El origen del Universo
El célebre físico británico presenta su desafiante posición sobre la formación del Universo. Por qué estamos cada vez más cerca de saber de dónde venimos. Por STEPHEN HAWKING Exposición presentada en la Universidad Hebrea de Jerusalén.Según la gente del Boshongo, en África Central, en el comienzo sólo había oscuridad, agua y el gran dios Bumba. Un día Bumba, quien sufría dolores de estómago, vomitó el sol. El sol secó parte del agua, dejando tierra. Todavía sufriendo dolores estomacales, Bumba vomitó la luna, las estrellas y algunos animales como el leopardo, el cocodrilo, la tortuga y finalmente el hombre.
Este mito sobre la creación como muchos otros, trata de responder las preguntas que todos nos hacemos. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde venimos? La respuesta que generalmente se da es que los orígenes de la humanidad son relativamente recientes, la respuesta ha de ser obvia, ya que desde los primeros tiempos la raza humana ha mejorado en conocimiento y tecnología. Así que no debe haber sido hace mucho tiempo, sino hubiera progresado mucho más. Por ejemplo, según el Obispo Usher, en el libro del Génesis, la creación del mundo fue realizada el 27 de octubre a las 9 de la mañana en el año 4004 antes de Cristo. Por otro lado, sabemos que en una vida humana, ambientes naturales como las montañas y los ríos cambian muy poco. Este ambiente parece haber sido una constante, o bien existieron como un paisaje vacío o han sido creados al mismo tiempo que los seres humanos.
No todo el mundo, no obstante, estaba feliz con la idea de que el universo tuviera un comienzo. Por ejemplo, Aristóteles, uno de los mayores filósofos griegos, creía que el universo había existido por siempre. Algo eterno es más perfecto que algo creado. El sugirió la razón por la cual vemos el progreso, y era que las inundaciones o cualquier otro desastre natural, había ubicado a la civilización repetidamente a sus orígenes. La motivación para creer en el Universo eterno era el deseo de evitar la invocación de la intervención divina, para crear el Universo y ponerlo en funcionamiento. Por el contrario, aquellos que creían que el Universo tenía un comienzo, usaron esto como un argumento para la existencia de Dios, como primera causa, o como él que puso en movimiento el Universo.
Si uno pensaba que el Universo tuvo un comienzo, la pregunta obvia era: ¿Qué pasó antes del comienzo? ¿Qué estaba haciendo Dios antes de que creara el mundo? ¿Estaba preparando el infierno para la gente que se hacía tales preguntas? El problema si tenía o no tenia un comienzo ya era una gran preocupación para el filósofo alemán Emmanuel Kant. Sentía que había contradicciones lógicas o antinomias, cualquiera fuese el caso. Si el Universo tenía un comienzo, ¿por qué esperó un tiempo infinito antes de que apareciera? Llamó a esto la tesis. Por otro lado, si el Universo hubiera existido por siempre ¿por qué tomó un tiempo infinito para alcanzar el presente estadio? A eso lo llamó la antítesis. Ambas, la tesis y la antitesis, dependían del supuesto de Kant, junto con la gran mayoría, que el tiempo es absoluto. Lo que es decir, se fue de un pasado infinito a un futuro infinito, independientemente de que cualquier Universo pueda o no existir en este escenario.
Esto es aún hoy en día lo que piensan algunos científicos. Sin embargo, en 1915, Einstein introdujo su revolucionaria teoría de la relatividad. Según esta teoría, espacio y tiempo no son más absolutos, no son más un escenario fijo para los eventos. En cambio, son medidas dinámicas que fueron formadas por materia y energía en el Universo. Fueron definidas sólo dentro del Universo, así que no tiene sentido hablar del tiempo antes de que el Universo comenzará. Seria como preguntarse por el punto sur del Polo Sur. No está definido.
Si el Universo esencialmente no cambiaba con el tiempo, como se asumía antes de 1920, no habría razón para que el tiempo no fuera definido arbitrariamente como se pensaba antes. De esta forma, "cualquier comienzo del Universo" sería artificial, en el sentido que uno puede extender la historia a los comienzos. Aunque el Universo pareciera que haya sido creado el año pasado, con todos los recuerdos y evidencia física, pareciera que fuera mucho más viejo. Esto nos lleva a cuestiones filosóficas mucho más profundas sobre el significado de la existencia. Debo manejarme con ellas, adoptando un punto de vista positivista. Según éste, manejamos los datos de nuestros sentidos según un modelo que hacemos del mundo. Uno no puede preguntarse si el modelo representa la realidad, sólo si funciona este modelo. Un modelo es un buen modelo, si primero interpreta un amplio rango de observaciones, en términos de un simple y elegante modelo. Y en segundo lugar, si el modelo hace predicciones certeras que puedan ser probadas, y posiblemente adulteradas por la observación.
Según el enfoque positivista, uno puede comparar dos modelos del Universo. Uno en el cual el Universo fue creado el año pasado, y otro en el cual el Universo existía desde hace mucho tiempo. El modelo en el cual existía desde hace mucho tiempo, se pueden explicar las cosas como si fueran gemelos idénticos, que tienen una causa en común hace más de un año. Por el otro lado, el modelo en el cual el Universo fue creado el año pasado, no se pueden explicar tales eventos. Así que el primer modelo es mejor. Uno no puede preguntarse si el Universo realmente existía un año atrás, o simplemente apareció. En el enfoque positivista, son lo mismo.
En un Universo que no cambia, no habría un punto de comienzo. La situación cambió radicalmente, cuando Edwin Hubble comenzó a hacer observaciones con un telescopio de cien pulgadas en el Monte Wilson durante los años '20. Hubble descubrió que las estrellas no están distribuidas uniformemente a través del espacio, pero están juntas en vastas colecciones que llamamos galaxias.
Midiendo la luz de las galaxias, Hubble pudo determinar sus velocidades. Él previo que mientras muchas galaxias se movían hacia nosotros, nosotros nos alejábamos. Eso es lo que uno tendría en un Universo que fuese invariable con el tiempo. Pero para su sorpresa, Hubble descubrió que casi todas las galaxias se alejaban de nosotros. Lo que es más, mientras más lejos estaban las galaxias de nosotros, más rápido se movían alejándose. El Universo no era invariable con el tiempo, como todo el mundo pensaba anteriormente. Se estaba expandiendo. La distancia entre las galaxias distantes estaban aumentando con el tiempo.
La expansión del Universo fue uno de los descubrimientos intelectuales más importantes del siglo XX o de cualquier otro siglo. Transformó el debate sobre si el Universo tenía un comienzo. Si las galaxias se estaban alejando de nosotros, deben haber estado más cerca en el pasado. Si su velocidad hubiese sido constante, tendrían que haber estado una encima de otra, alrededor de 15 billones de años atrás. ¿Fue este el comienzo del Universo?
Muchos científicos todavía estaban descontentos con que el Universo tuviera un comienzo, porque pareciese implicar que la física dejó de funcionar. Uno tendría que invocar una entidad externa, que por conveniencia, llamamos Dios, para determinar como comenzó el Universo. Por lo tanto, ellos avanzaron con sus teorías en las cuales el Universo se estaba expandiendo en el tiempo presente, pero que no tuvo un comienzo. Una de esas teorías fue la Teoría del Estado Fijo, propuesta por Bondi, Gold, y Hoyle en 1948.
En la Teoría del Estado Fijo, mientras las galaxias se alejan, la idea es que nuevas galaxias se forman con materia que ha estado creándose continuamente en el espacio. El Universo habría existido por siempre, y habría estado siempre igual. Esta última particularidad tuvo la gran virtud, desde un punto de vista positivista, de ser una predicción certera que pudo ser comprobada a través de la observación. El grupo de radioastronomía de Cambridge, bajo la dirección de Martin Ryle, hizo una encuesta sobre la fuentes débiles de radio a comienzos de los años 60. Estas estaban distribuidas de manera bastante uniforme en cielo, indicando que la mayoría de los fuentes se sitúan afuera de nuestra galaxia. Las fuentes más débiles, en promedio, estarían más alejadas.
La Teoría del Estado Fijo predijo la forma del diagrama del número de fuentes contra el origen de la fuerza. Las observaciones demostraron mas fuentes apenas perceptibles que lo se que predijo, indicando que la densidad de las fuentes era más alta en el pasado. Esto era contrario a las conjeturas básicas de la Teoría del Estado Fijo que todo en el tiempo es constante. Por esto y otras razones, la Teoría del Estado Fijo fue abandonada.
Otro intento para evitar que el Universo tuviera un comienzo fue la sugerencia que había una fase previa de contracción, pero debido a la rotación y las irregularidades locales, la materia no caería en el mismo punto. En cambio, diferentes partes de la materia se perderían y el Universo se expandiría de nuevo con la densidad permaneciendo finita. Los rusos Lifshitz y Khalatnikov declararon que habían probado que una contracción general sin una simetría exacta, llevaría siempre a un rebote con la densidad permaneciendo finita. Este resultado fue muy conveniente para el materialismo dialéctico marxista leninista, porque evitó los cuestionamientos complejos sobre la creación del Universo. Por lo tanto esta teoría se volvió un artículo de fe para los científicos soviéticos.
Cuando Lifshitz y Khalatnikov publicaron estos argumentos yo era un estudiante de investigación de 21 años buscando algo para completar mi tesis de doctorado. No creía en lo que ellos llamaban su prueba, entonces junto con Roger Penrose empecé a desarrollar nuevas técnicas matemáticas para estudiar tal cuestión. Nosotros demostramos que el Universo no podía tener saltos repetidos. Si la teoría de la relatividad de Einstein es correcta, habría una singularidad, y es que existe un punto de densidad infinita en la curva tiempo-espacio donde el tiempo tiene un comienzo.
La evidencia dada por la observación sobre la idea de que el Universo tuviera un comienzo denso data de octubre de 1965, unos pocos meses después de mi primer resultado sobre esta singularidad, junto con el descubrimiento de las leves microondas en el espacio. Estas microondas son las mismas que están en su horno microonda pero mucho menos poderosas. Calentaría una pizza a un mínimo de 271,3 grados centígrados, que no servirían tanto para descongelar la pizza salvo para dejarla cocinándola sola. Ud. puede observar estas microondas por sí mismo. Sintonice su televisión donde no vea ningún canal. Un pequeño porcentaje de la nieve que usted ve en la pantalla causará este entorno de microondas. La única interpretación razonable sobre este entorno es que es la radiación que sobra está en estado denso y muy caliente. Mientras el Universo se expandía, la radiación se habría enfriado hasta el remanente débil que podemos observar hoy.
A pesar de que los teoremas de singularidad planteados por mí y Penrose predijeron que el Universo habría tenido un comienzo, no nos dijeron nada sobre como comenzó. Las ecuaciones de la teoría general de la relatividad dejarían de funcionar sobre esta singularidad. Aunque la teoría de Einstein no puede predecir como comienza el Universo sí nos puede decir como evolucionó. Hay dos actitudes que uno puede elegir respecto a los resultados de Penrose y míos. Una es que Dios decidió comenzar el Universo por razones que no entendemos. Este era el punto de vista del Papa Juan Pablo. En una conferencia sobre cosmología en el Vaticano, el Papa dijo a los delegados que estaba bien estudiar el Universo después que éste comenzó. Pero que no deben indagar sobre sus comienzos, porque era el momento de la creación y la obra de Dios. Estaba tan contento que no se dio cuenta que yo había presentado un ponencia en la conferencia, sugiriendo como había comenzado el Universo. No fantaseé sobre ser entregado a la Inquisición, como pasó con Galileo.
La otra interpretación de nuestros resultados, que es la que eligen los científicos, indica que la Teoría General de la Relatividad deja de funcionar en los campos gravitacionales en los comienzos del Universo. Esta teoría tiene que ser reemplazada por una más completa. Uno esperaría esto, porque la teoría de la Relatividad no toma en cuenta la estructura más pequeña de la materia, que está regida por la teoría del quantum. Esto generalmente no importa porque la escala del Universo es enorme comparada con las escalas microscópicas de la teoría del quantum. Pero cuando el Universo es del tamaño de un Planck, un billón de un trillón de un trillón de un centímetro, las dos escalas son lo mismo, entonces hay que tener en cuenta la teoría del quantum.
A fin de entender el origen del Universo, necesitamos combinar la teoría General de la Relatividad, con la teoría del quantum. La mejor manera de hacer esto parece ser usar la idea de Feinman, de sumar diferentes historias. Richard Feinman era un personaje simpático que tocaba el bongo en una banda en Pasadena, y también era un físico brillante en el Instituto de Tecnología de California. Él propuso que un sistema va del estado A al estado B por cualquier camino posible de la historia.
Cada camino o historia tiene un cierta dimensión o intensidad y la probabilidad de un sistema de ir de un A a un B, está dada por sumar las dimensiones de cada camino. Habrá una historia en el cual la luna esté hecha de queso azul, pero la dimensión es pequeña, lo cual será malas noticias para los ratones.
La probabilidad para el estado del Universo en el tiempo presente está dada por la suma de las dimensiones de todas las historias que terminan en ese estado. ¿Pero como comenzaron tales historias? Esta es la pregunta sobre el origen pero planteada de otra manera. ¿Se necesita de un creador para decretar como comenzó el Universo? ¿O el estado inicial del Universo está determinado por una ley científica?
De hecho, esta pregunta se plantearía aún si las historias del Universo regresaran a un pasado infinito. Pero es más inmediato decir que el Universo comenzó quince billones de años atrás. El problema sobre que pasó en los comienzos de los tiempos se parece un poco a la pregunta sobre el límite del mundo, cuando la gente pensaba que la tierra era plana. ¿Es el mundo plano?, ¿el mar chorrea agua por sus orillas? He probado esto experimentalmente, he estado alrededor del mundo y no me he caído del él.
Como sabemos todos, el problema sobre qué pasa en la orilla del mundo fue resuelto cuando la gente se dio cuenta de que el mundo no era plano, sino una superficie curva. El tiempo, no obstante, parece ser diferente. Parece estar separado del espacio e ir por sus propias vías. Si tuvo un comienzo, tuvo que haber alguien que pusiera en marcha los trenes.
La Teoría de la Relatividad de Einstein, unificó tiempo y espacio como espacio-tiempo, pero el tiempo todavía era diferente al espacio, era como un pasillo que si bien o tenía un principio y un fin o era un pasillo que continuaba para siempre. Sin embargo, cuando uno la combina la Teoría de la Relatividad con la del Quantum, Jim Hartle y yo nos dimos cuenta que el tiempo se puede comportar en otro dirección en el espacio bajo condiciones extremas. Esto significa que uno puede deshacerse del problema del tiempo teniendo un comienzo, de una manera similar en que nos deshicimos del fin del mundo. Supongamos que los comienzos del Universo fueran como el polo sur de la tierra con latitudes extremas, imitando al tiempo. El Universo comenzaría en el Polo Sur. Mientras nos movemos hacia el norte, los círculos de latitud constante, representan el tamaño del Universo, que se expandirían. Preguntarse que pasó antes de los comienzos del Universo sería una pregunta absurda porque no hay ningún sur del polo sur.
El tiempo medido en grados de latitud tendrían un comienzo en el Polo Sur, pero el Polo Sur es como cualquier otro punto, al menos eso me dijeron. He ido a la Antártida, pero no al Polo Sur.
Las mismas leyes naturales que se aplican al Polo Sur, se aplicarían para otros lugares. Esto sustraería la antigua objeción de que el Universo tenga un comienzo, si el Universo tuviera un comienzo habría un lugar donde las leyes naturales no funcionan. El comienzo del Universo entonces estaría gobernado por las leyes científicas.
La situación que Jim Hartle y yo describimos, de la creación de un quantum espontáneo del Universo, sería un poco como la formación de burbujas de vapor en agua hirviendo. La idea es que las historias más probables del Universo serían como la superficie de las burbujas. Muchas pequeñas burbujas aparecerían y desaparecerían de nuevo. Eso correspondería a mini Universos que se expandirían pero colapsarían de nuevo, esto tomado en una escala microscópica. Hay Universos alternativos posibles, pero no son de demasiado interés ya que no duran mucho como para desarrollar galaxias y estrellas o vida inteligente. Unas pocas de las burbujas, sin embargo, crecerán hasta alcanzar cierto tamaño, en el cual estarán seguras de no colapsar. Continuarán expandiéndose en un porcentaje elevado y formarán las burbujas que vemos. Corresponderán a Universos que comenzarán a expandirse continuamente. A esto se le llama inflación, como los precios que suben cada año.
La inflación récord mundial fue la de la Alemania de la Primera Guerra Mundial. Los precios subieron por un factor de diez millones en un período de 18 meses. Pero no fue nada comparado a la inflación en los comienzos del Universo. El Universo se expandió por un factor de millones de trillones de trillones de una pequeña fracción de segundo. Diferente a la inflación aplicada a los precios, la inflación en los comienzos del Universo fue un cosa positiva. Produjo un Universo uniforme y vasto, tal como lo observamos. Sin embargo, no sería completamente uniforme. En la suma de las historias, las historias que son un poco irregulares, tendrán casi la misma posibilidad que las historias uniformes y regulares. La teoría por lo tanto predice que el Universo en los comienzos era propenso a ser no uniforme. Estas irregularidades producirían pequeñas variaciones en la intensidad del entorno de las microondas desde diferentes direcciones. El entorno de microondas fue observado por el Satélite Map y se descubrió que tiene la misma cantidad de variaciones que se predijo. Así que sabemos que estamos en el camin ocorrecto.
Las irregularidades en el comienzo del Universo significarán que algunas regiones tendrán una densidad mayor que otras. La atracción gravitatoria de una densidad extra bajará la expansión de la región y puede eventualmente provocar que la región colapse para formar galaxias y estrellas. Así que miren bien al mapa de microondas en el cielo. Es la impresión azul para toda la estructura en el Universo. Somos el producto de fluctuaciones quánticas de los comienzos del Universo. Dios realmente juega a los dados.
Hicimos progresos inmensos en el campo de la cosmología en los últimos cien años. La Teoría General de la Relatividad y el descubrimiento de la expansión del Universo despedazan el viejo cuadro de un Universo que existió por siempre. En cambio la Teoría de la Relatividad predijo que el Universo y el tiempo mismo comenzaron con el big bang. También predijo que el tiempo termina en los agujeros negros. El descubrimiento de un entorno de microondas cósmicas y las observaciones de agujeros negro sustentan estas conclusiones. Esto produce un cambio profundo sobre la imagen que tenemos del Universo y de la misma realidad.
Pag.original de la conferencia
Este mito sobre la creación como muchos otros, trata de responder las preguntas que todos nos hacemos. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde venimos? La respuesta que generalmente se da es que los orígenes de la humanidad son relativamente recientes, la respuesta ha de ser obvia, ya que desde los primeros tiempos la raza humana ha mejorado en conocimiento y tecnología. Así que no debe haber sido hace mucho tiempo, sino hubiera progresado mucho más. Por ejemplo, según el Obispo Usher, en el libro del Génesis, la creación del mundo fue realizada el 27 de octubre a las 9 de la mañana en el año 4004 antes de Cristo. Por otro lado, sabemos que en una vida humana, ambientes naturales como las montañas y los ríos cambian muy poco. Este ambiente parece haber sido una constante, o bien existieron como un paisaje vacío o han sido creados al mismo tiempo que los seres humanos.
No todo el mundo, no obstante, estaba feliz con la idea de que el universo tuviera un comienzo. Por ejemplo, Aristóteles, uno de los mayores filósofos griegos, creía que el universo había existido por siempre. Algo eterno es más perfecto que algo creado. El sugirió la razón por la cual vemos el progreso, y era que las inundaciones o cualquier otro desastre natural, había ubicado a la civilización repetidamente a sus orígenes. La motivación para creer en el Universo eterno era el deseo de evitar la invocación de la intervención divina, para crear el Universo y ponerlo en funcionamiento. Por el contrario, aquellos que creían que el Universo tenía un comienzo, usaron esto como un argumento para la existencia de Dios, como primera causa, o como él que puso en movimiento el Universo.
Si uno pensaba que el Universo tuvo un comienzo, la pregunta obvia era: ¿Qué pasó antes del comienzo? ¿Qué estaba haciendo Dios antes de que creara el mundo? ¿Estaba preparando el infierno para la gente que se hacía tales preguntas? El problema si tenía o no tenia un comienzo ya era una gran preocupación para el filósofo alemán Emmanuel Kant. Sentía que había contradicciones lógicas o antinomias, cualquiera fuese el caso. Si el Universo tenía un comienzo, ¿por qué esperó un tiempo infinito antes de que apareciera? Llamó a esto la tesis. Por otro lado, si el Universo hubiera existido por siempre ¿por qué tomó un tiempo infinito para alcanzar el presente estadio? A eso lo llamó la antítesis. Ambas, la tesis y la antitesis, dependían del supuesto de Kant, junto con la gran mayoría, que el tiempo es absoluto. Lo que es decir, se fue de un pasado infinito a un futuro infinito, independientemente de que cualquier Universo pueda o no existir en este escenario.
Esto es aún hoy en día lo que piensan algunos científicos. Sin embargo, en 1915, Einstein introdujo su revolucionaria teoría de la relatividad. Según esta teoría, espacio y tiempo no son más absolutos, no son más un escenario fijo para los eventos. En cambio, son medidas dinámicas que fueron formadas por materia y energía en el Universo. Fueron definidas sólo dentro del Universo, así que no tiene sentido hablar del tiempo antes de que el Universo comenzará. Seria como preguntarse por el punto sur del Polo Sur. No está definido.
Si el Universo esencialmente no cambiaba con el tiempo, como se asumía antes de 1920, no habría razón para que el tiempo no fuera definido arbitrariamente como se pensaba antes. De esta forma, "cualquier comienzo del Universo" sería artificial, en el sentido que uno puede extender la historia a los comienzos. Aunque el Universo pareciera que haya sido creado el año pasado, con todos los recuerdos y evidencia física, pareciera que fuera mucho más viejo. Esto nos lleva a cuestiones filosóficas mucho más profundas sobre el significado de la existencia. Debo manejarme con ellas, adoptando un punto de vista positivista. Según éste, manejamos los datos de nuestros sentidos según un modelo que hacemos del mundo. Uno no puede preguntarse si el modelo representa la realidad, sólo si funciona este modelo. Un modelo es un buen modelo, si primero interpreta un amplio rango de observaciones, en términos de un simple y elegante modelo. Y en segundo lugar, si el modelo hace predicciones certeras que puedan ser probadas, y posiblemente adulteradas por la observación.
Según el enfoque positivista, uno puede comparar dos modelos del Universo. Uno en el cual el Universo fue creado el año pasado, y otro en el cual el Universo existía desde hace mucho tiempo. El modelo en el cual existía desde hace mucho tiempo, se pueden explicar las cosas como si fueran gemelos idénticos, que tienen una causa en común hace más de un año. Por el otro lado, el modelo en el cual el Universo fue creado el año pasado, no se pueden explicar tales eventos. Así que el primer modelo es mejor. Uno no puede preguntarse si el Universo realmente existía un año atrás, o simplemente apareció. En el enfoque positivista, son lo mismo.
En un Universo que no cambia, no habría un punto de comienzo. La situación cambió radicalmente, cuando Edwin Hubble comenzó a hacer observaciones con un telescopio de cien pulgadas en el Monte Wilson durante los años '20. Hubble descubrió que las estrellas no están distribuidas uniformemente a través del espacio, pero están juntas en vastas colecciones que llamamos galaxias.
Midiendo la luz de las galaxias, Hubble pudo determinar sus velocidades. Él previo que mientras muchas galaxias se movían hacia nosotros, nosotros nos alejábamos. Eso es lo que uno tendría en un Universo que fuese invariable con el tiempo. Pero para su sorpresa, Hubble descubrió que casi todas las galaxias se alejaban de nosotros. Lo que es más, mientras más lejos estaban las galaxias de nosotros, más rápido se movían alejándose. El Universo no era invariable con el tiempo, como todo el mundo pensaba anteriormente. Se estaba expandiendo. La distancia entre las galaxias distantes estaban aumentando con el tiempo.
La expansión del Universo fue uno de los descubrimientos intelectuales más importantes del siglo XX o de cualquier otro siglo. Transformó el debate sobre si el Universo tenía un comienzo. Si las galaxias se estaban alejando de nosotros, deben haber estado más cerca en el pasado. Si su velocidad hubiese sido constante, tendrían que haber estado una encima de otra, alrededor de 15 billones de años atrás. ¿Fue este el comienzo del Universo?
Muchos científicos todavía estaban descontentos con que el Universo tuviera un comienzo, porque pareciese implicar que la física dejó de funcionar. Uno tendría que invocar una entidad externa, que por conveniencia, llamamos Dios, para determinar como comenzó el Universo. Por lo tanto, ellos avanzaron con sus teorías en las cuales el Universo se estaba expandiendo en el tiempo presente, pero que no tuvo un comienzo. Una de esas teorías fue la Teoría del Estado Fijo, propuesta por Bondi, Gold, y Hoyle en 1948.
En la Teoría del Estado Fijo, mientras las galaxias se alejan, la idea es que nuevas galaxias se forman con materia que ha estado creándose continuamente en el espacio. El Universo habría existido por siempre, y habría estado siempre igual. Esta última particularidad tuvo la gran virtud, desde un punto de vista positivista, de ser una predicción certera que pudo ser comprobada a través de la observación. El grupo de radioastronomía de Cambridge, bajo la dirección de Martin Ryle, hizo una encuesta sobre la fuentes débiles de radio a comienzos de los años 60. Estas estaban distribuidas de manera bastante uniforme en cielo, indicando que la mayoría de los fuentes se sitúan afuera de nuestra galaxia. Las fuentes más débiles, en promedio, estarían más alejadas.
La Teoría del Estado Fijo predijo la forma del diagrama del número de fuentes contra el origen de la fuerza. Las observaciones demostraron mas fuentes apenas perceptibles que lo se que predijo, indicando que la densidad de las fuentes era más alta en el pasado. Esto era contrario a las conjeturas básicas de la Teoría del Estado Fijo que todo en el tiempo es constante. Por esto y otras razones, la Teoría del Estado Fijo fue abandonada.
Otro intento para evitar que el Universo tuviera un comienzo fue la sugerencia que había una fase previa de contracción, pero debido a la rotación y las irregularidades locales, la materia no caería en el mismo punto. En cambio, diferentes partes de la materia se perderían y el Universo se expandiría de nuevo con la densidad permaneciendo finita. Los rusos Lifshitz y Khalatnikov declararon que habían probado que una contracción general sin una simetría exacta, llevaría siempre a un rebote con la densidad permaneciendo finita. Este resultado fue muy conveniente para el materialismo dialéctico marxista leninista, porque evitó los cuestionamientos complejos sobre la creación del Universo. Por lo tanto esta teoría se volvió un artículo de fe para los científicos soviéticos.
Cuando Lifshitz y Khalatnikov publicaron estos argumentos yo era un estudiante de investigación de 21 años buscando algo para completar mi tesis de doctorado. No creía en lo que ellos llamaban su prueba, entonces junto con Roger Penrose empecé a desarrollar nuevas técnicas matemáticas para estudiar tal cuestión. Nosotros demostramos que el Universo no podía tener saltos repetidos. Si la teoría de la relatividad de Einstein es correcta, habría una singularidad, y es que existe un punto de densidad infinita en la curva tiempo-espacio donde el tiempo tiene un comienzo.
El origen cero "Preguntarse que pasó antes de los comienzos del Universo sería una pregunta absurda porque no hay ningún sur del polo sur."
A pesar de haber tenido algo de éxito, no todo está resuelto. Todavía no tenemos un entendimiento teórico correcto de las observaciones de la expansión del Universo, sobre su aceleramiento luego de un período de regresión. Sin este entendimiento, no podemos estar seguros del futuro del Universo. ¿Se expandirá por siempre? ¿La inflación es una ley de la naturaleza? ¿O el Universo colapsará de nuevo? Las nuevas observaciones y avances teóricos están llegando rápidamente. La cosmología es una materia activa y muy apasionante. Estamos cerca de contestar viejas preguntas. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde venimos?Auque la Teoría de la Relatividad predijo que el Universo debe haber venido de un período de una curvatura alta en el pasado, no pudo predecir como el Universo emergería del big bang. La Teoría de la Relatividad no puede responder por sí misma esta pregunta central para la cosmología. ¿Por qué el Universo es del modo qué es? No obstante si la teoría de la Relatividad es combinada con la teoría del Quantum, puede ser que sea posible predecir como comenzó el Universo. Se expandió en un principio rápidamente. Durante este período inflacionario, el matrimonio de estas dos teorías predijeron que las pequeñas fluctuaciones desarrollaron y llevaron a la formación de galaxias, estrellas y las demás estructuras en el Universo. Esto es confirmado por las observaciones de pequeñas variaciones no uniformes en el entorno de las microondas cósmicas. Parece ser que estamos en el camino correcto de entender el origen del Universo, aunque todavía falta mucho trabajo por hacer. Una nueva ventana sobre como se formó el Universo será abierta cuando podamos detectar las ondas gravitatorias al medir con precisión las distancias entre las naves espaciales. Las ondas gravitacionales se propagan libremente hacia nosotros desde el comienzo de los tiempos sin impedimentos de ningún material interviniente. Por el contrario la luz es esparcida muchas veces por los electrones libres. La diseminación continua hasta que se congelan después de 300.000 años.
La evidencia dada por la observación sobre la idea de que el Universo tuviera un comienzo denso data de octubre de 1965, unos pocos meses después de mi primer resultado sobre esta singularidad, junto con el descubrimiento de las leves microondas en el espacio. Estas microondas son las mismas que están en su horno microonda pero mucho menos poderosas. Calentaría una pizza a un mínimo de 271,3 grados centígrados, que no servirían tanto para descongelar la pizza salvo para dejarla cocinándola sola. Ud. puede observar estas microondas por sí mismo. Sintonice su televisión donde no vea ningún canal. Un pequeño porcentaje de la nieve que usted ve en la pantalla causará este entorno de microondas. La única interpretación razonable sobre este entorno es que es la radiación que sobra está en estado denso y muy caliente. Mientras el Universo se expandía, la radiación se habría enfriado hasta el remanente débil que podemos observar hoy.
A pesar de que los teoremas de singularidad planteados por mí y Penrose predijeron que el Universo habría tenido un comienzo, no nos dijeron nada sobre como comenzó. Las ecuaciones de la teoría general de la relatividad dejarían de funcionar sobre esta singularidad. Aunque la teoría de Einstein no puede predecir como comienza el Universo sí nos puede decir como evolucionó. Hay dos actitudes que uno puede elegir respecto a los resultados de Penrose y míos. Una es que Dios decidió comenzar el Universo por razones que no entendemos. Este era el punto de vista del Papa Juan Pablo. En una conferencia sobre cosmología en el Vaticano, el Papa dijo a los delegados que estaba bien estudiar el Universo después que éste comenzó. Pero que no deben indagar sobre sus comienzos, porque era el momento de la creación y la obra de Dios. Estaba tan contento que no se dio cuenta que yo había presentado un ponencia en la conferencia, sugiriendo como había comenzado el Universo. No fantaseé sobre ser entregado a la Inquisición, como pasó con Galileo.
La otra interpretación de nuestros resultados, que es la que eligen los científicos, indica que la Teoría General de la Relatividad deja de funcionar en los campos gravitacionales en los comienzos del Universo. Esta teoría tiene que ser reemplazada por una más completa. Uno esperaría esto, porque la teoría de la Relatividad no toma en cuenta la estructura más pequeña de la materia, que está regida por la teoría del quantum. Esto generalmente no importa porque la escala del Universo es enorme comparada con las escalas microscópicas de la teoría del quantum. Pero cuando el Universo es del tamaño de un Planck, un billón de un trillón de un trillón de un centímetro, las dos escalas son lo mismo, entonces hay que tener en cuenta la teoría del quantum.
A fin de entender el origen del Universo, necesitamos combinar la teoría General de la Relatividad, con la teoría del quantum. La mejor manera de hacer esto parece ser usar la idea de Feinman, de sumar diferentes historias. Richard Feinman era un personaje simpático que tocaba el bongo en una banda en Pasadena, y también era un físico brillante en el Instituto de Tecnología de California. Él propuso que un sistema va del estado A al estado B por cualquier camino posible de la historia.
Cada camino o historia tiene un cierta dimensión o intensidad y la probabilidad de un sistema de ir de un A a un B, está dada por sumar las dimensiones de cada camino. Habrá una historia en el cual la luna esté hecha de queso azul, pero la dimensión es pequeña, lo cual será malas noticias para los ratones.
La probabilidad para el estado del Universo en el tiempo presente está dada por la suma de las dimensiones de todas las historias que terminan en ese estado. ¿Pero como comenzaron tales historias? Esta es la pregunta sobre el origen pero planteada de otra manera. ¿Se necesita de un creador para decretar como comenzó el Universo? ¿O el estado inicial del Universo está determinado por una ley científica?
De hecho, esta pregunta se plantearía aún si las historias del Universo regresaran a un pasado infinito. Pero es más inmediato decir que el Universo comenzó quince billones de años atrás. El problema sobre que pasó en los comienzos de los tiempos se parece un poco a la pregunta sobre el límite del mundo, cuando la gente pensaba que la tierra era plana. ¿Es el mundo plano?, ¿el mar chorrea agua por sus orillas? He probado esto experimentalmente, he estado alrededor del mundo y no me he caído del él.
Como sabemos todos, el problema sobre qué pasa en la orilla del mundo fue resuelto cuando la gente se dio cuenta de que el mundo no era plano, sino una superficie curva. El tiempo, no obstante, parece ser diferente. Parece estar separado del espacio e ir por sus propias vías. Si tuvo un comienzo, tuvo que haber alguien que pusiera en marcha los trenes.
La Teoría de la Relatividad de Einstein, unificó tiempo y espacio como espacio-tiempo, pero el tiempo todavía era diferente al espacio, era como un pasillo que si bien o tenía un principio y un fin o era un pasillo que continuaba para siempre. Sin embargo, cuando uno la combina la Teoría de la Relatividad con la del Quantum, Jim Hartle y yo nos dimos cuenta que el tiempo se puede comportar en otro dirección en el espacio bajo condiciones extremas. Esto significa que uno puede deshacerse del problema del tiempo teniendo un comienzo, de una manera similar en que nos deshicimos del fin del mundo. Supongamos que los comienzos del Universo fueran como el polo sur de la tierra con latitudes extremas, imitando al tiempo. El Universo comenzaría en el Polo Sur. Mientras nos movemos hacia el norte, los círculos de latitud constante, representan el tamaño del Universo, que se expandirían. Preguntarse que pasó antes de los comienzos del Universo sería una pregunta absurda porque no hay ningún sur del polo sur.
El tiempo medido en grados de latitud tendrían un comienzo en el Polo Sur, pero el Polo Sur es como cualquier otro punto, al menos eso me dijeron. He ido a la Antártida, pero no al Polo Sur.
Las mismas leyes naturales que se aplican al Polo Sur, se aplicarían para otros lugares. Esto sustraería la antigua objeción de que el Universo tenga un comienzo, si el Universo tuviera un comienzo habría un lugar donde las leyes naturales no funcionan. El comienzo del Universo entonces estaría gobernado por las leyes científicas.
La situación que Jim Hartle y yo describimos, de la creación de un quantum espontáneo del Universo, sería un poco como la formación de burbujas de vapor en agua hirviendo. La idea es que las historias más probables del Universo serían como la superficie de las burbujas. Muchas pequeñas burbujas aparecerían y desaparecerían de nuevo. Eso correspondería a mini Universos que se expandirían pero colapsarían de nuevo, esto tomado en una escala microscópica. Hay Universos alternativos posibles, pero no son de demasiado interés ya que no duran mucho como para desarrollar galaxias y estrellas o vida inteligente. Unas pocas de las burbujas, sin embargo, crecerán hasta alcanzar cierto tamaño, en el cual estarán seguras de no colapsar. Continuarán expandiéndose en un porcentaje elevado y formarán las burbujas que vemos. Corresponderán a Universos que comenzarán a expandirse continuamente. A esto se le llama inflación, como los precios que suben cada año.
La inflación récord mundial fue la de la Alemania de la Primera Guerra Mundial. Los precios subieron por un factor de diez millones en un período de 18 meses. Pero no fue nada comparado a la inflación en los comienzos del Universo. El Universo se expandió por un factor de millones de trillones de trillones de una pequeña fracción de segundo. Diferente a la inflación aplicada a los precios, la inflación en los comienzos del Universo fue un cosa positiva. Produjo un Universo uniforme y vasto, tal como lo observamos. Sin embargo, no sería completamente uniforme. En la suma de las historias, las historias que son un poco irregulares, tendrán casi la misma posibilidad que las historias uniformes y regulares. La teoría por lo tanto predice que el Universo en los comienzos era propenso a ser no uniforme. Estas irregularidades producirían pequeñas variaciones en la intensidad del entorno de las microondas desde diferentes direcciones. El entorno de microondas fue observado por el Satélite Map y se descubrió que tiene la misma cantidad de variaciones que se predijo. Así que sabemos que estamos en el camin ocorrecto.
Las irregularidades en el comienzo del Universo significarán que algunas regiones tendrán una densidad mayor que otras. La atracción gravitatoria de una densidad extra bajará la expansión de la región y puede eventualmente provocar que la región colapse para formar galaxias y estrellas. Así que miren bien al mapa de microondas en el cielo. Es la impresión azul para toda la estructura en el Universo. Somos el producto de fluctuaciones quánticas de los comienzos del Universo. Dios realmente juega a los dados.
Hicimos progresos inmensos en el campo de la cosmología en los últimos cien años. La Teoría General de la Relatividad y el descubrimiento de la expansión del Universo despedazan el viejo cuadro de un Universo que existió por siempre. En cambio la Teoría de la Relatividad predijo que el Universo y el tiempo mismo comenzaron con el big bang. También predijo que el tiempo termina en los agujeros negros. El descubrimiento de un entorno de microondas cósmicas y las observaciones de agujeros negro sustentan estas conclusiones. Esto produce un cambio profundo sobre la imagen que tenemos del Universo y de la misma realidad.
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