Publicado en Ciencia y Tecnología
BREVÍSIMA HISTORIA DEL TIEMPO
Autor: Manuel Calvo Hernando
Vivimos en un universo extraño y maravilloso. Se necesita una extraordinaria imaginación para apreciar su edad, tamaño, violencia, e incluso su belleza. Podría parecer que el lugar que ocupamos los humanos en este vasto cosmos es insignificante; quizá por ello tratamos de encontrarle un sentido y de ver cómo encajamos en él. Hace algunas décadas, un célebre científico (algunos dicen que se trata de Bertrand Russell) dio una conferencia sobre astronomía. Describió cómo la Tierra gira alrededor del Sol y cómo éste, a su vez, gira alrededor de un inmenso conjunto de estrellas al que llamamos nuestra galaxia. Al final de la conferencia, una vieja señora se levantó del fondo de le sala y dijo: “Todo lo que nos ha contado son disparates. En realidad, el mundo es una placa plana que se sostiene sobre el caparazón de una tortuga gigante”. El científico sonrió con suficiencia antes de explicar: “¿Y sobre qué se sostiene la tortuga?”. “Se cree usted muy agudo, joven”, dijo la anciana. “Pero hay tortugas hasta el fondo”.
La mayoría de nuestros contemporáneos consideraría ridículo imaginar el universo como una torre infinita de tortugas. Pero, ¿por qué nos empeñamos en creer que sabemos más? Olvidemos un minuto lo que conocemos –o creemos conocer- del espacio y levantemos la vista hacia el cielo nocturno. ¿Qué pensamos que son todos estos minúsculos puntos luminosos? ¿Son fuegos diminutos? Resulta difícil imaginar lo que son en realidad, ya que exceden inmensamente nuestra experiencia ordinaria. Otra cosa que nos cuesta imaginar es la distancia a que se encuentran realmente los planetas y las estrellas. Tales distancias son tan grandes que ni siquiera tiene sentido expresarlas en metros o en kilómetros. En su lugar, utilizamos el año-luz, que es la distancia recorrida por la luz en un año. En un segundo, la luz recorre 300.000 kilómetros, de modo que el año-luz es una distancia muy grande. La estrella más próxima a nuestro Sol, denominada Próxima Centauri (o Alfa Centauri) se halla a unos cuatro años-luz, tan lejos que la nave espacial tripulada más veloz de que disponemos hoy, un viaje hasta ella duraría unos diez mil años.
Los antiguos se esforzaron por entender el universo, pero entonces no disponían de nuestras matemáticas y nuestra ciencia. En la actualidad contamos con recursos poderosos: herramientas intelectuales como las matemáticas y el método científico, e instrumentos tecnológicos como ordenadores y telescopios. Pero, ¿qué sabemos en realidad del universo, y cómo lo conocemos? ¿De dónde viene el universo? ¿Adonde va? ¿Tuvo un principio? Y, si es así, ¿qué pasó antes de él? ¿Cuál es la naturaleza del tiempo? ¿Tendrá un final? ¿Podemos retroceder en el tiempo? Avances recientes en la física, que debemos en parte a las nuevas tecnologías, sugieren respuestas a estas antiquísimas preguntas. Algún día, estas respuestas nos parecerán tan obvias como que la Tierra gira alrededor del Sol, o quizá tan ridículas como una torre de tortugas. Sólo el tiempo (sea lo que sea) lo dirá.
Para hablar sobre la naturaleza del universo y discutir cuestiones como, por ejemplo, si tuvo un principio o tendrá un final, debemos tener claro qué es una teoría científica. Adoptaremos el punto de vista simplificado de que una teoría es tan sólo un modelo del universo, o de una parte restringida de él, y un conjunto de reglas que relacionan la magnitudes de este modelo con las observaciones que efectuamos. Sólo existe en nuestras mentes y no tiene realidad (sea lo que sea lo que signifique esto) fuera de ellas. Una teoría es buena si satisface dos requisitos: describir con precisión una amplia clase de observaciones sobre la base de un modelo que contenga tan sólo unos pocos elementos arbitrarios, y efectuar predicciones definidas sobre los resultados de futuras observaciones.
Resulta muy difícil idear una teoría que describa todo el universo en una sola formulación. Así pues, desglosamos el problema en partes e inventamos un número de teorías parciales, cada una de las cuales describe y predice una cierta clase limitada de observaciones y omite los efectos de las otras magnitudes o las representa como un simple conjunto de parámetros numéricos. Podría ser que este enfoque fuera completamente erróneo. Si todas las cosas del universo dependen de todas las demás de una manera fundamental, podrí ser imposible aproximarse a una solución completa investigando aisladamente las partes del problema. Sin embargo, es ciertamente la manera con la que hemos progresado en el pasado. El ejemplo clásico es la teoría newtoniana de la gravedad.
La teoría de Einstein de la relatividad general está basada en la sugerencia revolucionaria de que la gravedad no es una fuerza como las demás, sino una consecuencia de que el espacio-tiempo no es plano, a diferencia de lo que había supuesto hasta entonces. En la relatividad general, el espacio-tiempo está curvado o deformado por la distribución de masa y energía que contiene. Los objetos como la Tierra no se mueven en órbitas curvadas a causa de una fuerza llamada gravedad, sino porque siguen una trayectoria lo más próxima posible a una línea recta en un espacio curvado, a la que se denomina una geodésica, que se define como el camino más corto (o más largo) entre dos puntos dados.
Otro problema es el del universo en expansión. La estrella más cercana, Próxima Centauri, está a unos cuatro años-luz. La mayoría de las otras estrellas observables a simple vista se halla a un pocos centenares de años-luz. A efectos de comparación, recordemos que nuestro Sol está ¡a tan sólo ocho minutos-luz de distancia! Las estrellas visibles aparecen distribuidas por todo el cielo nocturno, pero están particularmente concentrada en un banda que denominamos Vía Láctea.
La imagen moderna el universo data tan sólo de 1924, cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble demostró que la Vía Láctea no era la única galaxia. En los años que siguieron a su demostración de la existencia de otras, Hubble se dedicó a clasificar sus diferencias y observar sus espectros. Fue una sorpresa descubrir que la mayoría de las galaxias parecían desplazadas hacia el rojo: ¡casi todas se estaban alejando! Más sorprendente incluso fue el descubrimiento que Hubble publicó en 1929: la magnitud del desplazamiento hacia el rojo no era aleatoria, sino directamente proporcional a la distancia a que se hallaba la galaxia. En otras palabras, cuanto más lejos está una galaxia, con mayor velocidad se aleja. Ello significaba que el universo no podía ser estático o de tamaño fijo, como se había creído hasta entonces. De hecho, el universo se está expandiendo: la distancia entre las diferentes galaxias va creciendo con el tiempo.
Perola historia no acaba aquí. Nuestra galaxia, y las demás, deben contener también una gran cantidad de “masa oscura” que no podemos ver directamente, pero cuya presencia inferimos a partir de la influencia de su atracción gravitatoria sobre la órbita de las estrellas.
Otro capítulo de este libro se titula “Big Bang, agujeros negros y la evolución del universo”. Todas las teorías de la cosmología están formuladas sobre la suposición de que el espacio-tiempo es liso y relativamente plano. Esto significa que todas ellas dejan de ser válidas en la gran explosión: difícilmente puede decirse que un espacio-tiempo de curvatura infinita sea plano. Así pues, incluso si antes del Big Bang hubiera habido algo, no lo podríamos utilizar para determinar lo que podría ocurrir después, porque la predictibilidad se hubiera roto en la gran explosión.
El siglo XX también vio nacer otra gran teoría parcial de la naturaleza, la mecánica cuántica. Se trata de los fenómenos que se producen a escalas muy pequeñas. Nuestra concepción del Big Bang nos indica que debió de haber un momento en el que el universo muy primitivo era tan pequeño que incluso al estudiar su estructura “a gran escala”, no es posible ignorar los efectos de pequeña escala de la mecánica cuántica. Nuestra mayor esperanza de obtener una comprensión completa del universo desde su principio hasta su final implica combinar estas dos teorías parciales en una sola teoría cuántica de la gravedad. Y es posible que las leyes ordinarias de la ciencia se cumplan en todos los sitios, incluida la región inicial del tiempo, sin necesidad de que haya en ella singularidad alguna.
Si el espacio-tiempo no tiene fronteras, no es necesario especificar su comportamiento en la frontera, esto es, no hay necesidad de conocer el estado inicial del universo. No existe un borde del espacio-tiempo en que debamos apelar a Dios o a alguna nueva ley que establezca las condicione de frontera del espacio-tiempo. Podríamos decir: “La condición de frontera del universo es que no tiene fronteras”.
Sería muy difícil construir en un solo paso una teoría unificada completa de todo lo que ocurre en el universo. En cambio, hemos progresado descubriendo teorías parciales que describen un dominio limitado de fenómenos y despreciando otros efectos, o aproximándolos mediante algunos parámetros numéricos. Las leyes de la ciencia, tal como las conocemos hoy, contienen muchos parámetros (como el valor de la carga eléctrica del electrón y el cociente de las masas del protón y el electrón) que no podemos, al menos de momento, predecir la teoría, sino que tenemos que hallar por observación e insertarlos en las ecuaciones. Algunos llaman a estos parámetros numéricos “constantes fundamentales”, y otros los llaman factores manipulables.
Las perspectivas de hallar una teoría como la de la “unificación de la física”, que ocupó los últimos años, infructuosos, de Einstein, hoy se ven con mayor optimismo, ya que conocemos mucho más sobre el universo. Pero debemos ser precavidos contra los excesos de confianza: ya hemos vivido antes falsas auroras. La principal dificultad para encontrar una teoría que unifique la gravedad con las otras fuerzas es que la teoría de la gravedad –la relatividad general- esa la única que no es una teoría cuántica: no toma en consideración el principio de incertidumbre.
Nos encontramos en un mundo sorprendente. Quisiéramos conocer el sentido de lo que vemos a nuestro alrededor y nos preguntamos cuál es la situación del universo, cual es nuestro lugar en él, de dónde viene y de dónde venimos nosotros y por qué es tal como es. Este libro ha otorgado especial preeminencia a las leyes que rigen la gravedad, porque es ella, aunque sea la más débil de las cuatro fuerzas básicas, la que configura la estructura a gran escala del universo. Hasta ahora, la mayoría de los científicos han estado ocupados desarrollando nuevas teorías que describan cómo es el universo para preguntarse por qué es el universo. En cambio, la gente cuya profesión es el preguntarse el por qué, los filósofos, no han sido capaces de mantenerse al día en el progreso e las teorías científicas.
En los siglos XIX y XX, la ciencia se hizo demasiado técnica y matemática para los filósofos, o para cualquiera que no se contara entre unos pocos especialistas. Sin embargo, si descubriéramos una teoría completa llegaría a ser comprensible a grandes líneas para todos y no sólo para unos cuantos científicos. Entonces todos, filósofos, científicos y público en general, seríamos capaces de participar en la discusión de la pregunta de por qué existimos nosotros y el universo. Si halláramos la respuesta a esto sería el triunfo último de la razón humana, ya que entonces comprenderíamos la mente de Dios.
