Introducción

[índice de contenidos de cosmología]: [resumen][introducción] [el principio cosmológico][el universo en expansión][El significado de la expansión][La dinámica de la expansión y el problema de la masa oscura][El universo primitivo] [Conclusiones][Poscriptum][Bibliografía]

La Cosmología es el intento de entender la naturaleza a gran escala del mundo material que nos rodea, su evolución y su destino, siguiendo el método de las ciencias naturales. Detrás de la Física se encuentra la antigua y honorable tradición de los intentos de entender de dónde viene el mundo, hacia dónde va y por qué. La Cosmología moderna recoge esta tradición porque el desarrollo de la Física y la Astronomía nos ha llevado a incluir estas preguntas, tradicionalmente arraigadas al pensamiento teológico y filosófico, dentro del marco de la ciencia empírica.

Sin embargo, no deja de sorprendernos que la Física pueda ser usada para este propósito: que el universo como un todo pueda ser analizado dentro de las reglas de una teoría física matemáticamente consistente. Aunque tengamos abundantes ejemplos de éxito en teorías como la Mecánica Cuántica o la Relatividad General, uno podría dudar que éste fuera el caso de la Cosmología. La razón es que solemos enfrentarnos con el mundo físico como una jerarquía de estructuras, incluyendo desde quarks en núcleos atómicos hasta moléculas como estructuras finales de la física microscópica, mientras que en las grandes escalas nos encontramos el Sistema Solar dentro de la Vía Láctea, la cual es parte del Grupo Local de galaxias que a su vez se sitúa en el borde exterior del Supercúmulo Local de galaxias. Una disciplina dentro de la Física generalmente aísla una pequeña parte de la jerarquía e intenta encontrar aproximaciones que reflejen las características esenciales de la interacción con los demás niveles, mientras el problema se mantiene lo suficientemente simple para que el análisis cuantitativo sea posible. Uno podría preguntar entonces cómo este exitoso esquema podría aplicarse al universo en sí mismo más bien que a una parte específica de sus componentes. La respuesta yace en la idea de que el universo observable es particularmente simple a muy gran escala, cercano a la homegeneidad e isotropía. Ciertamente existen fluctuaciones respecto de la media, como grandes cúmulos de galaxias con cientos de miles de galaxias que ocupan regiones del orden de 20 Mpc y enormes vacíos del mismo orden, pero la evidencia observacional de esas fluctuaciones están confinadas en escalas menores que algunos centenares de megaparsecs y en promedio, diferentes partes del universo se parecen unas a otras con gran precisión (ver El Principio Cosmológico).

Una distribución de masa homogénea es fácil de caracterizar, y tampoco resulta difícil enfrentarse a pequeñas desviaciones de la media, por lo que puede no ser sorprendente que algún progreso sea posible dentro de esta simple imagen del universo. Es lícito preguntarse si el progreso puede ser circular, si los cosmólogos sólo han inventado un problema que es fácil de resolver. La evidencia de que hay algo más que esto tiene que venir por supuesto de forma indirecta. Desde luego, no hay manera de consultar vida inteligente en otras galaxias para descubrir si sus observaciones de la estructura a gran escala del universo son compatibles con las nuestras (Principio Copernicano). Pero la táctica de validación por inferencia indirecta ha demostrado ser demasiado poderosa para no utilizarla también en Cosmología. Nadie ha detectado un quark aislado, y sin embargo el peso de la evidencia en física de altas energías nos permite utilizar estos peculiares objetos como una útil aproximación a la realidad. El peso de las evidencias en el terreno de la Cosmología no es ni remotamente tan grande, pero aun así está lejos de ser despreciable.

Hay varios aspectos que diferencian a la Cosmología de la Física. En primer lugar estamos en una de las disciplinas del difícil arte de la astronomía que nos permite "ver pero no tocar". Sólo podemos esperar pacientemente que el universo "decida experimentar con nuestros modelos". En segundo lugar, la idea de una cosmología empírica construida totalmente de la observación es hecha añicos por el hecho de que sólo podemos obtener datos procedentes del cono de luz de nuestras obervaciones en el espectro electromagnético, lo que nos roba una dimensión física del universo real. El consuelo, si nos queda alguno, es que el ideal de una imagen del universo construida a partir de los datos empíricos solamente no es un modelo verosímil en ninguna rama de la Física. En tiempo en que la gente argüía que no establecían hipótesis, sino que creaban teorías a partir de los datos empíricos ya ha pasado. Esa nunca fue toda la verdad; la ciencia no trabaja de ese modo. En Cosmología, como en Mecánica Cuántica, se trabaja con elementos inobservables en principio y, hasta el momento, los resultados parecen lo suficiente alentadores como para confiar en la utilidad del método.

En tercer lugar, la Cosmología es una disciplina donde existen demasiadas preguntas por responder y es posible que en la imagen actual del universo que nos da el Big Bang se haya pasado por alto algún aspecto fundamental. Por ejemplo, todavía no existe un modelo totalmente convincente para el origen de las galaxias. Tampoco ha sido identificada la naturaleza de la materia oscura que se supone que forma el borde externo de las galaxias: los halos galácticos. Ni se tiene idea de qué puede ser la energía oscura que obliga a la aceleración de la expansión del universo, confirmada en los últimos años. Además el modelo predice un estado inicial de alta densidad y temperatura, hace entre trece y quince mil millones de años donde la teoría falla, en el sentido de que no hay manera de predecir lo que ocurrió antes de un determinado tiempo inicial, cualquier cosa que esto pudiera significar.

Los principales elementos del Modelo Estándar del Big Bang son enumerados a continuación:

Principio Cosmológico: la distribución de materia del universo es homogénea en promedio para escala de distancias mayores que unos cuantos cientos de megaparsecs. En otras palabras, el universo tiene el mismo aspecto promedio contemplado desde cualquier posición (Principio Copernicano).
El universo está en expansión, en el sentido de que la distancia entre cualquier par de galaxias lejanas se está incrementando con el tiempo. Este resultado se expresa habitualmente de la forma: v = H₀ · d donde v es la velocidad de recesión de una galaxia lejana situada a una distancia d del observador, y H₀ es la denominada Constante de Hubble.
La dinámica del universo en expansión está descrita por la Teoría General de la Relatividad Einsteniana, que nos da una descripción matemáticamente consistente y, hasta la fecha, con un enorme éxito tanto experimental como observacional.
El universo se expande a partir de un estado inicial de alta densidad y temperatura dominado por radiación térmica.

En el resto de estas páginas analizaré detenidamente los cuatro puntos anteriores para concluir que, con una alta probabilidad, éstos pueden ser elevados a la categoría de hechos. Seguidamente argumentaré que ninguna de las cuestiones que están por responder dentro del modelo lo contradicen dentro de los niveles actuales de nuestro conocimiento, para concluir finalmente (sin ánimo de molestar a ningún filósofo) que el modelo estándar del Big Bang, con más de medio siglo de rodaje, constituye una útil aproximación a la realidad, y probablemente cualquier teoría futura sobre los estados iniciales del universo (derivada seguramente de una teoría cuántica de la gravedad de la que hoy no disponemos) tendrá que contener al moldelo del Big Bang como una buena aproximación para el universo observable.índice principal de Cosmología

Notas

1. Entendemos por homogeneidad la imposibilidad de distinguir características especiales entre dos volúmenes de espacio diferentes y por isotropía la invarianza de las características del universo con la dirección en qué miremos. ¿Podría existir un universo homogéneo pero anisótropo?. ¿Y un universo isótropo pero inhomogéneo?. Dejo la respuesta a estas dos cuestiones a los lectores curiosos.

2. Un megaparsec (abreviado Mpc) equivale a unos 3,26 millones de años luz.

3. De hecho, el Modelo Estándar de la física de partículas impide la existencia de un quark aislado, propiedad a la que se conoce con el nombre de confinamiento.

4. Tenga en cuenta el lector que la velocidad de la luz es finita, por lo que a medida que los objetos están más alejados serán observados más atrás en el tiempo. O sea, que para un determinado tiempo del universo sólo podremos obtener información de objetos que se encuentran en una superficie esférica centrada en el observador. Hemos perdido por tanto información de la dimensión de profundidad para ese tiempo del universo.

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