibir (como yo lo he hecho), que allí donde había una muralla infranqueable, se ha abierto una pequeña puerta, y aunque en rigor no se nos invita a pasar porque dentro están todos muy ocupados para andar haciendo de anfitriones, sí se nos permite al menos, dar una miradita.

Le anticipo que lo que verá es hermoso, pero rarísimo; consistente, pero para nada intuitivo. Encontrarle un verdadero sentido, de seguro requiere adentrarse, y si usted es como yo (de procesamiento lento), le tomará su tiempo.

Este capítulo está dedicado a la Teoría del Big Bang y es un acercamiento a conocer lo que la Ciencia ha planteado sobre la evolución del Universo y, al mismo tiempo, nos aproxima a los acontecimientos históricos que desembocaron en la teoría, a los personajes principales y a las luchas de poder entre científicos; (pues cuando no es el dinero; la fuerza impulsora suele ser la pasión por el poder… y sí, aún en las mentes más brillantes).

La parte más extensa de este capítulo estará destinada a ilustrar de qué manera las consideraciones relativistas proporcionan un marco para la Teoría del Big Bang. Al final, analizaremos el aporte y la visión de la Mecánica Cuántica para el mismo fenómeno, y las modificaciones que ha debido sufrir, hasta llegar a conformar lo que actualmente se denomina Teoría Estándar del Big Bang con etapa inflacionaria. No se asuste el lector con lo recién enunciado; recuerde que este libro se precia de ser un relato.

COMENZANDO POR EL PRINCIPIO

El Big Bang en dos pinceladas

Se ha estimado que nuestro Universo comenzó hace unos 13.800 millones de años. Preguntarse qué había antes de eso, de acuerdo a la Ciencia, carece de sentido porque no existe un antes; a partir del Big Bang comenzó el espacio y comenzó el tiempo.

El desarrollo de la Teoría del Big Bang tiene su punto de partida en las primeras décadas del siglo XX. Como el propio Universo también ha evolucionado, y aunque el proceso ha sido rápido, lo cierto es que aún no está todo dicho. Desde luego hay un actor principal; Albert Einstein. Él tuvo un rol protagónico al formular la Teoría de la Relatividad, también tuvo otro papel de considerable importancia en los inicios de la Mecánica Cuántica, con el descubrimiento del efecto fotoeléctrico. Sin embargo, el curso que después tomaría la Teoría del Big Bang y el conocimiento actual del Universo, como veremos, es trabajo de muchos científicos.

La Teoría de la Relatividad General brinda una descripción del Universo a gran escala y es el marco teórico de la Teoría del Big Bang, sin embargo, proponer una secuencia de los procesos que debieron producirse a escala atómica y subatómica desde los primeros minutos… o en otras palabras, la creación de materia; ha sido labor de la Mecánica Cuántica.

La Teoría de la Relatividad General fue formulada en 1915, y aunque el desarrollo de sus ecuaciones predecía algo distinto, Einstein sostenía que el Universo debía ser estático; no apoyaba en absoluto la idea que el Universo se expandiese, y menos que hubiese tenido un punto de partida; en menos de 15 años, la evidencia mostró que las cosas no eran tan parecidas a como él las imaginaba, o al menos, eso fue lo que pensaron todos. Recién en 1970, Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron que (según la Teoría de la Relatividad) el Universo habría surgido de una singularidad; un estado extremo en que las propiedades, por ejemplo la densidad, se hacen infinitas. Hasta ese punto funciona el modelo teórico; llega el instante en que la descripción deja de tener sentido físico para las teorías actuales porque las propiedades se hacen infinitas. Vale decir, ni la Mecánica Cuántica ni la Teoría de la Relatividad pueden dar cuenta del instante cero del Universo. Como veremos, la Relatividad describe la gravedad donde ella tiene peso, en el ámbito de estructuras grandes; la Mecánica Cuántica describe interacciones a nivel de partículas donde la gravedad es una fuerza débil que carece de importancia. Si la singularidad es un punto de densidad infinita, se requeriría una teoría distinta para abordarlo y hace años se está en búsqueda de una teoría de la Gravedad Cuántica, que como se dijo en el capítulo I, a la fecha no existe.

De acuerdo a la teoría, el tiempo y el espacio surgen con el Big Bang; luego hay un lapso pequeñísimo, conocido como “tiempo de Planck”, a partir del cual los parámetros tienen sentido físico (la distancia del Universo de un extremo a otro, en el tiempo de Planck, habría sido 1x10-35 metros; y es conocida como “longitud de Planck”). Se ha determinado que la altísima temperatura que satisfaría esa condición (que no es infinita, como uno podría imaginar a priori) tiene un valor del orden de 1x1032 grados; y esa habría sido la temperatura del minúsculo Universo. Después, (siempre en lapsos brevísimos) pasaron más cosas; el Universo emergente se infló, ¡se expandió vacío!, las fuerzas de la naturaleza que antes estaban unidas, se fueron separando. Mientras la temperatura descendía de manera desmesurada, y como resultado de algo que le pasa al vacío, llamado “fluctuación cuántica del vacío”; en distintos puntos de ese vacío, surgió la materia. Más tarde, tuvo lugar la evolución del Universo. Esta cosmovisión, que muy cerca del origen supone una etapa de expansión desmesurada, se llama Teoría Inflacionaria.

Por favor mire su reloj; el nacimiento del Universo habría durado aproximadamente unos tres minutos. Después de media hora, tras descender dramáticamente, la temperatura se habría estabilizado, y luego habría habido 380.000 años de oscuridad (ya que la luz no podía escapar de las incesantes interacciones con los electrones, que a tan alta temperatura, aún no formaban parte de los átomos).

Todo lo dicho suena sumamente especulativo, no obstante, existe evidencia que permite sostener que la teoría es razonable; que muy probablemente, esa fue la forma en que ocurrieron los fenómenos, y que éstos admiten explicar que el Universo sea como lo observamos.

El funcionario en una oficina de patentes: “ese tranquilo claustro”

Si nos remontamos a los locos años veinte, nos encontramos con que Albert Einstein (haya o no bailado charleston) ya había formulado la Teoría de la Relatividad General. Ante la razonable pregunta de: ¿Qué tiene que ver aquí la Teoría de la Relatividad General? La respuesta es; mucho. Einstein estaba obsesionado con describir y entender el funcionamiento del Universo. Eso es lo que explica la Teoría de la Relatividad General; a la que se dedicó durante los años que trabajaba en una oficina de patentes en Berna. Surge la duda de saber si en verdad se patentaban inventos a diario; pero a la luz de que Einstein lo llamaba “ese tranquilo claustro”, podría uno suponer, que no era demasiado el movimiento.

Las leyes fundamentales del movimiento y de la gravedad, descubiertas por Isaac Newton en 1687, y su máxima expresión a través de la ley de gravitación universal, constituyen una buena aproximación a la descripción del Universo; sin embargo, la Teoría de la Relatividad General proporciona resultados más exactos y acierta en sus predicciones, allí donde la Mecánica Clásica comienza a presentar fallos.

Ahora cabe preguntarnos; ¿Cuáles fueron las grietas que vislumbró Einstein en la Física Newtoniana, para buscar respuestas diferentes? Porque el problema de aplicar las leyes de Newton, no está en los resultados. Las condiciones en que realmente se manifiestan las diferencias relativistas son bastante extremas, y como los cálculos son mucho más complejos, no se justifica complicarnos la vida cotidiana con la relatividad; no es necesario, porque a velocidades mucho menores que la de la luz, las fórmulas relativistas se reducen a las que estableció Newton.

En el marco conceptual de Newton, existe un espacio absoluto y un tiempo absoluto, que coinciden con la experiencia cotidiana de espacio y tiempo. La Física antes de Einstein, apelaba a la existencia del éter. Se suponía que existía una sustancia presente en todo el Universo que se encontraba en reposo en el espacio absoluto. El sonido requiere de un medio para propagarse, normalmente el aire. Se consideraba que la luz viajaba a través del éter; como el sonido viaja a través del aire. Albert Michelson, a partir de 1881 (teniendo 28 años), planificó y realizó un cuidadoso experimento que le permitió medir la velocidad de la luz en diferentes direcciones, obteniendo siempre el mismo resultado. Algunos años después, trabajando con Edward Morley, realizaron el experimento con mayor precisión aún y determinaron que la velocidad de la luz es constante. Eso hacía pensar que la existencia del éter no era necesaria.

En términos de la vida cotidiana, el movimiento de vehículos en carreteras, de barcos en el océano, de aviones, de naves enviadas al espacio, incluso el movimiento de la mayoría de los planetas de nuestro Sistema Solar; puede ser comprendido y predicho adecuadamente utilizando las leyes de Newton. Las consideraciones de la relatividad adquieren relevancia a velocidades cercanas a la de la luz y en la escala de objetos verdaderamente masivos (como el Sol, por ejemplo). Ahora bien, Einstein era un poquito “cuático”; porque a falta de una, propuso dos Teorías de la Relatividad: la Relatividad Especial y la Relatividad General.

El caso especial de la Relatividad Especial

Es especial porque se refiere al caso “especial” de movimiento rectilíneo uniforme, o sea al movimiento a velocidad constante sin cambiar de dirección.

En el siglo XVI, Galileo había planteado un principio de relatividad que establecía que: “las leyes de la Mecánica son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales”. El primer postulado de la teoría de la Relatividad Especial de Einstein, es similar al de Galileo, pero contiene una profunda diferencia; Einstein también incluye a la radiación electromagnética (la luz).

Postulado Uno - Principio de Relatividad: Las leyes de la Física (la Mecánica y el Electromagnetismo) son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales.

¿Notó la diferencia? Galileo habla de las leyes de la Mecánica, del movimiento de los cuerpos; Einstein incluye a la luz. De acuerdo a este postulado, no existe un marco de referencia más “correcto” que otro u otros. Ningún sistema de referencia inercial es privilegiado, ni puede arrogarse la propiedad del reposo absoluto. Pero, ¿en qué consiste un sistema de referenci...

Índice

• Portada
• Título
• Créditos
• Índice
• AGRADECIMIENTOS
• PRÓLOGO AL LECTOR
• De gatos cuánticos y niñas cuáticas
• CAPÍTULO I LADRILLOS PARA EDIFICAR EL CONOCIMIENTO SOBRE EL UNIVERSO
• CAPÍTULO II LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
• CAPÍTULO III LA TEORÍA DEL BIG BANG
• CAPÍTULO IV NACIDAS PARA BRILLAR