Whole Shebang

El espíritu empírico en el que se fundaron las sociedades democráticas occidentales está actualmente bajo ataque, y no solo por adversarios tradicionales como los fundamentalistas religiosos y los devotos de lo oculto. Los estudiosos serios afirman que no existe el progreso y afirman que la ciencia no es más que una colección de opiniones, tan socialmente condicionadas como el mundo ventoso de la alta costura de París. Demasiados estudiantes aceptan la creencia fácil de que no necesitan molestarse en aprender, mucha ciencia, ya que una revolución pronto refutará todo lo que actualmente se acepta de todos modos. En un clima así, puede valer la pena afirmar que la ciencia realmente es progresiva y acumulativa, y que las teorías bien establecidas, aunque pueden resultar ser subconjuntos de otras más grandes y de mayor alcance, como sucedió cuando la mecánica newtoniana fue incorporada por Einstein en Relatividad general: rara vez se demuestra que están equivocados. Como escribe el físico Steven Weinberg, "Uno puede imaginar una categoría de experimentos que refutan teorías bien aceptadas, teorías que se han convertido en parte del consenso estándar de la física. En esta categoría no puedo encontrar ejemplos en los últimos cien años."La ciencia no es perfecta, pero tampoco es una caja de resonancia más para la locura humana.

Tampoco la ciencia es un cuerpo estático de dogmas, de los cuales alejarse es arriesgarse a que se despojen las charreteras en una ceremonia de destierro de la comunidad científica. Es un sistema de investigación autocorregible, en el que los errores, de los cuales, por supuesto, hay muchos, se detectan tarde o temprano mediante experimentos o análisis más cuidadosos. La ciencia también es un sistema "de abajo hacia arriba", en el que se llega a grandes pronunciamientos no de una manera global, sui generis moda pero acumulando inferencias de muchos casos pequeños. Como resultado, la ciencia, si bien puede ser exasperantemente detallada, también es flexible. Los hallazgos científicos, incluso los más imponentes, suelen tropezar con el mundo plagado de errores que deben resolverse antes de que realmente comiencen a volar. Carecen de la certeza satisfactoria y estruendosa de los dictámenes religiosos y pseudocientíficos que no admiten ningún error. Pero están vivos, y el marchitamiento de una rama de una teoría no significa que la teoría en su conjunto esté condenada.

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La cosmología actual se realiza principalmente dentro del amplio marco de lo que se conoce como el modelo "estándar" o "big bang". Sostiene que el universo comenzó en un estado de alta densidad, desde el cual se ha expandido y enfriado. Por razones que explicaré, espero que este modelo estándar perdure. Esta posición puede parecer curiosa para los lectores de los numerosos artículos de periódicos y revistas que han aparecido durante la última década proclamando que este o aquel hallazgo observacional ha puesto en peligro la teoría del big bang. Tales relatos me parecen ser el resultado de un malentendido de la ciencia en general y de la teoría del big bang en particular. Mi propósito en este artículo es resumir las razones principales por las que muchos científicos se sienten seguros sobre el modelo estándar de big bang del universo. Es cierto que el modelo está lejos de estar completo. Los científicos aún no saben exactamente qué edad tiene el universo, qué tan grande es, qué tan rápido se expande, cuánta materia hay en él o de dónde proviene. (Como el astrónomo real inglés, Martin Rees, comenta: "Es vergonzoso que 90 por ciento del universo no se tenga en cuenta"). Tampoco está claro cómo nos importa do ver organizado en estrellas y galaxias. Hay muchas cosas que no sabemos. Pero es muy posible que todos estos problemas se resuelvan, de una forma u otra, sin dejar atrás los preceptos básicos del modelo estándar.

Se desarrolla una imagen del universo

¿Cómo llegó la ciencia a su comprensión actual de la edad, la escala y la evolución del universo?

Aquí está la historia hasta ahora:

Los antiguos griegos pensaban que la tierra (que entendieron que era una esfera) permanecía inmóvil en el centro del universo, orbitada por esferas cristalinas concéntricas a las que se unían el sol, la luna, los planetas y las estrellas. Este modelo respondió bien al sentido común: las estrellas parecen rodear la Tierra a diario, mientras que abogar por la propuesta alternativa, que este efecto es producido por una rotación de la tierra en lugar de la esfera estrellada, fue encontrar objeciones que eran insuperables. en el momento. (Si la tierra está girando, ¿por qué un hombre que salta hacia arriba aterriza en sus huellas, en lugar de cientos de yardas al oeste?) El cosmos geocéntrico también era estéticamente agradable: retrataba nuestro mundo como una esfera situada en el centro de un conjunto anidado de esferas, una concepción que resonó con la convicción de Platón de que la esfera es la más perfecta de todas las formas geométricas, ya que limita el mayor volumen posible dentro de un área de superficie determinada.

Este modelo fue creado por dos de las mentes más entusiastas del siglo IV a. C., el filósofo Aristóteles y el astrónomo Eudoxo, y obtuvo una amplia aceptación. Pero los griegos no se contentaron simplemente con admirar su esplendor. También esperaban que la teoría explicara los datos de observación: explicar los movimientos vistos en el cielo en el pasado y predecir los que vendrán en el futuro, especialmente eventos tan espectaculares como eclipses del sol y la luna y conjunciones de los planetas. Por esta razón, más que ninguna otra, celebramos a los griegos como precursores de la ciencia moderna. Su escepticismo puso en marcha el espíritu inquisitivo, subversivo y perpetuamente insatisfecho que es característico de la ciencia. El fracaso final de su modelo también ofrece una lección de advertencia: que en cosmología una teoría puede ser sensata y hermosa, y también bastante errónea. La cosmología geocéntrica de Aristóteles y Eudoxo no generó, a la larga, predicciones precisas de los movimientos de los planetas.

Ptolomeo y Copérnico avanzan nuestro pensamiento
Se obtuvieron mejores resultados con el modelo más complicado compuesto en el anuncio del siglo II por Ptolomeo en Alejandría. En el universo ptolemaico, cada planeta orbitaba en un epiciclo, un pequeño círculo, centrado en un punto en su órbita alrededor de la Tierra, o incluso en un punto en otro epiciclo. Esto fue inteligente pero muy abstracto; Ptolomeo mismo vio su modelo como un simple recurso matemático. Y fue tan complicado que el nombre de Ptolomeo se convirtió en un epíteto duradero para teorías consideradas como excesivamente elaboradas o insuficientemente físicas. Sin embargo, el universo ptolemaico reinó en Occidente durante mil cuatrocientos años, hasta que Copérnico lo desafió.

A los escolares de hoy todavía se les enseña que el universo copernicano centrado en el sol trajo simplicidad y luz a la cosmología de un solo golpe. Pero el modelo copernicano en su forma original no era menos complicado que el de Ptolomeo ni más preciso. Copérnico asumió que las órbitas de los planetas son circulares; en consecuencia, él también tuvo que recurrir a los epiciclos. Algunos astrónomos favorecieron el copernicanismo, particularmente los estudiosos más jóvenes de una inclinación radical, no porque resolviera todos sus problemas sino porque, al demostrar que una cosmología heliocéntrica podía competir con la geocéntrica de Ptolomeo, abrió nuevas oportunidades para el pensamiento original. Las perspectivas eran enormes, literalmente así. El universo ptolemaico era inherentemente pequeño: la esfera de estrellas que lo encerraba tenía que girar una vez alrededor de la tierra todos los días, y si la esfera estrellada era muy grande, tendría que girar a una velocidad tan tremenda que podría volar. Pero si Copérnico tenía razón, el hecho de que las estrellas permanezcan en el mismo lugar en el cielo mientras la Tierra se mueve a través de su órbita, alterando así su perspectiva sobre las estrellas, significa que las estrellas deben estar muy lejos. De esta manera, la propuesta copernicana derribó las paredes que rodean el sistema solar, abriendo un vasto universo más allá.

Pero el modelo copernicano se vio afectado por dos problemas principales. Como retrataba a los planetas como orbitando el sol en círculos perfectos, fue conducido hacia la complejidad y el error. Las órbitas planetarias no son circulares sino elípticas. Intentar predicar movimientos planetarios en órbitas circulares es como tratar de aprender cómo rebota un balón al rebotar una pelota de baloncesto. Y dado que la física no había avanzado mucho desde la época de los griegos, los defensores de cualquier modelo geocéntrico todavía estaban perplejos por las viejas objeciones: si la tierra gira, ¿por qué los saltadores no aterrizan al oeste de su punto de partida y aúllan constantemente los vientos del este? rastrillar la superficie del planeta, especialmente en el ecuador, donde todo se mueve hacia el este a una velocidad de 1,000 millas por hora?

A dos de los principales eruditos del Renacimiento les correspondió abordar estos problemas corrigiendo defectos en la cosmología copernicana y casándolos con la física terrestre. Johannes Kepler y Galileo Galilei fueron escritores talentosos cuyos libros llevaron sus ideas a la corriente principal del discurso intelectual en todo el mundo alfabetizado. De lo contrario, eran hombres bastante diferentes, uno teórico y solitario, el otro experimental y más gregario.

Kepler corrige Copérnico
Apreciar la belleza de una ley científica es para la mayoría de nosotros un gusto adquirido, como beber whisky o disfrutar de la música de Alban Berg. Y como pocos se sensibilizan con la ciencia durante sus años de formación, puede ser que los conocedores de la estética científica sean aún más escasos que los bebedores de whisky MacCallan o los devotos de Wozzeck. Pero para aquellos que quieren aprender a valorar la ciencia por su belleza y por su precisión, las leyes de Kepler son un buen lugar para comenzar.

La primera ley revela que las órbitas de los planetas describen, no círculos perfectos, sino elipses (es decir, óvalos), con el sol ubicado en un foco de cada elipse. Esta magistral demostración llevó a Immanuel Kant a llamar a Kepler el pensador más agudo que jamás haya nacido. Como cualquier otro cosmólogo hasta ese momento, Kepler había asumido que las órbitas planetarias deben ser circulares. Para llegar a la hipótesis elíptica, por lo tanto, se le pidió que dejara de lado un aspecto fundamental de su propia arquitectura intelectual y de la sociedad a la que pertenecía. Al enterarse de este audaz paso, sus contemporáneos reaccionaron con consternación, criticando no solo su hipótesis sino su método, que implicaba una aplicación intensiva de matemáticas más sofisticadas que cualquier astrónomo de la época empleada. Incluso su viejo profesor de astronomía lo desaprobó. (Este fue el Magister Michael Maestlin, quien le había presentado a Kepler a la cosmología copernicana y a quien Kepler veneraba). El logro de Kepler fue aún más notable en el sentido de que, cuando recurrió a las elipses, ya se había ganado una reputación estimable y estaba presionando 40 años de edad, condiciones que normalmente no conducen a la innovación matemática. "He pasado tantos dolores que podría haber muerto 10 veces", escribió. El efecto fue, recordó, como despertarse del sueño para ver la luz.

La elegancia de la primera ley no fue evidente de inmediato para los observadores casuales, quienes se preguntaron qué diferencia había si los planetas se movían en círculos o en elipses rotos que a simple vista no se veían tan diferentes de los círculos. La fuerza estética de los descubrimientos de Kepler emerge más claramente en la segunda ley. Muestra que la velocidad orbital de cada planeta aumenta cuando está cerca del sol y disminuye cuando está lejos, a una velocidad tal que el área barrida dentro de su órbita es igual durante intervalos de tiempo iguales. En otras palabras, si uno traza el movimiento de Marte durante un período de un mes cuando está lejos del sol, y dibuja un triángulo largo y delgado que conecta el sol con la posición del planeta al comienzo y al final de ese mes, entonces dibuja un triángulo más gordo que inscribe el movimiento mensual de Marte cuando está más cerca del sol, las áreas de los dos triángulos son iguales. Lo mismo es cierto para cualquier objeto en órbita. Esta simetría sutil emocionó a Kepler, quien la comparó con la armonía de la música contrapuntística.

La tercera ley de Kepler declara que el cubo del semieje principal (la mitad del eje largo) de la órbita de cada planeta es proporcional al cuadrado del período orbital del planeta. La tercera ley proporcionó a los astrónomos una herramienta capaz de mapear el sistema solar, ya que significaba que si supieran cuánto tiempo le tomó a un planeta dar la vuelta al sol, información ya disponible cuando Kepler estaba vivo, podrían deducir el tamaño de su órbita. relativo a los de los otros planetas. Por lo tanto, medir el tamaño real de cualquier órbita planetaria es haber aprendido los tamaños reales de todas las otras órbitas. Del mismo modo, cuando uno examina planetas como Júpiter o Saturno que tienen muchos satélites (una palabra acuñada por Kepler), medir el tamaño de la órbita de un satélite produce los tamaños de las otras órbitas.

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Mientras Kepler hacía todo esto, Galileo estaba reparando algunas de las deficiencias en la física de la teoría copernicana. Tanto Kepler como Galileo fueron revolucionarios que lograron deshacerse de la antigua creencia de que el pensamiento puro es superior al incómodo y a menudo desordenado negocio de rodar bolas por planos inclinados, entrecerrar los ojos a través de telescopios primitivos e interrogar al mundo material. Albert Einstein escribió encomios en su honor, enfatizando su disposición a buscar la verdad en la naturaleza, superando así la preferencia tradicional de su cultura por el pensamiento abstracto sobre la observación empírica. Kepler, señaló Einstein, "tuvo que reconocer que incluso la teoría matemática más lúcidamente lógica no era en sí misma garantía de verdad, ya que carecía de sentido a menos que se comparara con las observaciones más exigentes de las ciencias naturales". De Galileo dijo: "El pensamiento lógico puro no puede darnos ningún conocimiento del mundo empírico; todo conocimiento de la realidad comienza a partir de la experiencia y termina en él. Las proposiciones a las que se llega por medios puramente lógicos están completamente vacías con respecto a la realidad. Debido a que Galileo vio esto, y particularmente porque lo introdujo en el mundo científico, es el padre de la física moderna, de hecho, de la ciencia moderna ".

Galileo explica por qué los puentes no vuelan hacia el oeste
La contribución más significativa de Galileo a la física de la cosmología vino con su comprensión del concepto de inercia. Aristóteles había asumido, y el mundo occidental había llegado a creer, que la tendencia natural de los objetos es permanecer en reposo. Ciertamente, esto parece estar de acuerdo con la experiencia: un libro o una roca se queda en un lugar a menos que uno gaste energía en moverlo, e incluso hoy la palabra inercia se toma comúnmente para significar lentitud o estasis. Galileo vio que esta suposición de sentido común estaba equivocada. Empujó bloques de madera sobre una mesa, luego pulió la mesa y los bloques y empujó los bloques nuevamente, y reflexionó sobre la importancia del hecho de que cuando había menos fricción viajaban más lejos. Él razonó que si podían pulirse perfectamente, de modo que hubiera no fricción, seguirían moviéndose para siempre. La inercia, concluyó, no es solo una tendencia de los cuerpos en reposo a permanecer en reposo, sino también de los cuerpos en movimiento a permanecer en movimiento.

La percepción contraintuitiva de Galileo resolvió la objeción básica a la afirmación copernicana de que la tierra se mueve. Los puentes no vuelan hacia el oeste ni los vientos del este soplan constantemente, porque los puentes y la atmósfera son ya en movimiento con la tierra girando, y así tienden a permanecer en movimiento. Hoy hemos visto suficiente del universo como para saber que el movimiento, no el descanso, es el estado ordinario de la materia, y que estar inmóvil es, a lo sumo, un rasgo local, medido en términos de un "marco de descanso inercial" local. Cuanto más se mira, más se encuentra que todo, en relación con la mayoría de las otras cosas, se está moviendo. El universo nació inquieto y nunca ha estado quieto.

Los últimos años de Galileo fueron eclipsados ​​por su inútil campaña para persuadir a la Iglesia de reemplazar la Ptolemaica con la cosmología copernicana. Al final, se vio obligado a hacer una humillante retractación de rodillas antes de la Inquisición, y vivió el resto de sus días bajo arresto domiciliario. Pero la razón por la que su campaña fracasó no fue únicamente porque las autoridades en Roma no estaban dispuestas a cambiar sus ideas. También fue porque Galileo, aunque armado con muchos argumentos poderosos por analogía, nunca fue capaz de presentar una defensa cuantitativa de la cosmología copernicana. Eso fue logrado por Isaac Newton.

Newton proporciona las ecuaciones
In Los PrincipiaNewton presentó ecuaciones que predijeron con precisión los movimientos de los planetas y la velocidad a la que los objetos caen en la Tierra, revelando que ambos son causados ​​por una sola fuerza, la gravedad. Al hacerlo, reivindicó la cosmología heliocéntrica y giratoria de la Tierra de Copérnico, Kepler y Galileo, al tiempo que unió la física del cielo y la Tierra. La investigación de Newton inauguró dos empresas científicas que han continuado desde entonces: el progreso de la física a través de la investigación de fenómenos tanto en la Tierra como más allá, y el mapeo de un universo que, aunque vasto, es por alguna razón accesible a la investigación humana.

El progreso sustancial en el mapeo del sistema solar se realizó durante los dos siglos posteriores a la publicación, en 1687, de Newton Principia. Los exploradores armados con telescopios y relojes precisos (cronómetros marinos, desarrollados para permitir a los navegantes determinar su longitud y así evitar el torbellino en las costas por la noche) observaron los tránsitos de Venus a través de la cara del sol en 1761 y 1769 con resultados que arrojaron un resultado bastante preciso valor para el tamaño de la órbita de la tierra. Esto a su vez allanó el camino para medir las distancias a las estrellas cercanas por triangulación (el método de "paralaje"). El primer paralaje estelar preciso, el de la estrella 61 Cygni, 11 a años luz de la Tierra, se midió en 1838.

El surgimiento de la astrofísica
Mientras tanto, la astronomía avanzó desde su fase taxonómica original, en la que los observadores clasificaron los objetos celestes en una forma similar a la que los naturalistas recolectaban por miles de plantas secas y aves disecadas en los días anteriores a Darwin, para madurar en astrofísica, una ciencia que no solo informa sobre fenómenos extraterrestres sino que ofrece explicaciones plausibles de cómo funcionan. El cambio fue más bien como ver una obra de teatro en un idioma extranjero que uno no habla, solo para que los patrones de comportamiento se vuelvan explicables en el segundo acto cuando un traductor comienza a susurrar explicaciones de lo que dicen los actores y cómo están motivados. A través de la astrofísica, fue posible ir más allá de describir cómo se ve el cielo y comenzar a aprender cómo llegó a ser así.

Esencial para el surgimiento de la astrofísica fue el espectroscopio, que descompone la luz en sus frecuencias constituyentes. El descubrimiento cosmológicamente más significativo que se hizo con la ayuda del espectroscopio se produjo en 1929 cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble lo usó para confirmar que la mayoría de las galaxias se alejan rápidamente de la Vía Láctea, y unas de otras, a tasas directamente proporcionales a sus distancias. La primera demostración de que el universo se está expandiendo.

Nace el modelo Big Bang

La idea de que el espacio cósmico se está extendiendo, llevando las galaxias con él, es una innovación del siglo 20, una que no fue anticipada, por lo que puedo encontrar, en toda la literatura científica anterior. Sin embargo, curiosamente, la idea de expansión cósmica surgió en la física teórica poco antes de que Hubble encontrara evidencia de ello en el cielo. El fundamento fue establecido en 1916 por la teoría general de la relatividad de Einstein. Los investigadores que estudian la teoría descubrieron que implicaba que el espacio cósmico no puede ser estático, sino que debe expandirse o contraerse. Al principio, Einstein se resistió a esta extraña idea, pero pronto se vio obligado a aceptar la validez del razonamiento matemático involucrado. Luego, en 1929 Hubble, que no estaba familiarizado con la teoría, descubrió de forma independiente la expansión del universo.

Se desarrolla la teoría CMB, se hacen predicciones
El llamado modelo del "big bang" surgió al pensar en cómo habría sido un universo en expansión en su infancia. El universo observable de hoy tiene aproximadamente 15 mil millones de años luz de radio. Cuando su radio era mucho más pequeño, solo un año luz, digamos, toda la materia en el universo debía haberse reunido en mucho menos espacio. Cualquier cantidad de materia dada, comprimida a una densidad más alta, se calienta: es por eso que un centavo, levantado de una vía de ferrocarril momentos después de ser aplastado por un tren que pasa, está caliente al tacto, y por qué comprimir el aire en una bomba de bicicleta calienta el aire, calentando la bomba. Por lo tanto, parece razonable imaginar que el universo primitivo puede haber sido no solo denso, sino también caliente. Muy caliente: cuando el universo tenía un segundo de antigüedad, en este escenario, cada cucharada de cosas era más densa que la piedra y más caliente que el centro del sol. La expansión y el enfriamiento resultante del universo permitieron la formación de átomos, moléculas, galaxias y criaturas vivientes. Lo que llamamos le importan Es energía congelada. Se congeló porque el universo, debido a su expansión, se enfrió.

La teoría del Big Bang implicaba que, a medida que el joven universo se expandía, debería haber llegado un momento, hoy en día aproximadamente unos quinientos mil años después del comienzo, cuando el plasma primordial se diluyó lo suficiente como para volverse transparente a la luz. Los físicos llaman a este evento desacoplamiento de fotones, lo que significa que los fotones, las partículas que constituyen la luz y otras formas de energía electromagnética, fueron liberados en este punto. Posteriormente, a menudo no interactuaban entre sí, o con la materia, pero se dispararon sin obstáculos a través de los alcances en constante expansión del espacio cósmico. Por lo tanto, la mayoría de ellos todavía deberían estar presentes hoy. La expansión cósmica los habría extendido, aumentando sus longitudes de onda de las de la luz a las longitudes de onda que llamamos radio de microondas. En las frecuencias de microondas, es conveniente expresar la energía en términos de temperatura, como lo hace, por ejemplo, el manual de instrucciones que acompaña a un horno de microondas, por lo que otra forma de razonar a través de este argumento es decir que el universo, una vez que estuvo caliente, debería permanecer hace un poco de calor incluso hoy

Los físicos teorizan sobre la existencia de este fondo cósmico de microondas, o CMB, calculó que debería tener una temperatura de aproximadamente tres grados por encima del cero absoluto. También señalaron que mostraría un espectro de "cuerpo negro", según lo dictado por las ecuaciones de física cuántica relevantes, y que debería ser isotrópico, lo que significa que cualquier observador, en cualquier parte del universo, debe medir el fondo como si tuviera la misma temperatura en todas partes del cielo.

Uno puede pensar en el CMB como una neblina de fotones que ha impregnado el espacio desde el Big Bang. A medida que miramos lejos en el espacio, y, por lo tanto, hacia atrás en el tiempo, cuando los fotones CMB eran más enérgicos, encontramos que la neblina se espesa. A la máxima distancia, donde estamos mirando hacia el primer millón de años, la neblina se vuelve opaca. Todo observador que usa un radiotelescopio de microondas ve el universo como una esfera que es casi transparente cerca pero que es opaca en sus paredes distantes y ardientes.

Las predicciones se despliegan
Cuando estas predicciones sobre CMB se hicieron por primera vez, en los 1940, se olvidaron rápidamente. La teoría del Big Bang aún no se tomaba muy en serio y no existía un receptor de radio por microondas. Luego, en 1965, dos físicos que trabajaban con un receptor de radio construido para experimentos satelitales de comunicaciones detectaron el CMB. El interés aumentó cuando los científicos llegaron a apreciar que al estudiar el CMB podían hacer una observación directa del universo, ya que solo había pasado medio millón de años después del comienzo de los tiempos.

En 1989, la agencia espacial estadounidense lanzó un satélite diseñado para estudiar el CMB desde la órbita, donde sus detectores estaban libres de la interferencia de la atmósfera de la Tierra. Los resultados preliminares obtenidos por el satélite COBE (Cosmic Background Explorer) se anunciaron al año siguiente, y resultaron ser una confirmación sorprendente del modelo de big bang. El CMB es de hecho isotrópico, es decir, tiene la misma intensidad en todo el cielo, como cualquier cosa realmente universal. Y, como se esperaba, su temperatura es de aproximadamente tres grados por encima del cero absoluto, 2.726 grados, para ser exactos. Y su espectro se ajusta al espectro de un cuerpo negro: el ajuste es tan preciso que los investigadores que hicieron el anuncio tuvieron que agrandar el tamaño de las barras de error en sus diagramas: de lo contrario, los puntos de datos de observación habrían desaparecido en la delgada línea entintada que describe el predicción teórica

Un triunfo final para los científicos de COBE llegó en 1992, cuando un mapa de todo el cielo, cuidadosamente compilado por observaciones repetidas que llevaron la sensibilidad de los instrumentos COBE a sus límites, confirmó otra predicción importante de la teoría del big bang, aunque en general es importante. distribuido uniformemente en todo el cosmos, comenzó a agruparse bastante temprano en regiones densas a partir de las cuales se formarían grupos de galaxias. Esta fue una buena noticia para los teóricos que argumentaron que los vastos cúmulos, supercúmulos y burbujas de galaxias que vemos hoy en el universo se formaron por la atracción gravitacional de inhomogeneidades en el universo primitivo Se cree que los grupos de materia se originaron como fluctuaciones cuánticas, desviaciones microscópicas de la distribución generalmente homogénea de la materia en el universo muy temprano. Queda mucho por estudiar sobre el espectro y los tamaños de estas inhomogeneidades, y cómo, exactamente, dieron como resultado las estructuras a gran escala que vemos en el universo hoy. Estos hallazgos llevaron a la mayoría de los cosmólogos a estar de acuerdo en que el universo surgió de un estado caliente de big bang.

La evidencia observacional se acumula
Varios otros tipos de evidencia apoyan la teoría del big bang, incluidos estos:

• El abundancia de elementos cósmicos Se ajusta a las predicciones de la teoría. Aquí la línea de razonamiento es que a medida que la bola de fuego primordial se enfría, los protones y los neutrones se habrían unido para formar los núcleos de los átomos. Los cálculos de los físicos nucleares, que han tenido mucha experiencia en este tipo de cosas, ya que se producen procesos similares en las explosiones de bombas termonucleares, indican que aproximadamente una cuarta parte de las cosas que forman átomos deberían haberse convertido en helio en el Big Bang, junto con un poco de litio, mientras que el resto sobrevivió como hidrógeno (el átomo más simple, cuyo núcleo en su forma rudimentaria consiste en un solo protón). Y esto es justo lo que encontramos: el universo en general es 25 por ciento de helio y 73 por ciento de hidrógeno. La teoría postula que todos los elementos más pesados ​​se forjaron dentro de las estrellas, especialmente en supernovas—Explosiones de estrellas, que siembran el espacio con nubes de escombros, enriquecidas con los elementos más pesados, de los cuales se condensaron las estrellas y los planetas de los últimos días, la tierra y el sol entre ellos. Si esta teoría es correcta, deberíamos encontrar que las estrellas más viejas son más pobres en elementos pesados ​​que las estrellas más jóvenes. Y este también resulta ser el caso.

• En un universo de Big Bang, debería ser posible ver evidencia directa de la evolución cósmica mirando a grandes distancias, ya que la luz que nos llega desde miles de millones de años luz tiene miles de millones de años y revela cómo eran las cosas miles de millones de años. hace. Tal evidencia de hecho ha sido encontrada. Gran parte de la brillante promesa de la astronomía del espacio profundo proviene de la perspectiva de observar directamente la evolución cósmica mediante el uso de telescopios más potentes como máquinas del tiempo para mirar el universo como era en el pasado distante.

• Las edades de las estrellas se ajustan a la edad del universo deducida de su tasa de expansión, al menos según algunos datos. Varios conjuntos persuasivos de observaciones sugieren que el universo se ha expandido durante aproximadamente 15 mil millones de años. Esto concuerda con las edades de las estrellas más antiguas conocidas, estimadas por los astrofísicos en aproximadamente 14 mil millones de años. Pero hay otras observaciones, que algunos investigadores consideran persuasivas, que producen un universo más joven. Si estos demuestran ser correctos, entonces algo está mal, ya sea con nuestra comprensión de las edades de las estrellas más antiguas o con algún aspecto de la teoría del Big Bang.

Concurrencia de otras teorías
Además de los argumentos basados ​​en observaciones, hay lo que podría llamarse el teorético pruebas del escenario del big bang. Puede parecer perverso hablar de usar una teoría para probar otra, ya que las teorías normalmente se basan o caen en el veredicto de la observación y el experimento. Pero los hechos en sí mismos son tan desordenados como los copos de maíz sin un tazón. En la práctica, la ciencia vierte muchos copos de maíz de una caja a otra, comprobando no solo si los hechos se ajustan a una teoría dada, sino si las teorías funcionan bien juntas. Si preguntamos a qué se refiere el big bang con otras teorías bien establecidas, encontramos varias respuestas.

• La relatividad general ha sobrevivido a muchas pruebas experimentales y parece ser perfectamente precisa en la medida en que uno se preocupa por hacer predicciones sobre el comportamiento de la gravedad en las condiciones que prevalecen actualmente en la mayor parte del universo. Y la relatividad general implica que el universo debe expandirse o contraerse. Entonces, el hecho mismo de que encontremos evidencia de expansión cósmica en el cielo significa que una teoría bien establecida, la relatividad, respalda otra más hipotética, el big bang.

• La física cuántica también encuentra un lugar gratificante dentro del esquema del Big Bang. Utilizando la mecánica cuántica, los físicos pueden predecir la existencia y el espectro del fondo cósmico de microondas, calcular cuánto material primordial se convirtió en helio en el Big Bang y estimar las edades de las estrellas más antiguas. La física cuántica hace predicciones precisas sobre eventos que involucran tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: las fuerzas nucleares débiles y fuertes que actúan en los átomos, y el electromagnetismo, la fuerza responsable de la energía de la luz y la radio. Pero todavía no existe una teoría cuántica plenamente realizada de la cuarta fuerza, la gravedad. Esto no importaría mucho si la provincia de la física se limitara al universo contemporáneo: la gravitación es tan débil que se puede ignorar al calcular las interacciones de las partículas subatómicas, que tienen una masa tan pequeña que su atracción gravitacional es insignificante. Pero en el universo primitivo de alta densidad, las partículas subatómicas pesaban tanto que su influencia gravitacional mutua era comparable a sus interacciones a través de las otras tres fuerzas. Para reconstruir los eventos que se cree que ocurrieron durante las primeras fracciones de segundo de tiempo cósmico, se requerirá una cuenta cuántica de la gravedad. Tal teoría presumiblemente dejaría al descubierto un principio único que subyace tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general, que en nuestro nivel actual de comprensión se basan en formas contradictorias de mirar el mundo.

• El inflacionista La hipótesis ha generado un considerable interés en la cosmología. Propone que durante un momento naciente de la historia cósmica, la expansión del universo fue mucho más rápida de lo que se había pensado, de hecho, a un ritmo mucho mayor que la velocidad de la luz. La hipótesis inflacionaria no solo resuelve varios problemas que afectaban a las versiones anteriores de la teoría del big bang, sino que indica que el universo es extremadamente grande y abre una puerta a la especulación sorprendente de que nuestro universo se originó como una burbuja microscópica que surgió del espacio de una anterior. universo, que a su vez puede ser uno entre muchos universos esparcidos como estrellas en infinitos inaccesibles de espacios y tiempos aleatorios y conjuntos de leyes naturales.

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En resumen, a medida que se abre el siglo 21st, la teoría del big bang parece estar en muy buena forma. Está respaldado por varias líneas de evidencia sólidas y más o menos independientes, y actualmente no tiene rivales serios. Queda mucho trabajo por hacer. Recientemente, por ejemplo, los astrónomos han encontrado evidencia de que la tasa de expansión cósmica en realidad se está acelerando, en lugar de disminuir como se suponía. Los teóricos especulan que un campo de "energía oscura" está causando la expansión acelerada. Si es así, la naturaleza de la energía oscura, así como la materia oscura, queda por aducir.

No obstante, si se le pidiera a uno que hiciera una lista de los mayores logros científicos del siglo, en algún lugar de esa lista, junto con la relatividad y la teoría cuántica, la aclaración de la molécula de ADN, la erradicación de la viruela y la supresión de la poliomielitis, el descubrimiento de computación digital y muchos otros logros dignos: habría un lugar para la cosmología del big bang.

Timothy Ferris es autor de una docena de libros sobre astronomía y física. Por su trabajo para aumentar la apreciación pública de estos temas, se ha ganado el premio del Instituto Americano de Física en escritura científica y el premio de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia. Es profesor emérito de la Graduate School of Journalism de la Universidad de California, Berkeley. Su libro más reciente es Viendo en la oscuridad: cómo los astrónomos del patio trasero están investigando el espacio profundo y protegiendo la Tierra del peligro interplanetario, que profundiza en los grandes descubrimientos de los astrónomos aficionados y ofrece una guía para observadores. Este artículo fue adaptado de Whole Shebang por Timothy Ferris. Copyright 1997 de Timothy Ferris. Reimpreso con permiso de Simon & Schuster, Inc., NY