El universo que nunca cambia: el estado estacionario explicado para novatos

Ultima entrega dedicada al cosmos. Hoy hablamos sobre el modelo del estado estacionario. Una teoría que plantea un inquietante mundo en el que nada cambia y todo se repite.
Tómese un vermuth o un malbec con olivas para amenizar este sabroso trago de historia de la ciencia. ¡Disfruten!




“La característica más novedosa de esta teoría es la creación de materia. A pesar de que este proceso no sea directamente observable, es de gran interés discutir la física del mecanismo creativo. En primer lugar, resulta claro que la velocidad de creación por unidad de volumen y por unidad de tiempo no puede variar ampliamente de un punto a otro, y en todo caso menos de lo que varía, por ejemplo, la densidad de la materia. Si la velocidad de creación fuera, pongamos por caso, proporcional a la densidad de la materia, la nueva materia sería creada en el interior de las estrellas a una velocidad muy elevada (su masa se doblaría cada 3·109 años) y no en el espacio vacío donde es necesaria para la formación de nuevas galaxias. En virtud del principio cosmológico perfecto las nuevas nebulosas deben condensarse en los espacios dejados por el crecimiento de las mayores. Debido a esto no puede eliminarse por completo un pequeño grado de variación. Por razones de simplicidad parece mejor en el estado actual suponer que la velocidad de creación es constante en el espacio y tiempo. Por lo tanto, la cantidad de materia creada en un pequeño elemento cuatridimensional del espacio-tiempo es proporcional al volumen del elemento con un factor de proporcionalidad en tres veces el producto de la constante de Hubble por la densidad media de materia en el universo.”
H. Bondi, Cosmología, Barcelona: Labor, 1970, pp. 168-169. Ed. orig. Londres: Cambridge Univ. Press, 1960 (2ª ed., 1ª ed. en 1951).

Introducción


            Tal como venimos trabajando, resulta imprescindible para entender el párrafo arriba adjunto conocer el contexto en el que se escribe. Para ello, debemos explicar sintéticamente cómo estaban las cosas antes de que surgiera este modelo rival de la Teoría del Big Bang. Para ello, usaremos de guía el texto del historiador Helge Kragh (2008), Historia de la cosmología sin perjuicio de que hagamos uso de bibliografía adicional cuando los casos puntuales lo requieran.
            En cuanto al formato de citación trabajamos con el modelo APA y agregaremos las notas al pie que sean pertinentes.

Unas palabras para situarnos: algunos apuntes sobre la relatividad


            Entender el surgimiento de la teoría del estado estacionario requiere ir un poco  hacia atrás y centrarnos en los desafíos que habían quedado pendientes luego del surgimiento y aceptación de la teoría de la relatividad general de Einstein.
Recordemos que la principal novedad de este modelo era que la gravedad era explicada como la consecuencia de la curvatura natural del espacio-tiempo que provocaba cualquier objeto con masa. Esto significaba en la práctica abandonar la geometría euclídea y usar otro tipo de geometrías. Esta era la idea central subyacente en su célebre ecuación de campo(Sellés García, 2007)   

Ruv- 1/2guvR= -kTuv  donde Ruv es el tensor de curvatura métrica llamado Ricci y guv es el tensor universal.

                        Esta ecuación refleja la relación entre la masa de un cuerpo y su curvatura en el espacio-tiempo.  A partir de esta ecuación, Einstein pudo predecir una serie de cuestiones interesantes: en primer lugar el movimiento de Mercurio alrededor del Sol, una cuestión que el sistema newtoniano no supo describir. En segundo lugar fue capaz de predecir la curvatura de la luz cuando se acercaba a un campo gravitatorio, un fenómeno que ayudó a confirmar su teoría(Kragh & García-Sanz, 2008).
Las cosas iban  bien pero siempre pasa algo que obliga a los científicos a seguir pensando. En concreto, el universo concebido por Einstein era estático, es decir, era un universo cerrado en el que la materia-energía formaba la métrica del mismo.
El telecospio que usó Hubble en Mount Wilson. Photograph © Andrew Dunn, 1989.  Fuente: wikipedia. 

Por esta razón, fue consciente de que su ecuación tal como estaba formulada, planteaba algunos problemas. Si el universo era estático e isotrópico, la ecuación predecía el colapso gravitatorio algo que contradecía las creencias de Einstein, en efecto, decidió agregar al primer miembro de su ecuación un término constante llamado constante cosmológica que “introducía una fuerza de repulsión cósmica, insensible a pequeña escala pero creciente con la distancia, que contrarrestaba la tendencia al colapso”(Sellés García, 2007, p. 256) . Esta introducción garantizaba que el modelo siguiera siendo estático. Pero había más: esta constante, cuya magnitud era desconocida pero que se consideraba suficientemente pequeña,  estaba relacionada con la densidad de la materia en el universo y con su radio de curvatura. No nos detendremos en formulaciones matemáticas pero es importante remarcar el mensaje que nos transmite la teoría de la relatividad general: en un universo lleno homogéneamente de materia, el radio del universo estará determinado por la densidad de la materia(Kragh & García-Sanz, 2008;)   
                                          M= f(r)
            En definitiva, la solución a las ecuaciones propuesta por Einstein era de un universo lleno de materia algo que de Sitter no compartía: para él, las ecuaciones de Einstein podían tener una solución correspondiente a un universo vacío de materia.  Tuvieron que pasar varios años de relativa poca actividad en este terreno para que un hecho observacional como el detectado por Hubble impulsara una nueva corriente de cosmologías nuevas y alternativas y para que, de paso,  se debatiera arduamente sobre la epistemología de esta nueva ciencia (Gale, George, 2013).

El universo en expansión


            Tal como nos comenta Kragh (2008), resulta extraño que haya que tenido que pasar más de una década para que se tomaran en serio los descubrimientos de Edwin Hubble. Nunca un abogado devenido en astrónomo ha contribuido tanto al conocimiento científico.


En realidad todo comenzó cuando un grupo de astrónomos, comandados por Harlow Shapley, postularon que solo existía la Vía Lactea como galaxia única en el universo. Hubble, un inquieto personaje, sospechaba que esto no podía ser cierto por lo que dedicó muchos años de su tardía carrera como astrónomo a observar el cosmos. Para ello, se las arregló para entrar en el Observatorio de Monte Wilson que podía presumir de tener el mejor telescopio del mundo. A pesar de estar rodeado de partidarios de la Galaxia única, Hubble aprovechó la ocasión para hacer sus observaciones y sacar fotos de las nebulosas. El hecho trascendental ocurrió en 1923 cuando descubrió  tres novas. Una de ellas resultó ser una cefeida que le ayudó a calcular la distancia a la que se encontraba la nebulosa de Andromeda, 9 veces más lejos que el diámetro de toda la Vía Láctea. Es decir, 900.000 millones de años luz(Singh, 2008) . Un descubrimiento que zanjó definitivamente el Gran Debate pero que además permitió postular una serie de cosmologías alternativas.
Pero antes nos falta contar lo más trascendental. Hacia 1929 Hubble hizo uso de la espectrometría para descubrir uno de los cimientos de la Teoría del Big Bang. En efecto, junto a su ayudante, Hubble se dedicó a estudiar los desplazamientos hacia al rojo de las galaxias encontrando una alta correlación entre la velocidad de recesión de las galaxias y su distancia. Este fue un descubrimiento trascendental no solo en el mundo de la astronomía sino también en términos teológicos. Una cuestión que planteó muchos dilemas a los científicos.
Pero volviendo a las ecuaciones de Einstein, en este terreno, se desarrollaron algunos esfuerzos por dar una solución dinámica que contemplara el universo en expansión, esta fue una de las principales tareas de Friedman y  Lemaître, astrónomo y sacerdote. El cosmos de este sacerdote ya predecía que el universo estaba expandiéndose lo que implicaba que en el pasado había estado compacto en lo que él llamó el “átomo primigenio” Pero existían varios problemas: la singularidad cosmológica que planteaba la existencia de un universo de edad finita era difícil de conciliar con la teoría pero además existía otra cuestión: la edad de la Tierra que predecían estos modelos no se correspondía con la edad del universo de Einstein-de Sitter(Kragh & García-Sanz, 2008), este era uno de los principales escollos que debía salvar la teoría.  
            Hubble ganó mucha fama internacional gracias a su hallazgo pero fue extremadamente cauto en relación a las conclusiones cosmológicas que se podían desprender de sus observaciones. En efecto, no se atrevió a postular claramente que el universo estaba en expansión(Singh, 2008).
            Sin embargo, tal como comentábamos, Lemaître ya había planteado de forma teórica la posibilidad de un Big Bang pero, por alguna razón, no fue escuchado seriamente hasta que Hubble hizo públicos sus descubrimientos. Teoría y práctica parecían ir finalmente de la mano.
En 1931, Einstein reconoció públicamente que su teoría estaba equivocada y refrendó los modelos de Friedman y Lemaître. Este puede ser señalado como el comienzo oficial de la Teoría del Big Bang pero tuvieron que pasar todavía 10 años para que George Gamow postulara el primer modelo Big Bang moderno. En el mismo Gamow planteaba que el universo se había formado a partir de “un suceso cataclísmico irreversible”(Kragh & García-Sanz, 2008, p.285)  en el que el universo estaba caliente y dominado por la radiación. El problema era que no era posible medir esa radiación, es decir, era tecnológicamente imposible pero además no despertó el interés de los astrónomos de la época que la mayoría de ellos, ni siquiera creía en la teoría del Big Bang. Demasiadas trabas para que avance la ciencia.   Había dudas, faltaba observación pero sobre todo faltaba debate y para eso qué mejor que un rival que ose cuestionar la existencia de la creación del universo de la nada.
Ese rival sería el modelo del estado estacionario.

El surgimiento del modelo del estado estacionario


            Todo comenzó con tres amigos que habían ido juntos al cine a ver Al morir la noche, una inquietante película en la que el tiempo parecía transcurrir aunque la historia se repetía una y otra vez. Este fue el germen mundano en el que se gestó el modelo del estado estacionario. Un modelo que postulaba que el universo estaba en expansión pero que era eterno en el tiempo y en el espacio(Singh, 2008).
Fred Hoyle, Hermann Bondi y Thomas Gold, el trio de amigos de Cambridge, no podían desoír los descubrimientos de Hubble pero se resistían a creer en la Teoría del Big Bang, en especial por el problema que planteaba la paradoja de la edad.
El universo que plantearon debía tener las mismas características a gran escala tanto en el espacio como en el tiempo en virtud del  principio cosmológico perfecto. En este sentido, no existía un comienzo. El universo era el mismo pero dinámico al mismo tiempo como un río que fluye constantemente. Bondi (1970) nos lo explica claramente:

A river may be in a steady state in that the velocity of the wáter is a function of position only and not of time. It will then present a stationary aspect to any observer at rest, but not  only may the water be moving, but each particle will in general even suffer accelerations or retardations as it moves from regions of low velocity to regions of high velocity or conversely (Bondi, 1952,p.142).

            Pero… ¿cómo era posible explicar en términos físicos este tipo de universo? Es en este contexto, que debemos interpretar el párrafo citado al comienzo de este artículo.
            Necesariamente para mantener la misma densidad, debía haber creación de materia constante. Pero este postulado creaba muchos problemas. ¿Cómo se creaba esta materia? ¿A qué velocidad lo hacía? Bondi mismo planteaba que no era observable este fenómeno por lo que ya encontramos un escollo importante a esta teoría. ¿Cómo verificarla? Sobre este último extremo, debemos hacer un apunte metodológico: Bondi era un ferviente admirador de Karl Popper como lo ha dejado constar en numerosos escritos. De acuerdo, a su modelo hipotético deductivo, no es factible verificar las teorías sino falsarlas, es decir, buscar la manera de contradecirlas mediante la observación.
En este sentido, si bien, no era posible verificar empíricamente la creación de materia Bondi nos dice que “no hay evidencia empírica que contradiga la actual creación de materia a la tasa predicha por el principio cosmológico perfecto”(Bondi, 1952, p.143), una manera elegante de salir del atolladero de la verificación. Es más, Bondi se atreve a postular que la creación de materia parte de la nada. Es decir, no se crea por la radiación.  Y no parece explicarnos cómo puede ser esto posible. Solo un experto en retórica es capaz de salir airoso de semejantes hipótesis.
            En concreto, en el párrafo citado, nos dice que nos va a explicar la física de la creación de materia para luego entrar en el detalle en la velocidad de creación dejando este asunto sin resolver. En cuanto a la velocidad, parece ser que su teoría está plagada de supuestos. Él nos viene a decir que la tasa de creación de materia no varía en el espacio y en el tiempo ni  está relacionada con la densidad de la materia. ¿Qué lo lleva a suponer esto? Su razonamiento, puramente deductivo, nos viene a decir, que… ¡hombre! si la materia se creara en el interior de las estrellas a una gran velocidad y no se creara en el espacio vacío, no se podrían formar en este espacio nuevas galaxias. Esto lo lleva a suponer que, en virtud del principio cosmológico perfecto, la nueva nebulosa debe formarse en el espacio que van dejando las antiguas galaxias. Y, por razones de simplicidad (una palabra de la que abusa en toda su obra), es adecuado suponer que la velocidad de creación es constante en el tiempo y en el espacio.
            Bondi considera que este modelo responde más preguntas y evita poner un velo sobre el proceso de creación de la materia como sí hacen otras teorías como la del Big Bang, que postulan un momento único pasado.
            La controversia entre estos dos modelos duró años y solo pudo zanjarse definitivamente en los años sesenta con el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo. Un fenómeno que ya habían predicho Alpher y Herman y que por fin confirmaba sus sospechas. La teoría del Big Bang había ganado la partida.
            Más allá de quién haya ganado la partida o de las implicaciones políticas o teológicas de uno u otro modelo, el modelo del estado estacionario contribuyó al debate científico y forzó la búsqueda de respuestas a las preguntas trascendentales en torno al cosmos. Y hablando de fe, es apropiado volver a Kuhn y preguntarnos, si al fin y al cabo el triunfo de un nuevo paradigma no es más que una cuestión de fe.

El hombre que adopta un nuevo paradigma en una de sus primeras etapas, con frecuencia deberá hacerlo, a pesar de las pruebas proporcionadas por la resolución
de los problemas. O sea, deberá tener fe en que el nuevo paradigma tendrá éxito al enfrentarse a los muchos problemas que se presenten en su camino, sabiendo sólo que el paradigma antiguo ha fallado en algunos casos. Una decisión de esta índole sólo puede tomarse con base en la fe(Kuhn, 1971,p.244).

Bibliografía de consulta

Bondi, H. (1952). Cosmology. Cambridge: Cambridge University Press.
Gale, George, "Cosmology: Methodological Debates in the 1930s and 1940s", The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Spring 2013 Edition), Edward N. Zalta (ed.), URL = <http://plato.stanford.edu/archives/spr2013/entries/cosmology-30s/>.
Kragh, H., & García-Sanz, J. (2008). Historia de la cosmología: De los mitos al universo inflacionario. Barcelona: Crítica.
Kuhn, T. S., (. (1971). La estructura de la revoluciones científicas Fondo de Cultura Económica.
Sellés García, M. (2007). Introducción a la historia de la cosmología : UNED unidad didactica
Singh, S. (2008). Big bang : El descubrimiento científico más importante de todos los tiempos y todo lo que hay que saber acerca del mismo. Barcelona: Ediciones de Intervención Cultural.




Comentarios

  1. Hola,

    Por si os interesa, una infografía móvil para entender la relatividad. http://horizontefbt.blogspot.com.es/2012/10/teoria-de-la-relatividad.html

    ResponderEliminar
  2. Muchas gracias Felipe, ahora lo veré.
    Un saludo del Canguro.

    ResponderEliminar

Publicar un comentario

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...

Entradas populares