Acerca del origen del universo y del Big Bang

Lunes, 23 abril, 2012

Como venimos haciendo los lunes, continuamos con el comentario del libro “¿Cómo habla Dios?” de Francis S. Collins. Comenzamos ahora la PARTE II de libro, que está dedicada a las grandes preguntas de la existencia humana. Al comienzo nos cuenta su discurrir científico acerca de las diversas teorías sobre el universo, la relatividad y la cuántica. Después empieza un estudio de algunos grandes temas, como el Big Bang, el principio antropomórfico, etc… En esta primera entrada veremos los interrogantes que nos plantea en origen de universo:

El Big Bang

A principio del siglo XX, la mayoría de los científicos asumió que el universo no tenía principio ni fin. Esto creaba ciertas paradojas, por ejemplo, cómo lograba el universo permanecer estable sin derrumbarse en sí mismo debido a la fuerza de la gravedad, pero las alternativas no parecían muy atractivas. Cuando Einstein desarrolló la teoría de la relatividad general en 1916, incluyó una “constante” para bloquear la implosión gravitacional y retener la idea de un universo en estado estable. Se dice que luego llamó a esta constante “el error más grande de mi vida”.

Otras formulaciones teóricas proponían la alternativa de un universo que hubiera comenzado en un momento en particular, y luego se expandiera al estado presente, pero se dejaba a las mediciones experimentales confirmar esto antes de que los físicos pudieran considerar esa hipótesis seriamente. Estos datos fueron inicialmente proporcionados por Edwin Hubble en 1929, en un famoso conjunto de experimentos en los que observaba la velocidad a la que galaxias vecinas se alejan de la nuestra.

Con ayuda del efecto Doppler, el mismo principio que permite a la policía determinar la velocidad de un automóvil al pasar ante su equipo de radar, o que hace que el silbido de un tren que se acerca suene más agudo que después de que ha pasado, Hubble descubrió que a todas partes que viera, la luz de las galaxias sugería que se estaban alejando de la nuestra. Mientras más lejos estaban, más rápido se alejaban las galaxias.

Si todo en el universo se está alejando, hacer retroceder la flecha del tiempo indicaría que en algún momento todas las galaxias se encontraban juntas en una entidad increíblemente masiva. Las observaciones de Hubble iniciaron un diluvio de mediciones experimentales que durante los últimos setenta años han llevado a la conclusión por parte de la gran mayoría de los físicos y cosmólogos, de que el universo empezó en un solo momento, ahora comúnmente referido como el Big Bang. Los cálculos sugieren que sucedió hace aproximadamente 14,000 millones de años.

Una documentación particularmente importante sobre lo correcto de esta teoría fue proporcionada casi accidentalmente por Arno Penzias y Robet Wilson en 1965, cuando detectaron lo que parecía un molesto fondo de señales de microondas sin importar hacia dónde apuntaran su nuevo detector. Después de descartar todas las demás posibles causas (incluyendo ciertos pichones que fueron los culpados iniciales), Penzias y Wilson finalmente se dieron cuenta de que ese ruido de fondo venia del universo mismo, y que representaba precisamente la clase de resplandor que uno esperaría encontrar como consecuencia del Big Bang, que surgía de la aniquilación de la materia y la antimateria en los primeros momentos del universo en explosión.
Evidencia adicional y convincente sobre lo correcto de la teoría del Big Bang ha sido proporcionada por la cantidad de ciertos elementos en todo el universo, particularmente hidrógeno, deuterio y helio. La abundancia de deuterio es notablemente constante, desde las estrellas cercanas hasta las galaxias más lejanamente lanzadas por nuestro horizonte de eventos. Este hallazgo sería consistente con el hecho de que todo el deuterio del universo se hubiera formado a temperaturas increíblemente altas en un solo evento durante el Big Bang. Si hubiera varios eventos similares en diferentes ubicaciones y momentos, no esperaríamos encontrar tanta uniformidad.
Con base en estas y otras observaciones, los físicos están de acuerdo en que el universo empezó como un punto de energía infinitamente denso y sin dimensiones. Las leyes de la física se derrumban en esta circunstancia a la que se le llama una “singularidad”. Al menos hasta la fecha, los científicos han sido incapaces de interpretar los eventos más tempranos de la explosión, que sucedieran en la primera 10-43 fracción de segundo (¡un décimo de un millonésimo de millonésimo de millonésimo de millonésimo de millonésimo de de millonésimo de millonésimo de segundo!) Después de eso, es posible hacer predicciones sobre los eventos que debían ocurrir para resultar en el universo actualmente observable, incluyendo la aniquilación de la materia y la antimateria, la formación de núcleos atómicos estables, y finalmente la formación de los átomos, primeramente de hidrógeno, deuterio y helio.
Una pregunta para la que ahora no tenemos respuesta, es si tras el Big Bang el universo continuará expandiéndose para siempre o si en algún momento la gravitación se impondrá y las galaxias se empezarán a juntar de nuevo, provocándose un “Big Crunch”. Descubrimientos recientes de entidades poco conocidas como materia oscura y energía oscura, que parecen ocupar una cantidad muy sustancial del material del universo, dejan suspendida la respuesta a esta pregunta, pero por el momento la mejor evidencia predice un lento desvanecimiento en vez de un dramático colapso.

¿Qué había antes del Big Bang?

La existencia del Big Bang implica la pregunta de qué había antes de eso, o qué o quién era responsable. Ciertamente demuestra los límites de la ciencia como ningún otro fenómeno lo ha hecho. Las consecuencias de la teoría del Big Bang en la teología son profundas. Para las tradiciones religiosas que describen al universo como creado por Dios a partir de la nada (ex nihilo), éste es un resultado electrizante.

¿Cumple un hecho tan extraordinario como el Big Bang con la definición de milagro?

La sensación de sobrecogimiento que crean estas ideas ha hecho que varios científicos agnósticos suenen realmente teológicos. En “Dios y los astrónomos”, el astrofísico Robert Jastrow escribió este párrafo inicial: “En este momento parece que la ciencia nunca podrá levantar la cortina sobre el misterio de la Creación. Para el científico que ha vivido por su fe en el poder de la razón, la historia termina como una pesadilla. Ha trepado por las montañas de la ignorancia, está a punto de conquistar el pico más alto y, conforme se empuja a sí mismo sobre la última roca, lo saluda un grupo de teólogos que han estado sentados allí durante siglos”.

Para quienes buscan acercar a los teólogos y a los científicos, existe mucho en los descubrimientos recientes sobre el origen del universo para inspirar el aprecio mutuo. En otra parte de su provocativo libro, Jastrow escribe: Ahora vemos cómo la evidencia astronómica lleva a una concepción bíblica sobre el origen del mundo. Los detalles difieren, pero los elementos esenciales y los relatos de la astronomía y la Biblia sobre el Génesis son lo mismo: la cadena de hechos que llevan al hombre comenzó repentina y agudamente en un momento definido en el tiempo, en un relámpago de luz y energía”.

Tengo que estar de acuerdo. El Big Bang exige una explicación divina. Obliga a la conclusión de que la naturaleza tuvo un inicio definido. No veo cómo la naturaleza se hubiera podido crear a sí misma. Sólo una fuerza sobrenatural fuera del espacio y del tiempo podría haberlo hecho.

¿Pero qué hay con el resto de la creación? ¿Qué debemos pensar del largo e interminable proceso mediante el cual nuestro planeta, la Tierra, llegó a existir unos 10 mil millones de años después del Big Bang?

La formación de nuestro sistema solar y del planeta Tierra

Durante el primer millón de años después del Big Bang el universo se expandió, la temperatura cayó y se empezaron a formar núcleos y átomos. La materia se empezó a agrupar en galaxias bajo la fuerza de la gravedad. Adquirió un movimiento rotativo al hacerlo, que resultó finalmente en galaxias de forma espiral semejantes a la nuestra. Dentro de esas galaxias, grupos de hidrógeno y helio fueron atraídos entre sí, y se elevó su densidad y temperatura. Finalmente comenzaron las fusiones nucleares.

Este proceso, en que se fusionaron núcleos de hidrógeno para formar tanto energía como un núcleo de helio, proporcionó la fuente más importante de combustible para las estrellas. Las estrellas más grandes se queman más pronto. Conforme empiezan a quemarse, generan dentro de su centro elementos aun más pesados, como el carbono y el oxígeno. Al principio del universo (en los primeros cientos de millones de años), esos elementos aparecieron sólo en el centro de esas estrellas que se derrumbaban, pero algunas de esas estrellas luego pasaron por explosiones masivas conocidas como supernovas y lanzaron elementos más pesados de regreso al gas de la galaxia.

Los científicos creen que nuestro sol no se formó en los primeros días del universo, nuestro sol es una estrella de segunda o tercera generación, formada hace unos 5.000 millones de años debido a un reagrupamiento local. Conforme eso sucedía, una pequeña proporción de elementos más pesados alrededor se escaparon a la incorporación en la nueva estrella y en cambio se agruparon como los planetas que ahora giran alrededor del sol; entre ellos, nuestro planeta, que estaba muy lejos de ser hospitalario en sus primeros días. Inicialmente demasiado caliente, y siempre bombardeado por colisiones masivas, la Tierra se enfrió poco a poco, desarrolló una atmósfera y se hizo potencialmente habitable para los seres vivos hace unos 4.000 millones de años.

Apenas 150 millones más tarde, la Tierra bullía de vida.

Todos estos pasos en la formación de nuestro sistema solar están ahora bien descritos y es poco probable que sean modificados con base en la información adicional futura. Casi todos los átomos que forman el cuerpo de usted alguna vez estuvieron en el horno nuclear de una antigua supernova: realmente está usted hecho con polvo de estrellas.

¿Existen implicaciones teológicas en cualquier de estos descubrimientos? ¿Cuáles eran las probabilidades de que existiéramos? ¿Qué tan raros somos?

Se puede plantear el argumento de que el origen de las formas complejas de vida en este universo no podría haber sucedido en menos de cinco a diez mil millones de años después del Big Bang, porque la primera generación de estrellas no podría haber contenido los elementos más pesados, como el carbono y el oxígeno, que creemos que son necesarios para la vida, al menos como la conocemos ahora. Solamente una estrella de segunda o tercera generación, y su sistema planetario acompañante, tendrían ese potencial. Aun así, se necesitaría una gran cantidad de tiempo para que la vida alcanzara conciencia e inteligencia. Mientras en otras partes del universo podrían existir otras formas de vida que no dependieran de los elementos pesados, la naturaleza de tales organismos sería extremadamente difícil de contemplar desde nuestro conocimiento actual de la química y la física.

Esto, por supuesto, lleva a la pregunta de si existirá alguna forma de vida en otra parte del universo que podamos reconocer. Si bien nadie en la Tierra tiene datos actualmente para apoyar o refutar eso, en 1961 el radioastrónomo Frank Drake propuso una famosa ecuación que permite considerar las probabilidades de ello. La ecuación de Drake es muy útil para documentar el estado de nuestra ignorancia. Drake notó, sencilla y lógicamente, que el número de civilizaciones comunicantes en nuestra galaxia debía ser el producto de siete factores:

1) -la cantidad de estrellas que hay en la galaxia Vía Láctea (cerca de 100.000 millones), multiplicado por 2) -la fracción de estrellas que tienen planetas a su alrededor, multiplicado por 3) -la cantidad de planetas por estrella que es capaz de albergar alguna clase de vida, multiplicado por 4) -la fracción de esos planetas en los que la vida de hecho se ha desarrollado, multiplicado por 5) -la fracción de éstos en los que la vida inteligente se ha desarrollado, multiplicado por 6) -la fracción de éstos que haya desarrollado una tecnología para comunicarse, multiplicado por 7) -la fracción de tiempo de vida de estos planetas durante la cual su habilidad de comunicarse coincida con nuestra vida.

Nos hemos podido comunicar fuera de la Tierra durante menos de cien años. La Tierra tiene aproximadamente 4.500 millones de años, así que el último de los factores de Drake refleja sólo una mínima fracción en los años de existencia de la tierra: 0.000000022. Se podría argumenta, dependiendo de la perspectiva de cada quien sobre la posibilidad de que nos destruyamos en el futuro, si esa fracción crecerá mucho más que eso.

La fórmula de Drake es interesante pero esencialmente inútil, debido a nuestra incapacidad para determinar con algún grado de certidumbre el valor de casi cualquiera de esos términos, excepto por el número de estrellas en la Vía Láctea. Ciertamente se han descubierto otras estrellas con planetas a su alrededor, pero el resto de los términos permanece escondido en el misterio. No obstante, el Instituto para la Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre (Search for Extraterrestrial Intelligence -SETI- Institute), fundado por Frank Drake mismo, ha involucrado ahora a físicos, astrónomos y otros profesionales y amateurs en un esfuerzo organizado para buscar señales que puedan estar llegando desde otras civilizaciones en nuestra galaxia.
Se ha escrito mucho sobre la importancia teológica potencial de descubrir vida en otros planetas; si eso llegara a pasar, ¿haría que la vida en la Tierra fuera automáticamente menos “especial”? El hecho de que hubiera vida en otros planetas, ¿haría menos probable la participación de un Dios creador en el proceso?
Desde mi punto de vista, esa conclusión no me parece garantizada. Si Dios existe y desea tener cierta fraternidad con seres conscientes como nosotros mismos, y puede manejar el reto de interactuar con los 6.000 millones de nosotros que habitamos este planeta en la actualidad y los incontables que ya se han ido, no es claro por qué estaría más allá de sus habilidades interactuar con criaturas similares en unos cuantos planetas más. Por supuesto, sería muy interesante descubrir si las criaturas en otras partes del universo también poseen la ley moral, dada su importancia en nuestra percepción de la naturaleza de Dios. Sin embargo, siendo realistas, es poco probable que alguno de nosotros tenga la oportunidad de conocer las respuestas a esas preguntas en el curso de nuestra vida.

 (seguiremos)

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2 Responses to “Acerca del origen del universo y del Big Bang”


  1. [...] Acerca del origen del universo y la teoría del Big Bang [...]


  2. [...] II de libro, que está dedicada a las grandes preguntas de la existencia humana. Una vez visto el origen del universo y de nuestro sistema solar, Collins se dedica al estudio de las tres fascinantes coincidencias aparentes sobre el mundo [...]


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