HISTORIA DEL TIEMPO
(Del Big Bang a los Agujeros Negros)
Stephen Hawking
Capítulo 3: EL UNIVERSO EN EXPANSIÓN (Páginas: 71
– 79)
En el primer modelo de Friedmann, el que se
expande primero y luego se colapsa, el espacio está curvado sobre sí mismo, al
igual que la superficie de la Tierra. Es, por lo tanto, finito en extensión. En
el segundo tipo de modelo, el que se expande por siempre, el espacio está curvado
al contario, es decir, como la superficie de una silla de montar. Así, en el
este caso el espacio es infinito. Finalmente, en el tercer tipo, el que posee
la velocidad crítica de expansión, el espacio no está curvado (y, por lo tanto,
también es infinito).
Podemos determinar el ritmo actual de expansión,
a través del efecto Doppler, sin embargo, las distancias alas otras galaxias no
se conocen bien porque sólo podemos medirlas indirectamente. Así, todo lo que sabemos
es que el universo se expande entre un cinco y un diez por 100 cada mil
millones de años. No podemos excluir la posibilidad de que pudiera existir
alguna otra forma de materia, distribuida casi uniformemente a lo largo y ancho
del universo. La evidencia presente sugiere, por lo tanto, que el universo se
expandirá probablemente por siempre, pero que de lo único que podemos estar
verdaderamente seguros es que de que si el universo se fuera a colapsar, no lo haría
como mínimo en otros diez mil millones de años, ya que se ha estado expandiendo
por lo menos esa cantidad de tiempo.
Todas las soluciones de Friedmann comparten el
hecho de que en algún tiempo pasado (entre diez y veinte mil millones de años)
la distancia entre galaxias vecinas debe haber sido cero. En aquel instante,
que llamamos big bang, la densidad del universo y la curvatura del espacio-tiempo
habrían sido infinitas. Dado que las matemáticas no pueden manejar realmente
números infinitos, esto significa que la teoría de la relatividad general (en
la que se basan las soluciones de Friedmann) predice que hay un punto en el
universo en donde la teoría en sí colapsa. Todas nuestras teoría científicas
están formuladas bajo la suposición de que el espacio-tiempo es uniforme y casi
plano, de manera que ellas dejan de ser aplicables en la singularidad del big
bang, en donde la curvatura del espacio tiempo es infinita. Toda capacidad de
predicción fallaría en el big bang. Sólo sabemos lo que ha sucedido después del
big bang, no podremos determinar lo que sucedió antes. El tiempo tiene su
principio en el big bang.
A mucha gente no le gusta la idea de que el
tiempo tenga un principio, probablemente porque suena a intervención divina.
(La Iglesia católica, por el contrario, se apropió del modelo del big bang y en
1951 proclamó oficialmente que estaba de acuerdo con la Biblia). Por ello, hubo
un buen número de intentos para evitar la conclusión de que había habido un big
bang. La propuesta que consiguió un apoyo más amplio fue la llamada teoría del
estado estacionario (steady state). Fue sugerida, en 1948, por dos refugiados
de la Austria ocupada por los nazis, Hermann bondi y Thomas Gold, junto con un
británico, Fred Hoyle, que había trabajado con ellos durante la guerra en el
desarrollo del radar. La idea era que conforme las galaxias se iban alejando
unas de otras, nuevas galaxias se formaban continuamente en las regiones
intergalácticas, a partir de materia nueva que era creada de forma continua. La
teoría del estado estacionario requería una modificación de la relatividad general
para permitir la creación continua de materia. Al final de los años cincuenta y
principio de los sesenta, un grupo de astrónomos dirigido por Martin Ryle
(quien también había trabajo con Bondi, Gold y Hoyle en el radar durante la
guerra) realizó, en Cambridge, un estudio sobre fuentes de ondas de radio en el
espacio exterior. Cualquier explicación contradecía las predicciones de la teoría
del estado estacionario. Además, el descubrimiento de la radiación de
microondas por Penzias y Wilson en 1965 también indicó que el universo debe
haber sido mucho más denso en el pasado. La teoría del estado estacionario
tenía, por lo tanto, que ser abandonada.
Otro intento de evitar la conclusión de que
debe haber habido un big bang y, por lo tanto, un principio del tiempo, fue
realizado por dos científicos rusos, Evgenii Lifshitz e Isaac Khalatnikov, en
1963. Ellos sugirieron que el big bang podría ser, únicamente, una peculiaridad
de los modelos de Friedmann, que después de todo no eran más que aproximaciones
al universo real. En los modelos de Friedmann, todas las galaxias se están
alejando directamente unas de otras, de tal modo que no es sorprendente que en
algún tiempo pasado estuvieran todas juntas en el mismo lugar. En el universo
real, sin embargo, las galaxias no tienen sólo un movimiento de separación de
unas con respecto a otras, sin que también pequeñas velocidades laterales. Así,
en realidad, nunca tiene por qué haber estado todas en el mismo lugar
exactamente, sino simplemente muy cerca unas de otras. Quizás entonces el universo
en expansión actual no habría resultado de una singularidad como el big bang,
sino de una fase previa en contracción. Cuando el universo se colapsó, las
partículas que lo formaran podría no haber colisionado todas entre sí, sino que
se habrían entrecruzado y separado después, produciendo la expansión actual del
universo.
El trabajo de Lifshitz y Khalatnikov fue muy
valioso porque demostró que el universo podría haber tenido una singularidad,
un big bang, si la teoría de la relatividad general era correcta. Sin embargo,
no resolvió la cuestión fundamental: ¿predice la teoría de la relatividad general
que nuestro universo debería haber tenido un big bang, un principio del tiempo?
La respuesta llegó a través de una aproximación completamente diferente,
comenzada por un físico y matemático británico, Roger Penrose, en 1965. Usando
el modo en que los conos de luz se comportan en la relatividad general, junto
con el hecho de que la gravedad es siempre atractiva, demostró que una estrella
que se colapsa bajo su propia gravedad está atrapada en una región cuya
superficie se reduce con el tiempo a tamaño cero de tal forma que la densidad
de materia y la curvatura del espacio-tiempo se harán infinitas. En otras
palabras, se obtiene una singularidad contenida dentro de una región del
espacio-tiempo llamado agujero negro.
El teorema de Penrose había demostrado que
cualquier estrella que se colapse debe acabar en una singularidad. El mismo
argumento con el tiempo invertido demostró que cualquier universo en expansión,
del tipo de Riedmann, debe haber comenzado en una singularidad.
Durante los años siguientes, me dediqué a
desarrollar nuevas técnicas matemáticas para eliminar el anterior y otros
diferentes requisitos técnicos de los teoremas, que probaban que las
singularidades deben existir. El resultado final fue un artículo conjunto entre
Penrose y yo, en 1970, que al final probó que debe haber habido una
singularidad como la del big bang, con la única condición de que la relatividad
general sea correcta y que el universo contenga tanta materia como observamos.
Hoy en día, casi todo el mundo supone que el universo comenzó con una
singularidad como la del big bang. Resulta pro eso irónico que, al haber
cambiado mis ideas, esté tratando ahora de convencer a los otros físicos de que
no hubo en realidad singularidad al principio del universo.
En menos de medio siglo, nuestra visión del universo,
formada durante milenios, se ha transformado. El descubrimiento de Hubble de
que el universo se está expandiendo, y el darnos cuenta de la insignificancia
de nuestro planeta en la inmensidad del universo, fueron sólo el punto de
partida. Conforme la evidencia experimental y teórica se iba acumulando, se
clarificaba cada vez más que el universo debe haber tenido un principio en el
tiempo hasta que en 1970 esto fue finalmente probado pro Penrose y por mí,
sobre la base de la teoría de la relatividad general de Einstein. Esa prueba
demostró que la relatividad general es sólo una teoría incompleta: No puede
decirnos cómo empezó el universo, porque predice que todas las teorías físicas,
incluida ella misma, fallan al principio del universo. No obstante, la
relatividad general sólo pretende ser una teoría parcial, de forma que lo que
el teorema de la singularidad realmente muestra es que debió haber habido un
tiempo, muy al principio del universo, en que éste era tan pequeño que ya no se
pueden ignorar los efectos de pequeña escala de la otra gran teoría parcial del
siglo XX, la mecánica cuántica. Al principio de los años setenta, nos vimos
forzados a girar nuestra búsqueda de un entendimiento del universo, desde nuestra
teoría de lo extraordinariamente inmenso, hasta nuestra teoría de lo
extraordinariamente diminuto.
