El Big Bang:¿Ciencia o especulación?

El Big Bang: ¿ciencia o especulación?

Pedro J. Hernández González 2000. Publicado en CosmosDigital nº1. Enero 2001

Una buena pregunta es parte de la respuesta.

La cosmología –el estudio de la dinámica y la evolución del universo a las mayores escalas de distancias y tiempos conocidos– es uno de esos temas que desata pasiones. Es rara la charla de divulgación de la astronomía que no termina con preguntas relacionadas con el origen y el destino último del universo. Cuando se llega hasta ese punto el astrónomo conferenciante empieza a dar la impresión de estar especulando y se muestra algo más inseguro. A veces incluso su pasión sobre el asunto termina por traicionarle. La razón es que cuando en astronomía uno habla de los movimientos del firmamento, de la física de las estrellas o incluso de la evolución y estructura de una galaxia, se hacen preguntas concretas que suelen estar bien definidas. Preguntas del tipo ¿cuándo y dónde podemos ver a Sirio en primavera?, ¿cuál es la temperatura de la superficie solar? o ¿cómo se forman los brazos espirales de una galaxia? están perfectamente definidas y suelen tener respuestas relativamente simples, directas y que todos podemos entender. Pero cuando empiezan las preguntas del tipo ¿dónde se encuentra el centro del universo? o ¿si el universo está en expansión, dentro de qué se está expandiendo? empiezan los problemas. El público no sabe que el problema no está en que el astrónomo no sepa las respuestas, sino que sabe perfectamente que esas preguntas no están bien formuladas; son en el fondo preguntas para las que nadie ha podido imaginar una observación que nos dé una respuesta clara.

La ciencia nos ha enseñado que o hacemos preguntas claras que se puedan responder a partir de las observaciones o no obtendremos respuestas. Incluso existe un dicho famoso, una de cuyas versiones podría ser algo así: los genios en ciencia no son tanto aquellos que nos han dado grandes respuestas sino aquellos que han hecho las preguntas adecuadas. No estoy diciendo con ello que uno no debería preguntarse tales cosas. Sólo pretendo convencer al lector de que esas preguntas deberían ser el punto de partida para indagar con mayor profundidad en el tema e intentar crearse una impresión general sobre lo que se puede afirmar y lo que no se puede afirmar dentro de lo que conocemos como el modelo estándar del Big Bang Caliente. Pero sobre todo, pretendo mostrarle al lector que el Big Bang es un modelo científico del universo que tiene algo importante que decirnos sobre las grandes preguntas que todos nos hemos hecho alguna vez sobre el origen y el destino de lo que llamamos el universo.

Críticas desde todos los frentes.

Cualquiera que esté interesado en cosmología no se habrá resistido a la tentación de buscar buenas páginas en la red. Les puedo asegurar que no es una empresa sencilla. Debido a lo apasionante del tema muchos aficionados tratan de construir páginas con resultados dispares. Pero lo que más llama la atención es la abundancia de páginas de aquellos que tratan de explicarnos sus visiones personales sobre el origen y el destino del universo. Por cada página creada por un astrónomo profesional con información de calidad y de primera mano sobre el Big Bang, existen al menos diez páginas [1]de este tipo.

Todo el mundo tiene el derecho constitucional de expresar su opinión, pero generalmente es preferible escuchar a aquellas personas que conocen bien el tema. Y desgraciadamente, entre las páginas citadas, abundan críticos del Big Bang cuyas herramientas conceptuales en física elemental y astronomía son más bien escasas, con lo que suelen caer en alguno de los siguientes errores:

1. Ven problemas o intentan dar una explicación a un fenómeno que el Big Bang explica perfectamente
2. Intentan explicar un fenómeno no del todo entendido (como el problema de la masa oscura) y se olvidan que existen muchas otras observaciones que tienen que ser explicadas al mismo tiempo y de forma coherente dentro de un esquema compatible con el resto de teorías físicas.
3. Ven problemas o intentan explicar un fenómeno partiendo de un error conceptual típico de alguien que no ha estudiado el tema con detalle.

Una afirmación en la que coinciden casi todos los críticos ––desde los más desinformados hasta los que tienen cierta educación científica–– es el dogmatismo o la falta de escepticismo entre los científicos de lo que se suele llamar "establishment", es decir, el colectivo de investigadores profesionales que trabajan en una disciplina y que parecen no cuestionar las bases de la misma. Desgraciadamente, es difícil quitarse de la cabeza el estereotipo de investigador, arrogante en sus conocimientos y ávido de éxito profesional. Yo diría que tanto los críticos disidentes como los científicos del "establishment" son colectivos más similares de lo que ellos mismos se atreven a admitir. Al fin y al cabo todos somos humanos. Así que, con el permiso del lector, ¡veamos lo que se cuece en los círculos académicos!.

Un pequeño paseo por los congresos de astronomía

El congreso del año pasado [1999] de la Unión Astronómica Internacional (IAU) bajo el título "Nuevos datos en cosmología y valores de los parámetros fundamentales" nos puede servir para tener una perspectiva de lo que se cuece dentro del "establishment". Aunque siempre se cometa cierta injusticia en cualquier clasificación, podemos hacerlo con los astrónomos profesionales que expusieron allí su visión del estado de la cosmología en tres grandes grupos: los pesimistas, los cautos y los entusiastas.

Un buen ejemplo de pesimismo es el del astrónomo británico M. J. Disney. En su lista de patologías que sufre la cosmología moderna [2] no deja títere con cabeza. Entre otras cosas Disney nos recuerda que La cosmología avanza muy lentamente y los instrumentos que usa son muy caros para tan escasos resultados. Lo que podría ser interpretable como una forma sutil de llamar incompetentes y derrochadores a los cosmólogos. Me sorprende que diga además que La cosmología tiene que vivir con la imposibilidad de extraer información decisiva de objetos tan débiles como las galaxias lejanas, cuando Disney debería saber de lo que es capaz un astrónomo por un puñado de fotones.

Pero parece ser que tampoco le gusta la intromisión de físicos de partículas que esperan encontrar en la cosmología el "gran acelerador en el cielo", pero que no tienen suficiente preparación en astronomía para valorar la calidad de las observaciones. Y es que esto de la intrusión profesional no está bien visto en ninguna parte.

Sin embargo lo más pernicioso de todo para M.J. Disney no es más que el silenciado paralelismo de la cosmología con la religión, al enfrentarse a grandes preguntas que no obtendrán respuesta dentro del método científico. Bueno, se dice que un pesimista es un optimista bien informado, pero en este caso son precisamente los detalles lo que uno echa de menos en los argumentos de Disney.

El mejor representante de los entusiastas militantes es Michel S. Turner, del Laboratorio Fermi de la Universidad de Chicago. En una serie de artículos [3] de finales de los noventa reivindicaba que los principales problemas de la cosmología clásica estaban resueltos y que avanzamos a paso firme hacia el conocimiento de lo ocurrido en los primerísimos instantes, con sólo alguno detalles por dilucidar. Claro que Turner es uno de los especialistas en la física ––aún sin apoyo observacional–– de la primera trillonésima de trillonésima de segundo de expansión, una campo de investigación sólo apto para entusiastas.

Personalmente me decanto por los cautos: aquellos que nunca pierden de vista las ya famosas palabras que pronunció en los años treinta el astrónomo W. de Sitter: "No debería olvidarse que todo este discurso sobre la naturaleza del universo implica una tremenda extrapolación, la cual es una operación muy peligrosa". Jim Peebles –astrónomo de Princeton– es probablemente uno de los pocos cosmólogos en activo que nunca pierden de vista las interpretaciones alternativas y tratan de mantener una visión de conjunto. Autor de varios textos hoy en día estándares de la cosmología moderna y de infinidad de revisiones del estado de esta disciplina, ha prestado, por ejemplo, gran atención a las observaciones de Halton Arp –un conocido disidente del modelo estándar– y a las alternativas a la materia oscura.

Peebles ha sabido diferenciar bien entre aquello que sí podemos afirmar con confianza suficiente, por estar avalado observacionalmente, y aquello en lo que tenemos serias dudas y que conviene seguir contrastando con más observaciones independientes antes de decidir nuestro parecer.

Evidencias para un Big Bang Caliente

En las conclusiones finales del congreso de la IAU [4] Jim Peebles nos recuerda cómo podemos hablar con confianza de un universo homogéneo en expansión a partir de un estado de alta densidad y temperatura. Vale la pena enumerar las evidencias observacionales más contundentes y menos dependientes de hipótesis añadidas:

1. La distribución observada de galaxias distantes parece muy uniforme en el cielo, miremos en cualquier frecuencia del espectro: desde los rayos gamma hasta las ondas de radio. Esta es una evidencia directa a favor de una de las hipótesis de partida del modelo del Big Bang: el Principio Cosmológico, que en palabras sencillas podemos formular como el hecho de que el universo tiene que tener el mismo aspecto general desde cualquier punto desde el que realicemos las observaciones.
2. La magnitud aparente de las galaxias lejanas aumenta proporcionalmente a su desplazamiento al rojo (ley de Hubble) como muestran de forma impresionante las observaciones de supernovas de tipo Ia para desplazamientos al rojo moderados (ver figura). La interpretación más sencilla de esta observación es que la longitud de onda de la luz que proviene de una galaxia lejana resulta alargada en su viaje como consecuencia de la expansión del universo. Cuando más lejana esté la galaxia, más contraído estaba el universo en la época en que emitió la luz y por tanto más afectada se ha visto la onda de luz en su viaje hasta nosotros.
3. Los desplazamientos al rojo son buenos indicadores de distancia, como queda patente en dos fenómenos independientes: por un lado la presencia de líneas de absorción en el espectro de un cuásar que presentan un desplazamiento al rojo menor que las líneas de emisión del propio cuásar y que se corresponde con líneas debidas al espectro de cúmulos de galaxias interpuestos de menor desplazamiento al rojo. Por otro lado tenemos la desviación gravitatoria de la luz de un cuásar por una galaxia o cúmulo de galaxias interpuesto.
4. Los efectos evolutivos han sido observados fuera de cualquier duda razonable: las poblaciones de galaxias con desplazamientos al rojo considerables muestran diferencias apreciables con las poblaciones más cercanas.
5. El espectro térmico del fondo cósmico de microondas sólo tiene una explicación sencilla si existió una fase caliente y densa en el pasado lejano.

Por supuesto, nunca debemos perder de vista que aunque las bases del modelo estándar del Big Bang sean firmes, los detalles tienen lagunas importantes. Por ejemplo, nadie conoce exactamente la naturaleza de la materia oscura o si la constante cosmológica contribuye de forma significativa a la densidad de energía del universo.

Una historia que justifica las críticas.

Aquellos de nuestros tatarabuelos con cierta curiosidad científica –¡y un buen nivel adquisitivo!– especulaban con la idea newtoniana de un universo infinito, eterno, estático y poblado de estrellas separadas por distancias inmensas en el que básicamente no sucedía nada.

Sus nietos en los años cincuenta especulaban con la idea de un universo infinito, eterno, en expansión y poblado por galaxias separadas por inmensos vacíos donde en promedio no había grandes cambios a lo largo de los eones: el modelo de Estado Estacionario. Algunos, más intrépidos en aquella época, pensaban en un universo finito en el tiempo, y quizás en el espacio, y que había comenzado en una fase inicial con una tremenda densidad y temperatura: el Big Bang. Pero todos compartían el hecho de saber que el estudio de la estructura y evolución del universo como un todo se encontraba en un estado que podemos definir como de "guiado por la teoría".

Quizás, los años setenta y ochenta fueron, especialmente, un momento donde se olvidaron las palabras de W. de Sitter y se exageró la confianza en "el ojo teórico". En los ochenta se fue afianzando lo que se denominó el modelo estándar de materia oscura fría. Este modelo está basado en un universo con una densidad crítica, es decir, con la cantidad de materia justa para frenar la expansión hasta casi detenerla en un tiempo virtualmente infinito. Además, alrededor de un 90% de la masa en ese universo estaría constituida por partículas exóticas, aún no descubiertas en los aceleradores terrestres, que se moverían a bajas velocidades ––de ahí el calificativo de "materia fría" –– y que no emitiría luz, con lo que sería oscura y difícilmente detectable.

Es curioso que el modelo se convirtiera en un verdadero paradigma de la época cuando existían dos problemas básicos: contradecía casi todas las medidas de la densidad de materia, que estaban convergiendo en torno al intervalo 20–40% de la densidad crítica y llevaba además a una incompatibilidad manifiesta entre el tiempo de expansión del universo y las estimaciones de la edad de los objetos que éste contenía.

Otra de las ideas que nació en los ochenta por motivos puramente teóricos fue el modelo inflacionario. El modelo inflacionario dibuja un escenario de un universo que se expandía en sus primeros instantes de manera exponencial y nos mete en los primeros 10^-37 segundos de expansión (sí, ¡no se sorprenda!, algo así como una diez trillonésima de trillonésima de segundo). En esos instantes la densidad de energía era tan elevada que resulta necesario recurrir a los modelos de gran unificación de la física de partículas para entender lo que sucedía.

Los modelos de gran unificación intentan unir en un marco coherente tres de las cuatro interacciones conocidas: electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. El problema es que no existe un modelo único de gran unificación y la teoría estaba huérfana de contraste observacional.

A pesar de todo, el modelo inflacionario traía algo de luz sobre algunos problemas conceptuales del Big Bang, como por ejemplo por qué partes del cielo que una vez estuvieron causalmente desconectadas––es decir, que ninguna señal habría podido viajar de una región a otra–– pueden tener exactamente la misma apariencia y un fondo cósmico de microondas con prácticamente la misma temperatura. Y lo más importante: era un escenario de los primeros instantes del universo que predecía una densidad de materia igual a la crítica y la creación de un montón de partículas exóticas procedentes del marco de la gran unificación; ¡Justo lo que necesitaban los abogados defensores de los escenarios estándar de materia oscura fría!.

La década prodigiosa

La situación empezó a cambiar a principios de los noventa, cuando los mapas de galaxias realizados con nuevas tecnologías mostraban una distribución incompatible con las predicciones del modelo estándar de materia oscura fría. Sin embargo, en 1992 llegaron las primeras medidas de las variaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas realizadas por el satélite COBE de la NASA que ––de forma poco significativa eso sí–– eran compatibles con las predicciones del modelo inflacionario y con una densidad de materia y energía igual a la crítica.

En noviembre de 1999 llegaban a los medios de comunicación los resultados preliminares del proyecto Boomerang, un globo estratosférico provisto de un pequeño radiotelescopio capaz de medir variaciones de la temperatura del fondo de microondas en escalas de hasta 1/5 de grado. COBE sólo pudo hacerlo hasta 7º, lo que implica una apreciable mejora. Los datos de la muestra obtenida, que cubría un 1% del cielo, fueron publicados en la revista Nature en Abril de 2000. Habían descubierto el rastro dejado por la contribución principal de las ondas de sonido que viajaban por el universo cuando éste no era más que un plasma a unos 3000ºC.

Los datos de Boomerang son perfectamente compatibles con un universo de una densidad de materia y energía igual a la densidad crítica, de geometría espacial euclídea y en eterna expansión. Este resultado parece como "caído del cielo" para los partidarios del modelo estándar de materia oscura, pero hay un pequeño problema: las observaciones de la variación del brillo de supernovas de tipo Ia con la distancia.

El resultado que han obtenido dos grupos de investigadores liderados por Saul Perlmutter y Alan Riess parecen indicar que las supernovas a un determinado desplazamiento al rojo son menos brillantes que lo esperado para un universo cuya expansión frena con el tiempo debido a la atracción gravitatoria mutua de la materia que contiene. La manera más directa de interpretar este resultado es que el universo está en expansión acelerada. Así, ésta era más lenta en el pasado que en la actualidad, con lo que el universo necesitó más tiempo para alcanzar la separación actual de objetos que en un universo cuya tasa de expansión desacelere, y por tanto la luz de la supernova ha tardado más tiempo hasta nosotros, lo que implica una mayor distancia aparente y consecuentemente un menor brillo aparente.

Aunque el trabajo observacional de los grupos de supernovas ha sido muy cuidadoso, se investiga actualmente la posibilidad de que ese menor brillo observado sea debido a efectos evolutivos o de interposición de gas y polvo que no se hayan tenido en consideración.

La pregunta teórica que surge de las dos observaciones más precisas de la historia de la cosmología es qué produce exactamente esa expansión acelerada. La respuesta podría ser la tan traída y llevada constante cosmológica, que desaparece y reaparece continuamente como un fantasma teórico que no encuentra su descanso eterno.

La constante cosmológica puede ser interpretada como la contribución del vacío a la densidad de energía del universo. Parece una broma pesada decir que el vacío pueda contribuir a algo, pero el principio de incertidumbre de Heisenberg permite la creación espontánea de pares virtuales de partículas que terminan por influir en la dinámica de la expansión del universo. Era habitual pensar que esta densidad de energía de vacío debería ser constante en el tiempo y estar uniformemente distribuida por todo el espacio, por el hecho de que no parece que en el vacío haya "nada" de lo que pudiera depender. Pero los teóricos han ido un poco más lejos y están investigando modelos donde determinados campos de energía del vacío –relacionados con los tan buscados campos de Higgs– pueden variar con el tiempo y tener una distribución no uniforme a lo largo del espacio. Para distinguir un caso del otro se ha llamado a este último tipo de contribución energética "Quintaesencia" –el quinto elemento del que estaban hechos los cielos en el universo aristotélico–. En otras palabras, todavía no sabemos qué es ese tipo de energía misteriosa que parece impulsar la expansión del cosmos y ni siquiera si incluso existe.

¿Es la cosmología una ciencia saludable?

Las observaciones del brillo de supernovas de tipo Ia y las variaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas son los primeros resultados relevantes de un amplio grupo de nuevas técnicas de alta precisión que están apareciendo en cosmología. A éstas se podrían unir en la próxima década los resultados de los nuevos mapas digitalizados de galaxias o las observaciones de lentes gravitatorias, entre otras.

Toda esta interacción entre observaciones de precisión y teoría, junto con el marco básico de un universo en expansión uniforme a partir de un estado de alta densidad y temperatura que cuenta con evidencias aplastantes, hacen de la cosmología una ciencia aparentemente saludable. No deberíamos sin embargo confundir este marco básico con los detalles y con la nueva física del universo temprano en la que nos ha metido el modelo inflacionario. Hay muchas cosas que entender y tenemos que ser conscientes de nuestras propias limitaciones. Los escenarios inflacionarios nos llevan casi inevitablemente a la idea de que nuestro universo es infinitamente más inmenso de lo que podríamos suponer en un principio. El universo observable, para el que tenemos un modelo como el Big Bang Estándar que parece funcionar bien en primera aproximación, podría ser una pequeña burbuja en expansión dentro de un universo inmenso donde existen una infinidad de otras burbujas en expansión. Probablemente pasen generaciones de astrónomos antes de que tengamos alguna pista observacional sobre el asunto, si es que algún día disponemos de ella. De momento los cosmólogos de conforman con conocer cómo es el universo dentro del radio que podemos observar. Y finalmente empezamos a disponer de observaciones lo suficientemente precisas para que los prejuicios teóricos no sean los que tomen la iniciativa. La existencia o no de una constante cosmológica o de partículas exóticas que formen parte de la materia oscura lo decidirán finalmente las observaciones.

Quizás alguno todavía se escandalice de que esas evidencias no sean más que interpretaciones indirectas de medidas muy complejas, como las del espectro de las variaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas. Pero ¿acaso existe alguna ciencia que esté libre de ese pecado?. Es cierto que en astronomía no existen experimentos y que no podemos perturbar estrellas o galaxias para ver si responden a lo que predicen los modelos. En cosmología la situación es incluso peor, porque no podemos siguiera tener varios ejemplos y obtener una buena muestra estadística: ¡existe un solo universo donde mirar!. ¿Debemos renunciar a intentar contestar a ciertas preguntas por esa limitación impuesta por las circunstancias?. Desde luego es mejor tener evidencias débiles que no tener evidencias. Seguramente en el lejano futuro seremos capaces de perturbar estrellas para ver cómo funcionan o de incluso –si las mejores teorías de las que disponemos van bien encaminadas, y por muy raro que nos pueda parecer ahora– crear universos enteros en el laboratorio. Si ese momento llega algún día, nuestra astronomía y nuestra cosmología de hoy parecerán tan primitivas como a un físico de partículas la teoría atómica de Dalton. Y sin embargo la teoría atómica de Dalton es básicamente correcta para explicar conceptos elementales de química; e incluso nos enseña alguna que otra cosa valiosa sobre la naturaleza. Que la cosmología de hoy no sea más que un embrión de lo que pueda ser en el futuro no significa que tengamos que escuchar a los críticos que quieren que admitamos que no sabemos en realidad nada con seguridad. Si se refieren a las grandes cuestiones del hombre quizás lleven algo de razón. Pero si se refieren al hecho básico de que vivimos en un universo que, dentro de un rango de distancias del orden de unos pocos miles de megaparsecs, se comporta como describe el modelo estándar del Big Bang, podemos decirles con cierta confianza –que además está aumentando rápidamente– que están equivocados.

Agradezco a Víctor Ruiz y Luis Salas sus valiosos comentarios.

Notas:

1. Una lista limitada de este tipo de páginas se puede encontrar en Hillman, Chris. 2001. Refutations of Some Incorrect/Erroneous/Vacuous Claims about Cosmology and Relativity.
2. Disney, M.J. 2000. The case against Cosmology.
3. Turner, M. S. "Cosmology soved?. Maybe.". Turner, M.S. & Tyson J.A. 1999. Cosmology at the Millenium. Turner, M.S. 1999. Cosmological parameters.
4. Peebles, P.J.E. 2000. Concluding Remarks. New cosmological data and the values of the fundamental parameters. IAU Symposium Vol 201, 2000.

Pedro J. Hernández González (pedroj.hernandezgonzalez@gobiernodecanarias.org) es licenciado en física/astrofísica y ejerce actualmente como profesor de enseñanza secundaria.

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