La teoría del Big Bang

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El origen y evolución del universo

El origen y naturaleza del universo ha sido una de las grandes incógnitas para el pensamiento humano. Las diferentes corrientes religiosas y filosóficas han ofrecido, a lo largo de la historia, su propia interpretación, basadas las primeras en la llamada verdad revelada y las segundas en las conclusiones de diferentes pensadores. Solo recientemente se ha abordado el problema desde un punto de vista científico de la mano de la cosmología. Como cualquier campo de la ciencia, la cosmología  emplea el método científico para comprobar las diferentes teorías o hipótesis mediante observaciones experimentales. De este modo, las teorías permiten realizan predicciones que los experimentos deben corroborar, descartar o sugerir modificaciones para adecuarse a los datos obtenidos.

En la actualidad, la teoría predominante sobre el origen y la evolución de nuestro universo es la llamada Teoría del Big Bang. Su modelo postula que hace cerca de catorce mil millones de años, el universo observable estaba concentrado en un punto de solo unos milímetros de tamaño, caracterizado por su elevada temperatura y muy alta densidad. Supone que desde entonces ha evolucionado hasta el vasto cosmos actual, cuya temperatura media es extremadamente baja. Existen diferentes observaciones experimentales que confirman los postulados anteriores, entre las que destaca la medida del fondo de microondas en la radiación cósmica. 

El modelo del Big Bang se fundamenta en la Teoría de la Relatividad General y en el Principio Cosmológico. Estos dos pilares permiten calcular los efectos gravitacionales de la materia distribuida uniformemente en el universo y realizar predicciones muy específicas acerca de las propiedades observables del universo, su forma y su evolución temporal. 

La Teoría General de la Relatividad

La Teoría General de la Relatividad fue desarrollada por Albert Einstein en 1916, estableciendo un marco teórico que permite explicar fenómenos que escapan a la teoría de la gravedad de Isaac Newton de 1680, ampliamente establecida hasta ese momento. Esta última es válida para cuerpos en reposo o que se mueven muy lentamente en comparación con la velocidad de la luz, pero no es capaz de explicar ciertos fenómenos en los que intervienen ondas electromagnéticas. La diferencia fundamental es que la Relatividad General sustituye el concepto de campo gravitacional de Newton por la distorsión del espacio y el tiempo. En palabras del físico John Archibald Wheeler (1911- 2008), esta distorsión del espacio-tiempo puede resumirse en la expresión “La materia le dice al espacio cómo se curva, y el espacio le dice a la materia cómo moverse“. En su origen, la nueva teoría fue capaz de explicar las discrepancias encontradas en la órbita de Mercurio respecto a las leyes de Newton o la inexplicable curvatura de la luz por parte del Sol. Desde entonces, la Teoría de la Relatividad General ha superado multitud de rigurosos experimentos.

El principio cosmológico

Cuando Einstein y otros científicos intentaron aplicar la Relatividad General al estudio de las dinámicas gravitacionales en el universo, encontraron que era necesario asumir en sus cálculos una cierta distribución de la materia. Su primera suposición fue la distribución más simple posible, esto es, la materia se distribuye homogénea e isotrópicamente en todo el universo. Esta suposición se conoce como Principio Cosmológicoy ha sido probada por las observaciones realizadas durante décadas hasta nuestros días. La imagen muestra el mapa de la radiación del fondo de microondas – el calor remanente del Big Bang – medida por WMAP, siendo la diferencia máxima entre los puntos azules y rojos es de tan solo 400 μK. Es decir, la temperatura del universo es prácticamente uniforme. Estas medidas apoyan la idea de que el gas emitido por la radiación del fondo de microondas en el momento del Big Bang se distribuyó de manera muy uniforme. 

Radiación de Microondas
Mapa de la radiación del fondo de microondas medida por WMAP. La diferencia máxima entre los puntos azules y rojos es de unos 400 μK.

Que no es el Big Bang

Frecuentemente nos imaginamos el Big Bang como una “explosión” en un determinado punto del espacio. Sin embargo, esta idea es falsa, ya que supone un espacio previo al Big Bang donde el universo se expande. Por definición, el universo abarca todo el espacio y el tiempo conocido, estando fuera del ámbito del modelo Big Bang postular en qué se está expandiendo el universo. Es más acertado considerar que el Big Bang da origen al espacio-tiempo que se expanden a partir de él. Es decir, no existe un “centro de expansión” desde el cual el universo se expande.

Desde este punto de vista, la región del espacio dentro de nuestro horizonte actual ocuparía un volumen muy pequeño en el momento del Big Bang. Igualmente, considerar que el espacio es infinito en la actualidad, suponer asumir que también era infinito en el momento de su nacimiento. Del mismo modo, sí consideramos el espacio cerrado y finito, el modelo predice que su volumen era cero en el momento de su nacimiento. Podemos considerar una esfera como analogía al universo, donde los puntos en su superficie se separarían entre sí a medida que se expande. En esta analogía el interior de la esfera no pertenecería al universo.

Está más allá del ámbito del modelo de Big Bang decir lo que dio origen al Big Bang. Hay una serie de teorías especulativas sobre este tema, pero ninguna de ellas hace predicciones realistas probables hasta el momento.

Predicciones del Big Bang

Las predicciones del modelo del Big Bang dependen de los valores de diferentes parámetros. Entre ellas, las más importantes son la geometría del universo, su tasa de expansión actual y el curso de dicha expansión desde el Big Bang. En este sentido, las observaciones experimentales de dichos parámetros resultan fundamentales para determinar el modelo correcto. 

La suposición de partida es el Principio Cosmológico que supone que la materia se distribuye de forma homogénea e isotrópica en grandes escalas. La densidad de la materia determina la geometría del universo (abierto, plano o cerrado). La tasa de expansión actual está determinada por la constante de Hubble.  Y el ritmo de expansión desde el Big Bang depende de la fracción de la densidad total de cada uno de los tipos de materia existentes en el universo. La edad actual del universo se deriva de la historia de expansión y la tasa de expansión actual.

Pruebas del Big Bang

El modelo Big Bang está respaldado por una serie de importantes observaciones, cada una de las cuales se describe con más detalle a continuación:

  • La expansión del universo. La observación de Edwin Hubble en 1929 de que generalmente las galaxias se estaban alejando de nosotros proporcionó la primera pista de que la teoría del Big Bang podría ser correcta.
  • La abundancia de los elementos de luz H, He, Li. La teoría del Big Bang predice que estos elementos ligeros deberían haberse fusionado a partir de protones y neutrones en los primeros minutos después del Big Bang.
  • La radiación del fondo cósmico de microondas (CMB). El universo primitivo debería haber sido muy caliente. La radiación de fondo de microondas cósmica es el remanente de calor remanente del Big Bang.

Estas tres observaciones apoyan firmemente la idea de que el universo evolucionó a partir de un gas caliente denso, casi sin rasgos distintivos, tal como lo predice el modelo del Big Bang.