Fs 2 ndashDOCUMENTO 02 EL DESARROLLO DE LA COSMOLOGIacuteA FIacuteSICA

INICIOS DE LA COSMOLOGIacuteA Y LA COSMOGONIacuteA iquestQueacute es el Universo iquestTuvo principio y tendraacute fin iquestDoacutende estaacuten las fronteras del Universo y queacute hay maacutes allaacute de ellas Estas preguntas que se ramifican interminablemente aparentemente se escapan de todo conocimiento y son inaccesibles a la razoacuten y sin embargo los hombres trataron de responderlas desde que empezaron a razonar asiacute lo atestiguan los mitos y leyendas sobre el origen del mundo que todos los pueblos primitivos elaboraron En nuestra eacutepoca de descubrimientos espectaculares hemos aceptado la idea de que la Tierra es soacutelo un punto perdido en la inmensidad del Universo pero las verdaderas dimensiones coacutesmicas se descubrieron hace soacutelo medio siglo apenas ayer en comparacioacuten con la historia humana Para muchos pueblos de la Antiguumledad la Tierra no se extendiacutea mucho maacutes allaacute de las regiones en que habitaban y el cielo con sus astros pareciacutea encontrarse apenas encima de las nubes Tampoco teniacutean alguacuten indicio de la edad del mundo y soacutelo podiacutean afirmar que se formoacute algunos cientos quizaacutes miles de antildeos atraacutes en eacutepocas de las que ya no guardaban memoria Desde el concepto de la Tierra creada para morada del hombre a la visioacuten moderna del Universo escenario de fenoacutemenos de magnitudes inconcebibles la cosmologiacutea tuvo que recorrer un largo y accidentado camino para adquirir finalmente el caraacutecter de ciencia La cosmologiacutea moderna estudio de las propiedades fiacutesicas del Universo nacioacute de la revolucioacuten cientiacutefica del siglo XX COSMOGONIacuteAS Y COSMOLOGIacuteAS DE LA ANTIGUumlEDAD El mito babiloacutenico de la creacioacuten es el maacutes antiguo que ha llegado a nuestros diacuteas El Enuma elis (Cuando arriba) escrito quince siglos antes de la era cristiana relata el nacimiento del mundo a partir de un caos primordial En el principio cuenta el mito estaban mezcladas el agua del mar el agua de los riacuteos y la niebla cada una personificada por tres dioses la madre Tiamat el padre Apsu y el sirviente (iquest) Mummu El agua del mar y el agua de los riacuteos engendraron a Lahmu y Lahamu dioses que representaban el sedimento y eacutestos engendraron a Anshar y Kishar los dos horizontes mdashentendidos como el liacutemite del cielo y el liacutemite de la Tierramdash En aquellos tiempos el cielo y la Tierra estaban unidos seguacuten la versioacuten maacutes antigua del mito el dios de los vientos separoacute el cielo de la Tierra en la versioacuten maacutes elaborada esa hazantildea le correspondioacute a Marduk dios principal de los babilonios Marduk se enfrentoacute a Tiamat diosa del mar la matoacute cortoacute su cuerpo en dos y separando las dos partes construyoacute el cielo y la Tierra Posteriormente creoacute el Sol la Luna y las estrellas que colocoacute en el cielo Asiacute para los babilonios el mundo era una especie de bolsa llena de aire cuyo piso era la Tierra y el techo la boacuteveda celeste Arriba y abajo se encontraban las aguas primordiales que a veces se filtraban produciendo la lluvia y los riacuteos Como todos los mitos la cosmogoniacutea babilonia estaba basada en fenoacutemenos naturales que fueron extrapolados a dimensiones fabulosas Mesopotamia se encuentra entre los riacuteos Tigris y Eacuteufrates que desembocan en el Golfo Peacutersico alliacute depositan su sedimento de modo tal que la tierra gana lentamente espacio al mar Seguramente fue ese hecho el que sugirioacute a los babilonios la creacioacuten de la tierra firme a partir de las aguas primordiales La influencia del mito babiloacutenico se puede apreciar en la cosmogoniacutea egipcia Para los egipcios Atum el dios Sol engendroacute a Chu y Tefnut el aire y la humedad y eacutestos engendraron a Nut y Geb el cielo y la Tierra quienes a su vez engendraron los demaacutes dioses del panteoacuten egipcio En el principio el cielo y la Tierra estaban unidos pero Chu el aire los separoacute formando asiacute el mundo habitable Para los egipcios el Universo era una caja alargada de norte a sur tal como su paiacutes alrededor de la Tierra fluiacutea el riacuteo Ur-Nes uno de cuyos brazos era el Nilo que naciacutea en el sur Durante el diacutea el Sol recorriacutea el cielo de oriente a poniente y durante la noche rodeaba la Tierra por el norte en un barco que navegaba por el riacuteo Ur-Nes escondida su luz de los humanos detraacutes de las altas montantildeas del valle Dait Trazas del mito babiloacutenico tambieacuten se encuentran en el Geacutenesis hebreo Seguacuten el texto biacuteblico el espiacuteritu de Dios se moviacutea sobre la faz de las aguas en el primer diacutea de la creacioacuten pero la palabra original que se traduce comuacutenmente como espiacuteritu es ruaj que en hebreo significa literalmente viento Para entender el significado del texto hay que recordar que antiguamente el aire o el soplo teniacutean la connotacioacuten de aacutenima o espiacuteritu (verbigracia el soplo divino infundido a Adaacuten1) En el segundo diacutea prosigue el texto Dios puso el firmamento2 entre las aguas superiores y las inferiores esta vez la palabra original es rakiacutea un vocablo arcaico que suele traducirse como firmamento pero que tiene la misma raiacutez que la palabra vaciacuteo En el tercer diacutea Dios separoacute la tierra firme de las aguas que quedaron abajo[] Estos pasajes oscuros del Geacutenesis se aclaran si recordamos el mito babiloacutenico Marduk mdashel viento en la versioacuten maacutes antiguamdash separa las aguas (el cuerpo de Tiamat) para formar el mundo y la tierra firme surge como sedimento de las aguas primordiales

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En el Veda de los antiguos hinduacutees se encuentran varias versiones de la creacioacuten del mundo La idea comuacuten en ellas es que el Universo nacioacute de un estado primordial indefinible despueacutes de pasar por varias etapas habraacute de morir cuando el tiempo llegue a su fin entonces se iniciaraacute un nuevo ciclo de creacioacuten evolucioacuten y destruccioacuten y asiacute sucesivamente Seguacuten el Rig Veda en el principio habiacutea el no-ser del que surgioacute el ser al tomar conciencia de siacute mismo el demiurgo Prajapati creador del cielo y la Tierra el que separoacute la luz de las tinieblas y creoacute el primer hombre En otro mito el dios Visnu flotaba sobre las aguas primordiales montado sobre la serpiente sin fin Ananta de su ombligo brotoacute una flor de loto del que nacioacute Brahma para forjar el mundo Seguacuten los mitos hinduacutees el Universo era una superposicioacuten de tres mundos el cielo el aire y la Tierra La Tierra era plana y circular y en su centro se encontraba el miacutetico monte Sumeru (probablemente identificado con el Himalaya) al sur del cual estaba la India en un continente circular rodeado por el oceacuteano El cielo teniacutea siete niveles y el seacuteptimo era la morada de Brahma otros siete niveles teniacutea el infierno debajo de la Tierra A raiacutez de la conquista de la India por Alejandro Magno en el siglo IV aC las ideas cosmoloacutegicas de los hinduacutees fueron modificadas sustancialmente Asiacute en los libros llamados Siddharta se afirma que la Tierra es esfeacuterica y no estaacute sostenida en el espacio y que el Sol y los planetas giran alrededor de ella Como dato curioso se menciona a un tal Aryabhata quien en el siglo V dC sostuvo que las estrellas se encuentran fijas y la Tierra gira desgraciadamente el texto no da maacutes detalles que los necesarios para refutar tan extrantildea teoriacutea La concepcioacuten del Universo en la China antigua se encuentra expuesta en el Chou pi suan ching un tratado escrito alrededor del siglo IV aC Seguacuten la teoriacutea del Kai tien (que significa el cielo como cubierta) el cielo y la Tierra son planos y se encuentran separados por una distancia de 80 000 li mdashun li equivale aproximadamente a medio kiloacutemetromdash El Sol cuyo diaacutemetro es de 1 250 Ii se mueve circularmente en el plano del cielo cuando se encuentra encima de China es de diacutea y cuando se aleja se hace noche Posteriormente se tuvo que modificar el modelo para explicar el paso del Sol por el horizonte seguacuten la nueva versioacuten del Kai tien el cielo y la Tierra son semiesferas conceacutentricas siendo el radio de la semiesfera terrestre de 60 000 Ii El texto no explica coacutemo se obtuvieron las distancias mencionadas al parecer el modelo fue disentildeado principalmente para calcular con un poco de geometriacutea la latitud de un lugar a partir de la posicioacuten del Sol El Kai tien era demasiado complicado para caacutelculos praacutecticos y cayoacute en desuso con el paso del tiempo Alrededor del siglo II dC se empezoacute a utilizar la esfera armilar como un modelo mecaacutenico de la Tierra y el cielo Al mismo tiempo surgioacute una nueva concepcioacuten del Universo la teoriacutea del hun tien (cielo envolvente) seguacuten la cual el cielo es como un huevo de gallina tan redondo como una bala de ballesta la Tierra es como la yema del huevo se encuentra sola en el centro El cielo es grande y la Tierra pequentildea Ademaacutes se asignoacute el valor de 1 071 000 li a la circunferencia de la esfera celeste pero el texto no explica coacutemo fue medida Posteriormente las teoriacuteas cosmogoacutenicas en China giraraacuten alrededor de la idea de que el Universo estaba formado por dos sustancias el yang y el yin asociados al movimiento y al reposo respectivamente De acuerdo con la escuela neoconfucionista representada principalmente por Chu Hsi en el siglo XII el yang y el yin se encontraban mezclados antes de que se formara el mundo pero fueron separados por la rotacioacuten del Universo El yang moacutevil fue arrojado a la periferia y formoacute el cielo mientras que el yin inerte se quedoacute en el centro y formoacute la Tierra los elementos intermedios como los seres vivos y los planetas guardaron proporciones variables de yang y yin Mencionemos tambieacuten la cultura maya que florecioacute en Mesoameacuterica principalmente entre los siglos IV y IX de nuestra era De lo poco que se ha podido descifrar de sus jerogliacuteficos sabemos que los mayas habiacutean realizado observaciones astronoacutemicas de una precisioacuten que apenas se ha podido igualar en nuestro siglo Los mayas usaban un sistema vigesimal con cero con el cual realizaban complicados caacutelculos astronoacutemicos su calendario era maacutes preciso que el gregoriano usado en la actualidad y habiacutean medido la precesioacuten del eje de rotacioacuten terrestre con un error de soacutelo 54 diacuteas en 25 720 antildeos En contraste con el excelencia de sus observaciones las concepciones cosmoloacutegicas de los mayas eran bastante primitivas mdashpor lo menos hasta donde se ha averiguadomdash Creiacutean que la Tierra era rectangular y que el Sol giraba alrededor de ella El diacutea del solsticio el Sol saliacutea de una de las esquinas de la Tierra y se metiacutea por la opuesta luego cada diacutea la oacuterbita del Sol se recorriacutea hasta que en el siguiente solsticio mdashseis meses despueacutesmdash el Sol saliacutea y se metiacutea por las otras dos esquinas terrestres Los mayas teniacutean especial cuidado de construir sus templos seguacuten la orientacioacuten de los lados de la Tierra Al igual que otros pueblos los mayas creiacutean en la existencia de siete cielos3 planos y superpuestos y de otros tantos niveles subterraacuteneos donde residiacutean dioses y demonios respectivamente El mundo habiacutea sido creado por Hun ab ku (literalmente uno-existir-dios) a partir de aguas primordiales inicialmente en completo reposo Antes del mundo actual habiacutean existido otros mundos que acabaron en respectivos diluvios

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COSMOLOGIacuteA Y COSMOGONIacuteA DE GRECIA Y LA EDAD MEDIA Por razones histoacutericas que no pretendemos analizar aquiacute la cultura griega se distingue de otras culturas antiguas por haber servido de semilla a la llamada civilizacioacuten occidental por esta razoacuten la consideramos con un poco maacutes de detalle aprovechando el conocimiento relativamente maacutes amplio que se tiene de ella A algunos pensadores griegos se deben los primeros intentos auacuten muy limitados de concebir al mundo como el resultado de procesos naturales y no como una obra incomprensible de los dioses Tal es el caso de los filoacutesofos de la escuela joacutenica que florecioacute alrededor del siglo VI aC y seguacuten la cual el Universo se encontraba inicialmente en un estado de Unidad Primordial en el que todo estaba mezclado de esa Unidad surgieron pares de opuestos mdashcaliente y friacuteo mojado y seco etcmdash cuyas interacciones entre siacute produjeron los cuerpos celestes por un lado y la Tierra con sus plantas y animales por otro Los filoacutesofos joacutenicos concebiacutean a la Tierra como un disco plano que flotaba en el centro de la esfera celeste Pero ya en el siglo V aC los griegos se habiacutean dado cuenta a traveacutes de varios indicios de que la Tierra es redonda Hasta donde sabemos el primero en afirmarlo fue el legendario Pitaacutegoras seguramente llegoacute a esa conclusioacuten a partir de hechos observados pero los argumentos que manejoacute fueron de iacutendole metafiacutesica la Tierra teniacutea que ser esfeacuterica porque supuestamente la esfera es el cuerpo geomeacutetrico maacutes perfecto Por lo que respecta al movimiento de las estrellas lo maacutes evidente era que el cielo y sus astros giraban alrededor de la Tierra Sin embargo Filolao un disciacutepulo de Pitaacutegoras propuso un curioso sistema coacutesmico seguacuten el cual el diacutea y la noche eran producidos por la rotacioacuten de la Tierra alrededor de un centro coacutesmico a pesar de ser erroacuteneo este sistema tuvo el meacuterito de asignarle cierto movimiento a la Tierra y dejar de considerarla como un cuerpo fijo en el espacio Se sabe tambieacuten que los filoacutesofos de la escuela pitagoacuterica Ecfanto y Heraacuteclides de Ponto propusieron que es la Tierra la que gira alrededor de su eje en un diacutea y no las estrellas aunque todaviacutea creiacutean que el recorrido anual del Sol por la ecliacuteptica se debiacutea a que giraba alrededor de la Tierra en un antildeo Al parecer el primer hombre en la historia que propuso el sistema helioceacutentrico mdashseguacuten el cual la Tierra gira alrededor del Sol en un antildeo y sobre su propio eje en un diacuteamdash fue Aristarco de Samos quien vivioacute en Alejandriacutea en el siglo III aC Desgraciadamente no se conserva ninguacuten documento escrito originalmente por Aristarco y todo lo que se conoce de eacutel es por referencias en escritos de otros filoacutesofos No sabemos en queacute se basoacute para elaborar una teoriacutea que se anticipoacute a la de Copeacuternico en maacutes de diecisiete siglos No todos los filoacutesofos griegos aceptaban que la Tierra aparentemente tan firme y soacutelida pudiera poseer alguacuten movimiento propio De hecho los dos maacutes importantes Platoacuten y Aristoacuteteles sostuvieron lo contrario y fueron ellos quienes maacutes influyeron en los siglos siguientes Platoacuten (427-347 aC) describe su visioacuten de la creacioacuten coacutesmica en el diaacutelogo de Timeo Por supuesto el relato tiene un alto valor poeacutetico pero carece de cualquier fundamento fiacutesico (lo cual no teniacutea importancia para Plaacuteton pues creiacutea en la primaciacutea de las Ideas) Asiacute Platoacuten narra por boca de Timeo coacutemo el Demiurgo creoacute el mundo a partir de cuatro elementos mdashaire agua fuego y tierramdash y puso en eacutel a los seres vivos los dioses que moran en el cielo los paacutejaros que viven en el aire los animales que habitan en la tierra y en el agua El Universo asiacute creado debiacutea ser esfeacuterico y los astros moverse circularmente porque la esfera es el cuerpo maacutes perfecto y perfecto es el movimiento circular Aristoacuteteles (384-322 aC) desarrolloacute un sistema del mundo mucho maacutes elaborado que el de su maestro Platoacuten Declaroacute expliacutecitamente que la Tierra es esfeacuterica y que se encuentra inmoacutevil en el centro del Universo siendo el cielo con todos sus astros el que gira alrededor de ella Maacutes auacuten postuloacute una diferencia fundamental entre los cuerpos terrestres y los celestes Seguacuten Aristoacuteteles los cuerpos terrestres estaban formados por los cuatro elementos fundamentales y eacutestos poseiacutean movimientos naturales propios la tierra y el agua hacia el centro de la Tierra el aire y el fuego en sentido contrario En cuanto a los cuerpos celestes estaban formados por una quinta sustancia4 incorruptible e inmutable cuyo movimiento natural era el circular Aristoacuteteles asignoacute al Sol a la Luna y a los planetas respectivas esferas rotantes sobre las que estaban afianzadas Las estrellas a su vez se encontraban fijas sobre una esfera que giraba alrededor de la Tierra y correspondiacutea a la frontera del Universo Pero iquestqueacute habiacutea maacutes allaacute de la esfera estelar Aquiacute Aristoacuteteles tuvo que recurrir a varios malabarismos filosoacuteficos para explicar que maacutes allaacute nada existiacutea pero que esa nada no equivaliacutea a un vaciacuteo en extensioacuten todo para decir que el Universo realmente se terminaba en la esfera celeste Todo habriacutea funcionado muy bien en el sistema de esferas ideales de Aristoacuteteles si no fuese porque los planetas esos astros errantes vagaban por el cielo ajenos a la perfeccioacuten del movimiento circular En general recorriacutean la boacuteveda celeste de oriente a poniente pero a veces se deteniacutean y regresaban sobre sus pasos para volver a seguir su camino en una forma que desafiaba toda explicacioacuten simple (Figura 2)

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Figura 2 Movimiento caracteriacutestico de un planeta en la boacuteveda celeste Aristoacuteteles adoptoacute el sistema de su contemporaacuteneo Eudoxio que explicaba razonablemente bien el movimiento de los planetas Este modelo consistiacutea de un conjunto de esferas conceacutentricas cuyo centro comuacuten era la Tierra y que giraban unas sobre otras alrededor de ejes que se encontraban a diversos aacutengulos Suponiendo que los planetas se encuentran fijos en algunas de esas esferas se lograba reconstruir sus movimientos con cierta precisioacuten aunque el sistema necesitaba no menos de 55 esferas conceacutentricas para reproducir el movimiento de los planetas Aristoacuteteles tambieacuten supuso que la esfera correspondiente a la Luna sentildealaba el liacutemite del mundo material mdashel terrestremdash y que maacutes allaacute de la esfera lunar el Universo dejaba de regirse por las leyes de la naturaleza mundana No sabemos si Aristoacuteteles tomaba en serio sus propias teoriacuteas cosmoloacutegicas pero seguramente se habriacutea sorprendido de que eacutestas se volvieran artiacuteculos de fe quince siglos despueacutes de su muerte Los astroacutenomos griegos fueron los primeros en tratar de medir con meacutetodos praacutecticos las dimensiones del mundo en que viviacutean sin basarse en especulaciones o mitos Asiacute por ejemplo el mismo Aristarco de Samos que sostuvo la doctrina helioceacutentrica intentoacute determinar la distancia entre la Tierra y el Sol Para ello midioacute la posicioacuten de la Luna en el momento exacto en que la fase lunar se encontraba a la mitad (Figura 3) lo cual permitiacutea con un poco de geometriacutea encontrar la relacioacuten entre los radios de la oacuterbita lunar y la terrestre Desgraciadamente si bien el meacutetodo es correcto la medicioacuten es irrealizable en la praacutectica con la precisioacuten necesaria Aristarco calculoacute que la distancia de la Tierra al Sol es de unas veinte veces el radio de la oacuterbita lunar cuando el valor correcto es casi 400 Curiosamente esta razoacuten de 20 a 1 habriacutea de subsistir hasta tiempos de Copeacuternico y auacuten despueacutes

Figura 3 Meacutetodo de Aristarco para medir la razoacuten de las distancias Tierra-Luna a Tierra-Sol Esta razoacuten es proporcional al aacutengulo a Eratoacutestenes quien vivioacute en Alejandriacutea en el siglo II aC logroacute medir con eacutexito el radio de la circunferencia terrestre Notoacute que en el diacutea del solsticio las sombras caiacutean verticalmente en Siena mientras que en Alejandriacutea mdashmaacutes al nortemdash formaban un aacutengulo con la vertical que nunca llegaba a ser nulo (Figura 4) Midiendo el aacutengulo miacutenimo y la distancia entre Alejandriacutea y Siena Eratoacutestenes encontroacute que la Tierra teniacutea una circunferencia de 252 000 estadios o en unidades modernas y tomando el valor maacutes problable del estadio 39 690 kiloacutemetros iexclapenas 400 kiloacutemetros menos del valor correcto Aunque hay que reconocer que Eratoacutestenes tuvo algo de suerte pues su meacutetodo era demasiado rudimentario para obtener un resultado tan preciso

Figura 4 Conociendo al aacutengulo a y la distancia de Siena la actual Assuaacuten a Alejandriacutea Eratoacutestenes midioacute el radio terrestre

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En el siglo II aC Hiparco el maacutes grande astroacutenomo de la Antiguumledad ideoacute un ingenioso meacutetodo para encontrar las distancias de la Tierra a la Luna y al Sol Hiparco midioacute el tiempo que tarda la Luna en atravesar la sombra de la Tierra durante un eclipse lunar y a partir de caacutelculos geomeacutetricos dedujo que la distancia Tierra-Luna era de unos 60 56 radios terrestres iexclexcelente resultado si se compara con el valor real que es de 603 radios terrestres Tambieacuten intentoacute Hiparco medir la distancia al Sol pero sus meacutetodos no eran suficientemente precisos por lo que obtuvo una distancia de 2 103 radios terrestres un poco maacutes de lo que encontroacute Aristarco pero todaviacutea menos de una deacutecima parte de la distancia real En resumen podemos afirmar que ya en el siglo II aC los griegos teniacutean una excelente idea de los tamantildeos de la Tierra y la Luna y de la distancia que los separa pero situaban al Sol mucho maacutes cerca de lo que se encuentra El uacuteltimo astroacutenomo griego de la Antiguumledad fue Tolomeomdash vivioacute en Alejandriacutea en el siglo II aCmdash y sus ideas influyeron notablemente en la Europa de la Edad Media Tolomeo aceptoacute la idea de que la Tierra es el centro del Universo y que los cuerpos celestes giran alrededor de ella pero las esferas de Eudoxio eran demasiado complicadas para hacer cualquier caacutelculo praacutectico asiacute que propuso un sistema diferente seguacuten el cual los planetas se moviacutean sobre epiciclos ciacuterculos girando alrededor de ciacuterculos (Figura 5) Tolomeo describioacute sus meacutetodos para calcular la posicioacuten de los cuerpos celestes en su famoso libro Sintaxis o Almagesto Es un hecho curioso que nunca mencionoacute en ese libro si creiacutea en la realidad fiacutesica de los epiciclos o los consideraba soacutelo construcciones matemaacuteticas es probable que haya soslayado este problema por no tener una respuesta convincente Mencionemos tambieacuten como dato interesante que Tolomeo citoacute las mediciones que hizo Hiparco de las distancias a la Luna y al Sol pero eacutel mismo las corrigioacute para dar los valores maacutes pequentildeos mdashy menos correctosmdash de 59 y 1 210 radios terrestres respectivamente

Figura 5 Epiciclos de Tolomeo para explicar el movimiento aparente de un planeta No podemos dejar de mencionar al filoacutesofo romano Lucrecio del siglo I aC y su famosa obra De Rerum Natura en la que encontramos una concepcioacuten del Universo muy cercana a la moderna en algunos sentidos y extrantildeamente retroacutegrada en otros Seguacuten Lucrecio la materia estaba constituida de aacutetomos imperecederos Eacutestos se encuentran eternamente en movimiento se unen y se separan constantemente formando y deshaciendo tierras y soles en una sucesioacuten sin fin Nuestro mundo es soacutelo uno entre un infinito de mundos coexistentes la Tierra fue creada por la unioacuten casual de innumerables aacutetomos y no estaacute lejano su fin cuando los aacutetomos que la forman se disgreguen Mas Lucrecio no podiacutea aceptar que la Tierra fuera redonda de ser asiacute afirmaba toda la materia del Universo tenderiacutea a acumularse en nuestro planeta por su atraccioacuten gravitacional En realidad cuando Lucrecio hablaba de un nuacutemero infinito de mundos se referiacutea a sistemas semejantes al que creiacutea era el nuestro una tierra plana contenida en una esfera celeste Pero indudablemente a pesar de sus desaciertos la visioacuten coacutesmica de Lucrecio no deja de ser curiosamente profeacutetica La cultura griega siguioacute floreciendo mientras Grecia fue parte del Imperio romano Pero en el siglo IV de nuestra era este vasto Imperio se desmoronoacute bajo las invasiones de los pueblos germaacutenicos y asiaacuteticos Por esa misma eacutepoca Roma adoptoacute el cristianismo y los cristianos que habiacutean sido perseguidos cruelmente por los romanos paganos repudiaron todo lo que tuviera que ver con la cultura de sus antiguos opresores Toda la filosofiacutea pagana mdashes decir la grecorromanamdash fue liquidada y sustituida por una nueva visioacuten del mundo basada iacutentegramente en la religioacuten cristiana El mundo soacutelo podiacutea estudiarse a traveacutes de la Biblia interpretada literalmente y lo que no estuviera en la Biblia no era de la incumbencia humana Asiacute la Tierra volvioacute a ser plana y los epiciclos fueron sustituidos por aacutengeles que moviacutean a los planetas seguacuten los designios inescrutables de Dios Afortunadamente los aacuterabes en esa eacutepoca siacute apreciaban la cultura griega conservaron y tradujeron los escritos de los filoacutesofos griegos mientras los cristianos los quemaban Asiacute la cultura griega pudo volver a penetrar en Europa a traveacutes de los aacuterabes cuando la furia antipagana habiacutea amainado En el siglo XIII Tomaacutes de Aquino redescubrioacute a Aristoacuteteles y lo reivindicoacute aceptando iacutentegramente su sistema del mundo Y asiacute ya bautizada por Santo Tomaacutes la doctrina aristoteacutelica se volvioacute dogma de fe y posicioacuten oficial de la Iglesia ya no se estudiaba al mundo a traveacutes de la Biblia uacutenicamente sino tambieacuten por medio de Aristoacuteteles Y por lo que respecta a la astronomiacutea la uacuteltima palabra volvioacute a ser el Almagesto de Tolomeo mdashpreservado gracias a una traduccioacuten aacuterabe

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NOTAS 1Tambieacuten en griego se usa una sola palabra pneuma para el aire y el aacutenima 2 En la traduccioacuten de Casiodoro de Reyna se usa la palabra expansioacuten que parece ser maacutes adecuada 3 El concepto de los siete cielos comuacuten a culturas muy diversas tiene una explicacioacuten simple son siete los cuerpos celestes el Sol la Luna y los cinco planetas visibles 4 La famosa quintaesencia que seguacuten los filoacutesofos medievales permeaba a los cuerpos terrestres y formaba sus aacutenimas II EL FIN DE LOS MITOS mdashSin duda alguna Sancho que ya debemos de llegar a la segunda regioacuten del aire adonde se engendra el granizo las nieves los truenos

los relaacutempagos y los rayos se engendran en la tercera regioacuten y si es que desta manera vamos subiendo presto daremos en la regioacuten del fuego

El ingenioso hidalgo Don Quijote de la Mancha LA REVOLUCIOacuteN DE COPEacuteRNICO Y SUS CONSECUENCIAS LA SITUACIOacuteN empezoacute a cambiar cuando Copeacuternico poco antes de su muerte en 1543 mandoacute a la imprenta su famoso libro De Revolutionibus en el que afirmaba que la Tierra y los planetas giran alrededor del Sol Copeacuternico pretendiacutea no soacutelo defender el sistema helioceacutentrico sino tambieacuten elaborar un modelo para calcular las posiciones de los astros con mayor precisioacuten que Tolomeo Desgraciadamente no pudo liberarse de la supuesta perfeccioacuten del movimiento circular y tuvo que recurrir a los embrollosos epiciclos para poder describir el detalle fino de los movimientos planetarios Hay que reconocer que si la teoriacutea de Copeacuternico no fue aceptada de inmediato se debioacute en parte a que para fines praacutecticos no era maacutes simple que el sistema de Tolomeo Uno de los argumentos fuertes en contra del sistema de Aristarco y Copeacuternico era que las estrellas no mostraban ninguna paralaje durante el antildeo terrestre En efecto la posicioacuten de las estrellas deberiacutea de variar por cierto aacutengulo (la paralaje) durante el recorrido anual de la Tierra alrededor del Sol (Figura 6) Hoy en diacutea sabemos que este efecto existe pero que es demasiado pequentildeo para medirse faacutecilmente Copeacuternico argumentoacute con justa razoacuten que la paralaje estelar no puede percibirse porque las estrellas se encuentran demasiado distantes (a distancias que resultaban fabulosas en esa eacutepoca iexclY que eran mucho menores que las reales) Pero no pudo abandonar la esfera celeste y siguioacute colocando a las estrellas sobre una boacuteveda de dimensiones inconcebibles pero de todos modos finita Mencionemos tambieacuten como dato curioso que Copeacuternico rehizo y aceptoacute sin grandes modificaciones los caacutelculos de Tolomeo de la distancia Tierra-Sol valor veinte veces menos que el real En cuanto a dimensiones el universo de Copeacuternico no diferiacutea del de los antiguos griegos

Figura 6 Midiendo el aacutengulo de paralaje a y conociendo el radio de la oacuterbita terrestre se deduce la distancia a una estrella Empero al privarse a la boacuteveda estelar de un movimiento real surgioacute la posibilidad de que el Universo no tuviera liacutemites Poco despueacutes de la muerte de Copeacuternico el ingleacutes Thomas Digges publicoacute su propia versioacuten del sistema copernicano en el que presentaba al sistema solar rodeado de una distribucioacuten infinita de estrellas (Figura 7) Pero el reino de las estrellas de Digges no era semejante a nuestro mundo humano sino que era la morada de Dios y sus aacutengeles

Figura 7 El Universo seguacuten Digges (de A Perfit Description of the Caelestial Orbes 1576)

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En el siglo II aC Hiparco el maacutes grande astroacutenomo de la Antiguumledad ideoacute un ingenioso meacutetodo para encontrar las distancias de la Tierra a la Luna y al Sol Hiparco midioacute el tiempo que tarda la Luna en atravesar la sombra de la Tierra durante un eclipse lunar y a partir de caacutelculos geomeacutetricos dedujo que la distancia Tierra-Luna era de unos 60 56 radios terrestres iexclexcelente resultado si se compara con el valor real que es de 603 radios terrestres Tambieacuten intentoacute Hiparco medir la distancia al Sol pero sus meacutetodos no eran suficientemente precisos por lo que obtuvo una distancia de 2 103 radios terrestres un poco maacutes de lo que encontroacute Aristarco pero todaviacutea menos de una deacutecima parte de la distancia real En resumen podemos afirmar que ya en el siglo II aC los griegos teniacutean una excelente idea de los tamantildeos de la Tierra y la Luna y de la distancia que los separa pero situaban al Sol mucho maacutes cerca de lo que se encuentra El uacuteltimo astroacutenomo griego de la Antiguumledad fue Tolomeomdash vivioacute en Alejandriacutea en el siglo II aCmdash y sus ideas influyeron notablemente en la Europa de la Edad Media Tolomeo aceptoacute la idea de que la Tierra es el centro del Universo y que los cuerpos celestes giran alrededor de ella pero las esferas de Eudoxio eran demasiado complicadas para hacer cualquier caacutelculo praacutectico asiacute que propuso un sistema diferente seguacuten el cual los planetas se moviacutean sobre epiciclos ciacuterculos girando alrededor de ciacuterculos (Figura 5) Tolomeo describioacute sus meacutetodos para calcular la posicioacuten de los cuerpos celestes en su famoso libro Sintaxis o Almagesto Es un hecho curioso que nunca mencionoacute en ese libro si creiacutea en la realidad fiacutesica de los epiciclos o los consideraba soacutelo construcciones matemaacuteticas es probable que haya soslayado este problema por no tener una respuesta convincente Mencionemos tambieacuten como dato interesante que Tolomeo citoacute las mediciones que hizo Hiparco de las distancias a la Luna y al Sol pero eacutel mismo las corrigioacute para dar los valores maacutes pequentildeos mdashy menos correctosmdash de 59 y 1 210 radios terrestres respectivamente

Figura 5 Epiciclos de Tolomeo para explicar el movimiento aparente de un planeta No podemos dejar de mencionar al filoacutesofo romano Lucrecio del siglo I aC y su famosa obra De Rerum Natura en la que encontramos una concepcioacuten del Universo muy cercana a la moderna en algunos sentidos y extrantildeamente retroacutegrada en otros Seguacuten Lucrecio la materia estaba constituida de aacutetomos imperecederos Eacutestos se encuentran eternamente en movimiento se unen y se separan constantemente formando y deshaciendo tierras y soles en una sucesioacuten sin fin Nuestro mundo es soacutelo uno entre un infinito de mundos coexistentes la Tierra fue creada por la unioacuten casual de innumerables aacutetomos y no estaacute lejano su fin cuando los aacutetomos que la forman se disgreguen Mas Lucrecio no podiacutea aceptar que la Tierra fuera redonda de ser asiacute afirmaba toda la materia del Universo tenderiacutea a acumularse en nuestro planeta por su atraccioacuten gravitacional En realidad cuando Lucrecio hablaba de un nuacutemero infinito de mundos se referiacutea a sistemas semejantes al que creiacutea era el nuestro una tierra plana contenida en una esfera celeste Pero indudablemente a pesar de sus desaciertos la visioacuten coacutesmica de Lucrecio no deja de ser curiosamente profeacutetica La cultura griega siguioacute floreciendo mientras Grecia fue parte del Imperio romano Pero en el siglo IV de nuestra era este vasto Imperio se desmoronoacute bajo las invasiones de los pueblos germaacutenicos y asiaacuteticos Por esa misma eacutepoca Roma adoptoacute el cristianismo y los cristianos que habiacutean sido perseguidos cruelmente por los romanos paganos repudiaron todo lo que tuviera que ver con la cultura de sus antiguos opresores Toda la filosofiacutea pagana mdashes decir la grecorromanamdash fue liquidada y sustituida por una nueva visioacuten del mundo basada iacutentegramente en la religioacuten cristiana El mundo soacutelo podiacutea estudiarse a traveacutes de la Biblia interpretada literalmente y lo que no estuviera en la Biblia no era de la incumbencia humana Asiacute la Tierra volvioacute a ser plana y los epiciclos fueron sustituidos por aacutengeles que moviacutean a los planetas seguacuten los designios inescrutables de Dios Afortunadamente los aacuterabes en esa eacutepoca siacute apreciaban la cultura griega conservaron y tradujeron los escritos de los filoacutesofos griegos mientras los cristianos los quemaban Asiacute la cultura griega pudo volver a penetrar en Europa a traveacutes de los aacuterabes cuando la furia antipagana habiacutea amainado En el siglo XIII Tomaacutes de Aquino redescubrioacute a Aristoacuteteles y lo reivindicoacute aceptando iacutentegramente su sistema del mundo Y asiacute ya bautizada por Santo Tomaacutes la doctrina aristoteacutelica se volvioacute dogma de fe y posicioacuten oficial de la Iglesia ya no se estudiaba al mundo a traveacutes de la Biblia uacutenicamente sino tambieacuten por medio de Aristoacuteteles Y por lo que respecta a la astronomiacutea la uacuteltima palabra volvioacute a ser el Almagesto de Tolomeo mdashpreservado gracias a una traduccioacuten aacuterabe

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NOTAS 1Tambieacuten en griego se usa una sola palabra pneuma para el aire y el aacutenima 2 En la traduccioacuten de Casiodoro de Reyna se usa la palabra expansioacuten que parece ser maacutes adecuada 3 El concepto de los siete cielos comuacuten a culturas muy diversas tiene una explicacioacuten simple son siete los cuerpos celestes el Sol la Luna y los cinco planetas visibles 4 La famosa quintaesencia que seguacuten los filoacutesofos medievales permeaba a los cuerpos terrestres y formaba sus aacutenimas II EL FIN DE LOS MITOS mdashSin duda alguna Sancho que ya debemos de llegar a la segunda regioacuten del aire adonde se engendra el granizo las nieves los truenos

los relaacutempagos y los rayos se engendran en la tercera regioacuten y si es que desta manera vamos subiendo presto daremos en la regioacuten del fuego

El ingenioso hidalgo Don Quijote de la Mancha LA REVOLUCIOacuteN DE COPEacuteRNICO Y SUS CONSECUENCIAS LA SITUACIOacuteN empezoacute a cambiar cuando Copeacuternico poco antes de su muerte en 1543 mandoacute a la imprenta su famoso libro De Revolutionibus en el que afirmaba que la Tierra y los planetas giran alrededor del Sol Copeacuternico pretendiacutea no soacutelo defender el sistema helioceacutentrico sino tambieacuten elaborar un modelo para calcular las posiciones de los astros con mayor precisioacuten que Tolomeo Desgraciadamente no pudo liberarse de la supuesta perfeccioacuten del movimiento circular y tuvo que recurrir a los embrollosos epiciclos para poder describir el detalle fino de los movimientos planetarios Hay que reconocer que si la teoriacutea de Copeacuternico no fue aceptada de inmediato se debioacute en parte a que para fines praacutecticos no era maacutes simple que el sistema de Tolomeo Uno de los argumentos fuertes en contra del sistema de Aristarco y Copeacuternico era que las estrellas no mostraban ninguna paralaje durante el antildeo terrestre En efecto la posicioacuten de las estrellas deberiacutea de variar por cierto aacutengulo (la paralaje) durante el recorrido anual de la Tierra alrededor del Sol (Figura 6) Hoy en diacutea sabemos que este efecto existe pero que es demasiado pequentildeo para medirse faacutecilmente Copeacuternico argumentoacute con justa razoacuten que la paralaje estelar no puede percibirse porque las estrellas se encuentran demasiado distantes (a distancias que resultaban fabulosas en esa eacutepoca iexclY que eran mucho menores que las reales) Pero no pudo abandonar la esfera celeste y siguioacute colocando a las estrellas sobre una boacuteveda de dimensiones inconcebibles pero de todos modos finita Mencionemos tambieacuten como dato curioso que Copeacuternico rehizo y aceptoacute sin grandes modificaciones los caacutelculos de Tolomeo de la distancia Tierra-Sol valor veinte veces menos que el real En cuanto a dimensiones el universo de Copeacuternico no diferiacutea del de los antiguos griegos

Figura 6 Midiendo el aacutengulo de paralaje a y conociendo el radio de la oacuterbita terrestre se deduce la distancia a una estrella Empero al privarse a la boacuteveda estelar de un movimiento real surgioacute la posibilidad de que el Universo no tuviera liacutemites Poco despueacutes de la muerte de Copeacuternico el ingleacutes Thomas Digges publicoacute su propia versioacuten del sistema copernicano en el que presentaba al sistema solar rodeado de una distribucioacuten infinita de estrellas (Figura 7) Pero el reino de las estrellas de Digges no era semejante a nuestro mundo humano sino que era la morada de Dios y sus aacutengeles

Figura 7 El Universo seguacuten Digges (de A Perfit Description of the Caelestial Orbes 1576)

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NOTAS 1Tambieacuten en griego se usa una sola palabra pneuma para el aire y el aacutenima 2 En la traduccioacuten de Casiodoro de Reyna se usa la palabra expansioacuten que parece ser maacutes adecuada 3 El concepto de los siete cielos comuacuten a culturas muy diversas tiene una explicacioacuten simple son siete los cuerpos celestes el Sol la Luna y los cinco planetas visibles 4 La famosa quintaesencia que seguacuten los filoacutesofos medievales permeaba a los cuerpos terrestres y formaba sus aacutenimas II EL FIN DE LOS MITOS mdashSin duda alguna Sancho que ya debemos de llegar a la segunda regioacuten del aire adonde se engendra el granizo las nieves los truenos

los relaacutempagos y los rayos se engendran en la tercera regioacuten y si es que desta manera vamos subiendo presto daremos en la regioacuten del fuego

El ingenioso hidalgo Don Quijote de la Mancha LA REVOLUCIOacuteN DE COPEacuteRNICO Y SUS CONSECUENCIAS LA SITUACIOacuteN empezoacute a cambiar cuando Copeacuternico poco antes de su muerte en 1543 mandoacute a la imprenta su famoso libro De Revolutionibus en el que afirmaba que la Tierra y los planetas giran alrededor del Sol Copeacuternico pretendiacutea no soacutelo defender el sistema helioceacutentrico sino tambieacuten elaborar un modelo para calcular las posiciones de los astros con mayor precisioacuten que Tolomeo Desgraciadamente no pudo liberarse de la supuesta perfeccioacuten del movimiento circular y tuvo que recurrir a los embrollosos epiciclos para poder describir el detalle fino de los movimientos planetarios Hay que reconocer que si la teoriacutea de Copeacuternico no fue aceptada de inmediato se debioacute en parte a que para fines praacutecticos no era maacutes simple que el sistema de Tolomeo Uno de los argumentos fuertes en contra del sistema de Aristarco y Copeacuternico era que las estrellas no mostraban ninguna paralaje durante el antildeo terrestre En efecto la posicioacuten de las estrellas deberiacutea de variar por cierto aacutengulo (la paralaje) durante el recorrido anual de la Tierra alrededor del Sol (Figura 6) Hoy en diacutea sabemos que este efecto existe pero que es demasiado pequentildeo para medirse faacutecilmente Copeacuternico argumentoacute con justa razoacuten que la paralaje estelar no puede percibirse porque las estrellas se encuentran demasiado distantes (a distancias que resultaban fabulosas en esa eacutepoca iexclY que eran mucho menores que las reales) Pero no pudo abandonar la esfera celeste y siguioacute colocando a las estrellas sobre una boacuteveda de dimensiones inconcebibles pero de todos modos finita Mencionemos tambieacuten como dato curioso que Copeacuternico rehizo y aceptoacute sin grandes modificaciones los caacutelculos de Tolomeo de la distancia Tierra-Sol valor veinte veces menos que el real En cuanto a dimensiones el universo de Copeacuternico no diferiacutea del de los antiguos griegos

Figura 6 Midiendo el aacutengulo de paralaje a y conociendo el radio de la oacuterbita terrestre se deduce la distancia a una estrella Empero al privarse a la boacuteveda estelar de un movimiento real surgioacute la posibilidad de que el Universo no tuviera liacutemites Poco despueacutes de la muerte de Copeacuternico el ingleacutes Thomas Digges publicoacute su propia versioacuten del sistema copernicano en el que presentaba al sistema solar rodeado de una distribucioacuten infinita de estrellas (Figura 7) Pero el reino de las estrellas de Digges no era semejante a nuestro mundo humano sino que era la morada de Dios y sus aacutengeles

Figura 7 El Universo seguacuten Digges (de A Perfit Description of the Caelestial Orbes 1576)

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A Giordano Bruno corresponde el meacuterito de haber concebido un Universo maacutes mundano existen un nuacutemero innumerable de soles y un nuacutemero infinito de tierras que giran alrededor de esos soles se atrevioacute a afirmar Sin embargo Bruno llegoacute a tales conclusiones a partir de especulaciones metafiacutesicas que poco teniacutean que ver con un meacutetodo cientiacutefico Su visioacuten del mundo es en realidad animista y se acerca maacutes al panteiacutesmo que a la ciencia moderna Y si puso al Sol en el centro del sistema solar no fue por razones astronoacutemicas sino porque le asignaba a ese astro propiedades vitalistas al estilo de la filosofiacutea hermeacutetica de su eacutepoca De todos modos las ideas de Bruno le valieron ser acusado de hereje y morir en una hoguera de la Santa Inquisicioacuten justo cuando se iniciaba el siglo XVII Un siglo despueacutes de Copeacuternico el gran astroacutenomo Kepler se propuso encontrar las armoniacuteas que rigen el movimiento de los planetas Convencido de que el Sol es el centro del Universo Kepler dedicoacute largos y penosos antildeos a estudiar los datos observacionales recopilados por su maestro Tycho Brahe y eacutel mismo con la esperanza de encontrar algunas leyes simples que rijan con toda precisioacuten el curso de los planetas Su buacutesqueda no fue vana Kepler descubrioacute las famosas tres leyes que ahora llevan su nombre De golpe se desmoronoacute el embrolloso sistema de epiciclos del que ni Copeacuternico habiacutea podido liberarse para dejar lugar a la inesperada simplicidad de las elipses1 A Kepler le desagradaba la idea de un Universo infinito Consideraba la cuestioacuten de la finitud o infinitud del mundo como ajeno a la experiencia humana Pero ademaacutes encontroacute un argumento para demostrar que el Sol era muy diferente de las estrellas Antes de que se inventaran los telescopios se creiacutea que el tamantildeo aparente de las estrellas correspondiacutea a su tamantildeo real se manejaba un valor tiacutepico de 2 minutos de arco para el diaacutemetro aparente de una estrella Kepler demostroacute que si las estrellas se encontraban tan distantes como lo implicaba el sistema de Copeacuternico el diaacutemetro real de una estrella tiacutepica deberiacutea de ser mayor que la oacuterbita terrestre Maacutes auacuten el cielo visto desde una estrella tendriacutea una apariencia muy distinta de la que se observa desde la Tierra las estrellas se veriacutean como grandes bolas de luz y no como pequentildeos puntos luminosos Hoy en diacutea sabemos que el tamantildeo aparente de una estrella es soacutelo un espejismo producido por la atmoacutesfera terrestre que ensancha su imagen pero este fenoacutemeno era desconocido en tiempos de Kepler por lo que su argumento pareciacutea perfectamente soacutelido El sistema de Copeacuternico encontroacute otro gran defensor en un contemporaacuteneo de Kepler Galileo Quizaacutes no fue Galileo el primer hombre que miroacute el cielo a traveacutes de un telescopio pero siacute fue el primero en hacerlo sistemaacuteticamente en interpretar sus observaciones y sobre todo en divulgar sus descubrimientos y hacerlos accesibles a un ciacuterculo maacutes amplio que el de los eruditos versados en latiacuten Desde temprano fue Galileo un apasionado defensor de Copeacuternico y sus observaciones astronoacutemicas vinieron a confirmar sus convicciones Pero bajo la presioacuten de los aristoacutetelicos que dominaban la vida cultural de esa eacutepoca la Iglesia romana ya habiacutea tomado partido por el sistema geoceacutentrico por supuestas congruencias con narraciones biacuteblicas Galileo se propuso convencer con pruebas objetivas a los altos prelados de la Iglesia de que Copeacuternico teniacutea razoacuten pero despueacutes de insistir varios antildeos soacutelo obtuvo una prohibicioacuten oficial de ensentildear el sistema helioceacutentrico A pesar de todo Galileo publicoacute en 1632 el Diaacutelogo sobre los dos principales sistemas del mundo libro en el que confrontaba de una manera supuestamente imparcial las doctrinas de Aristoacuteteles y de Copeacuternico Pero nadie podiacutea engantildearse con las simpatiacuteas del autor el heacuteroe del libro era Salviati defensor de Copeacuternico quien refutaba uno por uno los argumentos de su contrincante el filoacutesofo peripateacutetico Simplicio torpe defensor de Aristoacuteteles El Diaacutelogo fue escrito originalmente en italiano y pretendiacutea ser un libro de divulgacioacuten maacutes que un texto cientiacutefico Del sistema de Copeacuternico soacutelo apareciacutea la idea helioceacutentrica sin los embrollos matemaacuteticos de la teoriacutea No todos los argumentos de Galileo eran claros o aun verdaderos al final del libro por ejemplo aparece una teoriacutea de las mareas totalmente erroacutenea con la cual pretendiacutea demostrar el movimiento de la Tierra Maacutes auacuten no se menciona en el libro ni media palabra de los descubrimientos de Kepler que Galileo no pudo valorar correctamente Pero a pesar de sus limitaciones el Diaacutelogo tuvo el efecto suficiente para causar revuelo en el medio cientiacutefico y religioso Apenas publicado fue vetado por la Iglesia y Galileo fue juzgado y condenado a retractarse de sus convicciones2 Por lo que respecta a la cosmologiacutea Galileo descubrioacute que la Viacutea Laacutectea estaacute compuesta por una infinitud de pequentildeas estrellas que soacutelo pueden distinguirse con un telescopio Asiacute se aclaraba el misterio de esa banda luminosa en el cielo que tanto habiacutea despertado la imaginacioacuten de los filoacutesofos y los poetas Tambieacuten descubrioacute Galileo que el telescopio reduciacutea el tamantildeo aparente de las estrellas Sospechoacute que tal tamantildeo era una ilusioacuten oacuteptica y la achacoacute al mecanismo de visioacuten del ojo Sin embargo siguioacute pensando que el diaacutemetro aparente no era totalmente ilusorio y le adscribioacute un valor promedio de 5 segundos a una estrella de primera magnitud y 56 de segundos a una de sexta A partir de ahiacute Galileo calculoacute que una estrella de sexta magnitud debiacutea de encontrarse a 2 160 unidades astronoacutemicas3 Aunque todaviacutea erroacuteneo este valor permitiacutea considerar seriamente que las estrellas son semejantes a nuestro Sol En cuanto al tamantildeo del Universo Galileo se mostroacute excepcionalmente cauto al respecto Es auacuten incierto (y creo que lo seraacute siempre para la ciencia humana) si el mundo es finito o lo contrario infinito llegoacute a afirmar4

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y con cierta razoacuten pues cualquier otra posicioacuten basada en los conocimientos de su eacutepoca hubiera sido simple especulacioacuten Las observaciones de Galileo permitieron alejar suficientemente a las estrellas para que no pareciera descabellado afirmar que el Sol es una estrella comuacuten cuya uacutenica particularidad es estar muy cerca de nosotros A Christian Huygens (1629-1695) corresponde el primer intento de medir la distancia a las estrellas Suponiendo que la estrella Sirio es igual al Sol Huygens tratoacute de comparar el brillo de estos dos astros para determinar sus distancias relativas Para ello hizo pasar la luz del Sol a traveacutes de unos pequentildeiacutesimos agujeros hasta que la cantidad de luz solar que quedaba le pareciera comparable a la luz de Sirio Conociendo el tamantildeo de los agujeros calculoacute que si el diaacutemetro solar fuese 27 664 menor de lo que es el Sol se veriacutea con el mismo brillo que Sirio Por lo tanto esta estrella deberiacutea encontrarse 27 664 veces maacutes alejada de la Tierra que el Sol Y Huygens no dejoacute de admirarse de tan fabulosa distancia

una bala de cantildeoacuten tardariacutea cientos de miles de antildeos en llegar a las estrellas y sin embargo cuando las vemos en una noche clara nos imaginamos que se encuentran a no maacutes de unas cuantas millas encima de nuestras cabezas y que nuacutemero tan prodigioso de estrellas debe haber aparte de eacutestas tan remotas de nosotros5

No se imaginoacute Huygens que la distancia que calculoacute era veinte veces menor que la real y que eacutesta a su vez es un modestiacutesimo intervalo casi humano en la escala coacutesmica La manera correcta de calcular las distancias relativas del Sol y las estrellas (suponiendo que todas tienen el mismo brillo real) es comparar directamente sus brillos aparentes Una ley simple y fundamental de la oacuteptica es que la luminosidad aparente de un objeto disminuye como el cuadrado de su distancia asiacute por ejemplo un foco colocado a 20 metros se ve 4 veces menos brillante que si estuviera a 10 metros a 80 metros se ve 9 veces menos brillante etc Debido a la gran disparidad entre el brillo del Sol y el de cualquier estrella es imposible compararlas con suficiente precisioacuten En 1668 el matemaacutetico escoceacutes James Gregory tuvo la idea de comparar una estrella con Juacutepiter cuyo brillo relativo con respecto al Sol puede calcularse indirectamente a partir de la distancia y la reflectividad de este planeta El meacutetodo es esencialmente correcto (a diferencia del de Huygens) y Gregory encontroacute que Sirio se encuentra a 83 190 unidades astronoacutemicas LA SIacuteNTESIS NEWTONIANA Hasta tiempos de Galileo y aun despueacutes no se habiacutea percibido ninguna relacioacuten entre la caiacuteda de los cuerpos en la Tierra y el movimiento de los planetas en el cielo Nadie habiacutea refutado la doctrina de Aristoacuteteles de que los fenoacutemenos terrestres y los celestes son de naturaleza totalmente distinta y que los sucesos maacutes allaacute de la oacuterbita lunar no pueden entenderse con base en nuestras experiencias mundanas La situacioacuten cambioacute draacutesticamente cuando Isaac Newton descubrioacute que la gravitacioacuten es un fenoacutemeno universal Todos los cuerpos en el Universo mdashya sean manzanas planetas o estrellasmdash se atraen entre siacute gravitacionalmente y la fuerza de atraccioacuten (F) entre dos cuerpos es proporcional a sus masas (M1 y M2) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (D) que los separa

donde G es la constante de la gravitacioacuten Seguacuten una leyenda muy conocida Newton llegoacute a tales conclusiones un diacutea que sentado bajo un manzano y meditando sobre el por queacute la Luna se mantiene unida a la Tierra vio caer una manzana La realidad es maacutes complicada Newton encontroacute la clave del sistema del mundo en las leyes de Kepler Guiado por ellas logroacute demostrar que el movimiento de los planetas es producido por la atraccioacuten gravitacional del Sol sobre ellos Para tal hazantildea intelectual que ocurrioacute en los antildeos 1684-1685 Newton utilizoacute un poderosiacutesimo meacutetodo matemaacutetico que eacutel mismo habiacutea inventado en su juventud6 Sus resultados los publicoacute en 1686 en el ceacutelebre libro llamado los Principia que sentildeala el nacimiento de la fiacutesica como ciencia exacta El problema del movimiento de los planetas habiacutea sido resuelto finalmente pero quedaban las estrellas Inspirado seguramente por el meacutetodo de Gregory Newton hizo un caacutelculo simple7 para demostrar que el Sol se veriacutea del mismo brillo que Saturno si estuviera 60 000 veces maacutes alejado (suponiendo que este planeta refleja una cuarta parte de la luz solar) Este valor equivale a unas 600 000 unidades astroacutenomicas que seriacutea la distancia tiacutepica a una estrella de primera magnitud en perfecto acuerdo con los conocimientos modernos (Sirio por ejemplo se encuentra a 550 000 unidades astronoacutemicas) Asiacute en tiempos de Newton ya se teniacutea plena conciencia de las distancias interestelares Tambieacuten son de esa eacutepoca los primeros intentos de calcular la distancia de la Tierra al Sol midiendo la paralaje del Sol visto desde dos lugares alejados de la Tierra los resultados obtenidos no eran demasiado erroacuteneos8 La existencia de la gravitacioacuten universal implica que las estrellas deben estar efectivamente muy alejadas para no influir sobre el Sol y sus planetas Pero aun infinitesimal esa atraccioacuten no puede ser totalmente nula un conglomerado de estrellas acabariacutea por colapsarse sobre siacute mismo debido a la atraccioacuten entre sus partes y eacutese

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seriacutea el destino de un Universo finito Newton llegoacute a la conclusioacuten de que para que ello no suceda el Universo debe ser infinito y uniforme soacutelo pequentildeas regiones pueden colapsarse sobre siacute mismas para formar regiones maacutes densas mdashy es quizaacutes asiacute como se forman las estrellas especuloacute el gran cientiacutefico ingleacutes Con el surgimiento de la fiacutesica newtoniana quedoacute liquidada definitivamente la fiacutesica aristoteacutelica con sus esferas celestes y regiones empiacutereas No quedaba duda nuestro sistema solar es apenas un punto en el espacio y las estrellas son las verdaderas componentes del Universo iquestFINITO O INFINITO Desgraciadamente un Universo infinito no estaba excento de problemas Prueba de ello es una famosa paradoja que se atribuye a Wilhelm Olbers quien la publicoacute en 1823 y que intrigoacute a los cosmoacutelogos durante maacutes de un siglo El problema fue sentildealado por primera vez por el astroacutenomo ingleacutes Halley mdashcontemporaacuteneo de Newtonmdash y consiste en el hecho de que el cielo deberiacutea ser infinitamente brillante si el Universo fuera infinito Supongamos que dividimos el Universo en una serie de caacutescaras esfeacutericas de igual grosor y con centro en el Sistema Solar tal como se ve en la (figura 8) Si la distribucioacuten de estrellas es uniforme el nuacutemero de estrellas en una caacutescara dada es proporcional al volumen de la misma y este volumen es proporcional al cuadrado del radio de la caacutescara Por otra parte las estrellas en esa caacutescara se veriacutean desde la Tierra con una luminosidad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la que se encuentran o sea el radio de la caacutescara En consecuencia el brillo de cada caacutescara es el mismo independientemente de su radio en caacutescaras cada vez maacutes lejanas la disminucioacuten del brillo de cada estrella se compensa exactamente por el aumento en el nuacutemero de estrellas en cada caacutescara Si el Universo es infinito el nuacutemero de caacutescaras esfeacutericas en que lo podemos dividir es infinito El brillo de cada caacutescara puede ser muy pequentildeo pero una cantidad pequentildea sumada un nuacutemero infinito de veces da una cantidad infinita Como consecuencia el brillo sumado de todas las estrellas deberiacutea ser infinito en contradiccioacuten con el cielo negro y estrellado que vemos de noche

Figura 8 Paradoja de Olbers si se divide el Universo en caacutescaras conceacutentricas de igual grosor y centradas en la Tierra el brillo de cada caacutescara es el mismo y el brillo de todas las caacutescaras sumadas es infinito Los astroacutenomos partidarios de un Universo infinito propusieron diversas soluciones al problema La maacutes simple era suponer que el espacio interestelar no es totalmente transparente sino que contiene materia muy difusa que absorbe parte de la luz Se pudo demostrar que aun una pequentildeiacutesima absorcioacuten era suficiente para volver al cielo oscuro El uacutenico inconveniente de esta solucioacuten era que todaviacutea a principios del siglo XX no se habiacutea descubierto ninguna prueba observacional de que el espacio coacutesmico no es completamente vaciacuteo Un siglo despueacutes de Newton el filoacutesofo alemaacuten Immanuel Kant (1724-1804) decidioacute examinar el problema de la extensioacuten del Universo desde el punto de vista de la filosofiacutea Reunioacute todos los argumentos en favor y en contra de un Universo sin liacutemites y mostroacute que era posible a partir de razonamientos puramente loacutegicos demostrar tanto la finitud como la infinitud del Universo (la llamada antinomia de extensioacuten9) Para Kant la contradiccioacuten residiacutea en nuestro sistema cognoscitivo ya que existiacutean limitaciones naturales a nuestras posibilidades de comprender el Universo LOS UNIVERSOS-ISLAS Como lo sugiere su nombre la Viacutea Laacutectea es una franja luminosa y su aspecto debe corresponder a la forma del Universo estelar Alrededor de 1750 un caballero ingleacutes llamado Thomas Wright propuso un ingenioso modelo del Universo seguacuten el cual las estrellas estaban distribuidas maacutes o menos uniformemente en un plano infinito en el que se encontraba inmerso el Sol Al mirar en una direccioacuten perpendicular el plano se ven soacutelo las estrellas maacutes cercanas pero en la direccioacuten del plano se observan una infinitud de estrellas distribuidas en una franja que rodea la boacuteveda celeste Eacutesta es justamente la apariencia de la Viacutea Laacutectea en el cielo nocturno (Figura 9)

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Figura 9 Modelo de la Viacutea Laacutectea seguacuten Thomas Wright el Sol se encuentra en el punto A Este diagrama aparecioacute en su libro Una teoriacutea original o nueva hipoacutetesis del Universo 1750 Por una ironiacutea de la historia las especulaciones filosoacuteficas de Kant sobre el Universo se volvieron obsoletas a medida que avanzaba la ciencia10 pero otras especulaciones suyas sobre cosmogoniacutea publicadas en una de sus obras de juventud11 habriacutean de volverse inmortales Kant conociacutea el modelo de Wright del Universo planar y la teoriacutea de la gravitacioacuten universal de Newton y se dio cuenta de que eran incompatibles El problema fundamental era mantener la estructura de la Viacutea Laacutectea sin que se colapsara sobre siacute misma Kant encontroacute la clave del problema en el Sistema Solar los planetas son atraiacutedos por el Sol pero no caen sobre eacuteste debido a que giran a su alrededor y la fuerza centriacutefuga compensa la atraccioacuten gravitacional Del mismo modo la Viacutea Laacutectea podriacutea mantenerse estable si las estrellas estuvieran distribuidas no en un plano infinito sino en un disco en rotacioacuten Las estrellas todas describiriacutean gigantescas oacuterbitas alrededor del centro de la Viacutea Laacutectea y su fuerza centriacutefuga impediriacutea el colapso No contento con una hipoacutetesis tan audaz Kant dio un segundo paso auacuten maacutes espectacular Si la Viacutea Laacutectea es un conglomerado de millones de estrellas con forma de disco iquestno podriacutean existir otras Viacuteas Laacutecteas semejantes a la nuestra y tan lejanas de ella como las estrellas lo son de los planetas Tales conglomerados se veriacutean como simples manchas luminosas debido a sus enormes distancias y sus formas seriacutean circulares o eliacutepticas Y justamente tales objetos ya habiacutean sido observados sentildealoacute Kant son las llamadas estrellas nebulosas o al menos una clase de ellas manchas luminosas soacutelo visibles con un telescopio y cuya naturaleza era un misterio en su eacutepoca El gran astroacutenomo William Herschel (1738-1822) llegoacute a conclusiones parecidas pero a partir de observaciones directas Herschel construyoacute lo que fue el mayor telescopio de su eacutepoca y con eacutel estudioacute la configuracioacuten de la Viacutea Laacutectea Suponiendo que la extensioacuten de una regioacuten sideral es proporcional al nuacutemero de estrellas que se ven en ella Herschel concluyoacute que nuestro sistema estelar tiene una forma aplanada de contornos irregulares (parecida a una amiba Figura 10) y con el Sol en la regioacuten central Tambieacuten descubrioacute Herschel numerosas nebulosas y se preguntoacute al igual que Kant si no seriacutean lejaniacutesimos conglomerados de estrellas Tal parece que eacutesa fue su opinioacuten hasta que un diacutea descubrioacute una nebulosa con forma de anillo y una estrella situada muy conspicuamente en su centro asociada sin ninguna duda a la nebulosa (Figura 11) eacutesta no podiacutea ser un universo-isla sino materia circundante de la estrella

Figura 10 La forma de la Viacutea Laacutectea seguacuten William Herschel el Sol se encuentra en el centro (En The Collected Works of Sir William Herschel Londres 1912)

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Figura 11 Nebulosa de la Lira El anillo es en realidad una caacutescara de gas brillante eyectado por la estrella central En el siglo XIX el astroacutenomo ingleacutes Rosse construyoacute un telescopio auacuten maacutes potente que el usado por Herschel y estudioacute detalladamente las nebulosas Se dio cuenta de que presentaban formas diversas algunas en particular teniacutean brazos espirales y recordaban rehiletes Los astroacutenomos empezaban a sospechar que bajo el nombre geneacuterico de nebulosas habiacutean agrupado objetos muy distintos entre siacute iquestSon algunas nebulosas universos-islas iquestY queacute son las otras La incoacutegnita habriacutea de perdurar todaviacutea un siglo despueacutes de la muerte de Kant y Herschel NOTAS 1 Recordemos brevemente las tres leyes keplerianas 1) Los planetas se mueven en elipses con el Sol en un foco 2) El radio vector del Sol a un planeta barre aacutereas iguales en tiempos iguales 3) El cuadrado del periodo orbital de los planetas es proporcional al cubo de sus radios orbitales 2 A Galileo se le presenta comuacutenmente como un maacutertir de la lucha entre la verdad y el oscurantismo religioso En Los sonaacutembulos Arthur Koestler sostiene una posicioacuten distinta seguacuten eacutel el juicio fue el resultado de una sucesioacuten de malentendidos causados en parte por la vanidad de Galileo Me parece que Koestler subestimoacute el papel de Galileo como uno de los fundadores de la nueva ciencia dando demasiada importancia a sus equivocaciones que las tuvo como todo cientiacutefico y sus pendencias con la comunidad acadeacutemica de su eacutepoca 3 Unidad astronoacutemica distancia de la Tierra al Sol (aproximadamente 150 millones de kiloacutemetros) 4 Carta a Ingoli (Opere vol VI p 518) citada por A Koyreacute Del mundo cerrado al Universo infinito 5 C Huygen Cosmotheoros citado en Theories of the Universe M K Munitz ed (Free Press Illinois 1957) 6 Tambieacuten inventado independientemente y casi al mismo tiempo por Leibniz afrenta que Newton nunca le perdonoacute 7 Artiacuteculo 57 del Sistema del mundo IV parte de los Principia 8 La primera medicioacuten suficientemente precisa de la distancia Tierra-Sol fue realizada por el astroacutenomo alemaacuten Encke en 1824 9 I Kant Criacutetica de la razoacuten pura 10 Kant no se habiacutea imaginado que el espacio no es euclidiano como veremos en el capiacutetulo IV Veacutease tambieacuten JJ Callahan The Curvature of Space in a Finite Universe Scientific American p 20 agosto de 1976 11 Historia natural y universal y teoriacutea de los cielos (1755) El pasaje en cuestioacuten se encuentra en Munitz op cit p 225 III EL REINO DE LAS NEBULOSAS LAS DISTANCIAS ESTELARES UN PROBLEMA fundamental de la astronomiacutea es establecer la distancia a la que se encuentra un objeto celeste Como vimos en el capiacutetulo anterior en tiempos de Newton se teniacutea una idea bastante correcta de las distancias interestelares pero no se disponiacutea de un meacutetodo preciso para medirlas La primera determinacioacuten exitosa de la distancia a una estrella se realizoacute en 1838 midiendo la paralaje estelar producida por el movimiento anual de la Tierra (Figura 6) Sin embargo este meacutetodo soacutelo se puede aplicar a un centenar de estrellas cercanas ya que las demaacutes presentan paralajes demasiado pequentildeas para poder ser medidas En cuanto a las nebulosas no exhibiacutean ninguna paralaje visible Otro meacutetodo un poco maacutes general consiste en medir el movimiento aparente de las estrellas Se ha podido determinar que el Sol se mueve con una velocidad peculiar de 20 kmseg en exceso de velocidad promedio de sus vecinas Debido a ello las estrellas relativamente cercanas parecen moverse ligeramente en el cielo con una velocidad aparente proporcional a sus distancias Eacuteste es el mismo efecto por el cual desde un vehiacuteculo en movimiento se ven los aacuterboles cerca de la carretera pasar raacutepidamente mientras que las colinas lejanas casi no parecen moverse El meacutetodo del movimiento propio permitioacute ampliar notablemente los horizontes astronoacutemicos pero las nebulosas tampoco exhibiacutean movimientos propios La uacutenica manera de medir la distancia a un objeto coacutesmico muy lejano es determinar de alguacuten modo indirecto su luminosidad absoluta (es decir cuaacutenta energiacutea emite en forma de luz) y compararla con su luminosidad aparente observada en la Tierra La distancia se puede determinar a partir del hecho de que la luminosidad aparente disminuye como la distancia al cuadrado Existen muchos tipos de estrellas desde enanas hasta gigantes y con muy diversos brillos Los astroacutenomos han aprendido a clasificarlas en diversas categoriacuteas y deducir la luminosidad absoluta de cada tipo Esto se logroacute gracias a una importantiacutesima teacutecnica llamada espectroscopia

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El principio de la espectroscopia es el hecho de que la luz es una onda electromagneacutetica Los colores que percibimos corresponden a distintas longitudes de onda1 por ejemplo la luz roja tiene una longitud de onda de unos 710 000 de miliacutemetro y la azul de 410 000 (Figura 12)2 En la luz que nos llega del Sol todos los colores vienen mezclados pero cuando los rayos solares pasan a traveacutes de gotas de agua los colores se separan y se forma el arco iris una sucesioacuten de colores de acuerdo con la longitud de onda que les corresponde El mismo fenoacutemeno puede producirse en un laboratorio al hacer pasar un rayo luminoso emitido por cualquier gas incandescente a traveacutes de un prisma (un pedazo de vidrio pulido) y formar asiacute lo que se llama el espectro de la luz (Figura 13) Si se analiza detalladamente el espectro asiacute obtenido se puede advertir un conjunto de liacuteneas sobrepuestas a los colores que son producidas por los aacutetomos del material que emite luz Cada elemento quiacutemico posee un conjunto de liacuteneas que corresponden a longitudes de onda bien definidas y que por lo tanto aparecen siempre en la misma posicioacuten en el espectro gracias a estas liacuteneas se puede determinar la composicioacuten quiacutemica de un gas estudiando la luz que emite

Figura 12 La luz es una onda electromagneacutetica La longitud de la onda l determina el color (veacutease tambieacuten la figura 34)

Figura 13 Al pasar por un prisma la luz blanca se descompone en los colores que la forman El efecto se debe a que las ondas luminosas emergen del prisma en direcciones ligeramente distintas que dependen de la longitud de cada onda La espectroscopia mdashestudio de los espectrosmdash nacioacute a mediados del siglo XIX e inmediatamente fue utilizada por los astroacutenomos para estudiar las estrellas Haciendo pasar la luz estelar magnificada por un telescopio a traveacutes de un prisma pudieron realizar el anaacutelisis quiacutemico de los astros sin tener que ir hasta ellos Los elementos que se descubrieron en los cielos no diferiacutean de los que se encuentran en la Tierra el uacuteltimo vestigio de la fiacutesica aristoacutetelica habiacutea sido refutado3 Los espectros estelares presentan una amplia variedad de tipos Poco a poco los astroacutenomos aprendieron a clasificar las estrellas seguacuten sus espectros y se dieron cuenta de que cada tipo espectral corresponde a propiedades fiacutesicas bien determinadas En particular fue posible determinar la luminosidad absoluta de muchas estrellas a partir de sus tipos espectrales Esto permitioacute medir distancias astronoacutemicas cuando los meacutetodos del paralaje o del movimiento propio resultaban insuficientes Tambieacuten se descubrioacute que algunas estrellas como las llamadas cefeidas (por d del Cefeo el prototipo de ellas) variaban su brillo en forma ciacuteclica Maacutes auacuten los astroacutenomos se dieron cuenta de que el tiempo que tarda cada ciclo llamado periodo estaba relacionado en forma precisa con la luminosidad absoluta de la estrella Este descubrimiento ha sido de fundamental importancia para determinar las distancias coacutesmicas ya que se pueden detectar cefeidas muy lejanas y midiendo la duracioacuten de su ciclo deducir directamente su luminosidad absoluta EL TAMANtildeO DE LA VIacuteA LAacuteCTEA A principios del siglo XX el astroacutenomo holandeacutes Jacob Kapteyn calculoacute las dimensiones de la Viacutea Laacutectea a partir de las distancias estelares determinadas por el meacutetodo del movimiento aparente Llegoacute a la conclusioacuten de que nuestro sistema de estrellas teniacutea la forma de un disco grueso de unos 30 000 antildeos luz de diaacutemetro y 6 000 antildeos luz de espesor con el Sol cerca del centro Sin embargo Kapteyn habiacutea supuesto que el espacio interestelar estaba totalmente vaciacuteo Si existiera polvo o gas en el espacio sideral la luz estelar seriacutea atenuada y las estrellas maacutes lejanas no seriacutean visibles en consecuencia el tamantildeo de la Viacutea Laacutectea podiacutea ser mayor que el calculado por Kapteyn En esa misma eacutepoca tuvo lugar un acontecimiento de crucial importancia en la historia de la cosmologiacutea empezoacute a funcionar el observatorio del monte Wilson en la Alta California En 1908 contaba con el que era en ese momento el telescopio maacutes grande del mundo un reflector con un espejo de un metro y medio de diaacutemetro (Figura 14) Unos diez antildeos despueacutes se instaloacute alliacute mismo un telescopio auacuten mayor con un espejo de dos metros y medio de diaacutemetro (Figura 15)

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Alrededor de 1915 el astroacutenomo Harlow Shapley que trabajaba en Monte Wilson encontroacute una nueva manera de tomarle las medidas a la Viacutea Laacutectea Utilizoacute como indicadores de distancia unos objetos celestes llamados cuacutemulos globulares que son conglomerados esfeacutericos y muy compactos de miles de estrellas (Figura 16) y cuya naturaleza habiacutea sido descubierta por medio de teacutecnicas fotograacuteficas Shapley logroacute identificar estrellas variables cefeidas y de otros tipos en los cuacutemulos globulares con lo que pudo determinar sus distancias Resultaron ser objetos extremadamente lejanos aun los maacutes cercanos se encontraban a 30 000 antildeos luz de distancia maacutes allaacute de las fronteras del universo de Kapteyn Ademaacutes seguacuten las mediciones de Shapley los cuacutemulos estaban distribuidos en una especie de esfera aplanada o elipsoide cuyo plano central coincidiacutea con la Viacutea Laacutectea pero curiosamente se veiacutean muchos maacutes cuacutemulos en una direccioacuten del cielo que en otra Para Shapley la explicacioacuten de este hecho era que los cuacutemulos globulares estaban distribuidos alrededor de la Viacutea Laacutectea y la asimetriacutea aparente de su distribucioacuten se debiacutea a que el Sol no estaba en el centro de la Viacutea Laacutectea sino cerca de un borde La otra implicacioacuten importante de esta hipoacutetesis era que nuestro sistema estelar mediacutea maacutes de 300 000 antildeos luz de diaacutemetro diez veces maacutes de lo que habiacutea calculado Kapteyn A Shapley se le ha llamado el Copeacuternico moderno por quitarle al Sol la uacuteltima posicioacuten privilegiada que conservaba la de ser el centro de la Viacutea Laacutectea

Figura 16 Cuacutemulo globular en la constelacioacuten de Heacutercules

Figura 17 Modelo del Universo seguacuten Shapley Por esas eacutepocas ya se habiacutea confirmado que algunas nebulosas eran nubes de gas relativamente cercanas pero aquellas con formas espirales iquesteran universos-islas (Figura 18) En 1917 el astroacutenomo Ritchey tomoacute una serie de fotografiacuteas de la nebulosa NGC 6946 desde Monte Wilson y encontroacute en una de ellas un punto brillante que no se veiacutea en las anteriores Ritchey dedujo que se trataba de una nova una estrella que aumenta repentinamente de brillo El asunto interesoacute a su colega H D Curtis quien logroacute encontrar varias estrellas maacutes en distintas nebulosas espirales que pareciacutean ser novas Comparando el brillo de estas novas con el de una tiacutepica nova en la vecindad del Sol se deduciacutean distancias para las nebulosas que variaban entre medio milloacuten y diez millones de antildeos luz En particular la nebulosa de Androacutemeda (Figura 19) resultaba ser nuestra vecina a medio milloacuten de antildeos luz y a esa distancia su tamantildeo real debiacutea de ser de unos 30 000 antildeos luz iexclel mismo tamantildeo que Kapteyn habiacutea deducido para la Viacutea Laacutectea

Figura 18 Una nebulosa espiral

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Figura 19 La nebulosa de Androacutemeda Por una ironiacutea de la historia Shapley se negoacute a aceptar que algunas nebulosas podiacutean ser universos-islas semejantes al nuestro porque el tamantildeo de la Viacutea Laacutectea que eacutel habiacutea deducido era mucho mayor que el de eacutestas Por otra parte Curtis sosteniacutea que el tamantildeo tiacutepico de algunas nebulosas era comparable al tamantildeo de la Viacutea Laacutectea que Kapteyn habiacutea calculado La solucioacuten al problema se encontroacute alrededor de 1930 cuando el astroacutenomo suizo Robert J Trumpler demostroacute definitivamente que existe polvo oscuro en el plano de la Viacutea Laacutectea Las estrellas localizadas cerca del plano se ven menos luminosas de lo que son porque su luz es parcialmente absorbida por el polvo Habiacutea por lo tanto que revisar todas las mediciones anteriores de distancias incluyendo las de novas y cefeidas En particular se encontroacute que el tamantildeo de la Viacutea Laacutectea es tres veces mayor que el propuesto por Kapteyn y unas tres veces menor que el calculado por Shapley el conglomerado de cuacutemulos globulares resultoacute tener forma esfeacuterica y no elipsoidal como habiacutea supuesto este uacuteltimo Pero para entonces la verdadera naturaleza de las nebulosas habiacutea sido por fin elucidada LAS OBSERVACIONES DE HUBBLE Edwin P Hubble (Figura 20) nacioacute en Missouri Estados Unidos en 1889 Despueacutes de practicar boxeo prefesional estudiar abogaciacutea y ejercer brevemente esta uacuteltima profesioacuten decidioacute dedicarse a la astronomiacutea Terminada la primera Guerra Mundial en la que participoacute enrolado en el ejeacutercito de su paiacutes empezoacute a trabajar en el observatorio de Monte Wilson Alliacute se dedicoacute a estudiar las nebulosas y pronto pudo demostrar que algunas de ellas estaban constituidas por innumerables estrellas En 1923 logroacute identificar una estrella cefeida en los bordes externos de la nebulosa de Androacutemeda (Figura 21) midiendo su periodo dedujo su luminosidad absoluta y pudo establecer que esa nebulosa se encuentra a la enorme distancia de un milloacuten de antildeos luz No habiacutea duda de que se trataba de un universo-isla o en lenguaje maacutes moderno de una galaxia

Figura 21 Placa de M31 (nebulosa de Androacutemeda) en la que Hubble descubrioacute una cefeida (marcada VAR) Posteriormente Hubble descubrioacute maacutes cefeidas en otras nebulosas y obtuvo valores semejantes para sus distancias Sus descubrimientos eran tan inesperados que no toda la comunidad astronoacutemica los aceptoacute desde un principio pero alrededor de 1930 ya casi nadie dudaba de la validez de sus mediciones Hubble ideoacute diversos meacutetodos para medir la distancia a galaxias cada vez maacutes lejanas en las que no era posible distinguir cefeidas Notoacute que en las galaxias cercanas cuyas distancias ya habiacutea determinado las estrellas maacutes brillantes teniacutean todas aproximadamente el mismo brillo Hubble midioacute la luminosidad de las estrellas maacutes brillantes en las galaxias lejanas y suponiendo el mismo brillo para todas ellas dedujo sus distancias Para las galaxias todaviacutea maacutes lejanas en las que es imposible distinguir una estrella aislada Hubble ideoacute otro meacutetodo notoacute que las galaxias tienden a agruparse en cuacutemulos de galaxias y que en cada cuacutemulo hay al menos una galaxia gigante de forma eliacuteptica y de luminosidad bien definida Buscando gigantes eliacutepticas y midiendo sus brillos pudo determinar tambieacuten sus distancias La imagen del Universo que resultoacute rebasaba todo lo imaginable en esa eacutepoca las galaxias se extendiacutean por millones de antildeos luz y su nuacutemero pareciacutea no tener liacutemite Pero las sorpresas no se habiacutean acabado Como mencionamos anteriormente los astroacutenomos pueden estudiar la composicioacuten de una estrella haciendo pasar su luz por un prisma para exhibir su espectro Como vimos al principio de este capiacutetulo cada elemento quiacutemico se identifica por un conjunto de liacuteneas que aparecen en posiciones bien definidas del espectro y que corresponden a ciertas longitudes de onda Pero cuando una fuente de luz se aleja sus liacuteneas espectrales aparecen desplazadas hacia el lado rojo del espectro o sea el lado de las longitudes de onda maacutes largas del

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mismo modo si la fuente se acerca sus liacuteneas espectrales se desplazan hacia el lado violeta El desplazamiento es proporcional a la velocidad de la fuente luminosa este fenoacutemeno se llama efecto Doppler (Figura 22) El mismo fenoacutemeno sucede con las ondas sonoras cuando una ambulancia se acerca el sonido de su sirena se oye maacutes agudo y cuando se aleja maacutes grave la razoacuten es que las ondas sonoras se reciben con una longitud menor en el primer caso y una mayor en el segundo

Figura 22 El efecto Doppler la longitud de una onda se recibe aumentada o disminuida seguacuten si la fuente emisora se aleja o se acerca Varios astroacutenomos entre los cuales se destacan el mismo Hubble y su colaborador Humason habiacutean descubierto que los espectros de las nebulosas espirales presentaban corrimientos al rojo como si se alejaran de nosotros a enormes velocidades mdashcientos de kiloacutemetros por segundomdash Alrededor de 1930 Hubble tuvo la idea de comparar las velocidades de las nebulosas con sus distancias y descubrioacute una correlacioacuten notable la velocidad de recesioacuten era proporcional a la distancia Maacutes precisamente encontroacute que si V es la velocidad y D la distancia de una galaxia se cumple la relacioacuten

V = H X D

donde H es una constante que ahora llamamos constante de Hubble (Figura 23)

Figura 23 Relacioacuten entre la velocidad y la distancia de una galaxia tomada del libro de Hubble El reino de las nebulosas Yale University 1936 Las observaciones modernas cubren un rango cien veces mayor y confirman el descubrimiento original Asiacute todas las galaxias se alejan de nosotros y maacutes raacutepidamente mientras maacutes lejos se encuentran iquestAcaso nuestra propia galaxia ahuyenta a las demaacutes Evidentemente no lo que este fenoacutemeno implica es que el Universo estaacute en expansioacuten Expliquemos esto con un ejemplo supongamos que un pastel de pasas se infla uniformemente La distancia entre cada pasa iraacute aumentando y un observador que se encuentre en cierta pasa veraacute a las demaacutes alejarse de eacutel (suponiendo que el pastel es transparente) con una velocidad que aumenta con la distancia Este efecto se veraacute desde cualquier pasa y nuestro observador no podraacute deducir que la suya es privilegiada El Universo es anaacutelogo a ese pastel con galaxias en lugar de pasas (Figura 24) Nos encontramos ante la culminacioacuten de la revolucioacuten copernicana ni la Tierra ni el Sol y ni siquiera nuestra galaxia pueden aspirar a ser centros del Universo

Figura 24 Expansioacuten del Universo

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Hubble encontroacute que la velocidad de recesioacuten de las galaxias era aproximadamente de 60 kmseg por cada milloacuten de antildeos luz de distancia Actualmente se cree que el valor correcto estaacute entre 15 y 30 kmseg por milloacuten de antildeos luz Esta rectificacioacuten se hizo en los antildeos cincuentas cuando se descubrioacute que existen dos tipos de cefeidas con relaciones periodo-luminosidad algo distintas tambieacuten resultoacute que Hubble habiacutea confundido grandes nubes luminosas en algunas galaxias con sus estrellas maacutes brillantes En consecuencia la escala corregida del Universo resultoacute ser maacutes del doble de la que encontroacute originalmente Hubble La implicacioacuten maacutes importante de que el Universo estaacute en expansioacuten es que alguna vez en el remoto pasado toda la materia debioacute estar comprimida infinitamente A partir de la velocidad de expansioacuten es faacutecil determinar que eacutesa fue la situacioacuten hace unos 15 mil millones de antildeos El Universo tuvo un nacimiento en el lenguaje cientiacutefico moderno se ha llamado a ese suceso la Gran Explosioacuten Empero era necesaria una revolucioacuten en la fiacutesica para poder entender e interpretar estos descubrimientos Afortunadamente esa revolucioacuten se dio mientras Hubble realizaba sus observaciones NOTAS 1 La longitud de onda es la distancia entre dos crestas (o dos valles) de una onda 2 La longitud de onda se denota comuacutenmente con la letra l La frecuencia v es el nuacutemero de vibraciones de la onda en un segundo y es inversamente proporcional a la longitud de onda La foacutermula que relaciona estos dos conceptos es v = cl donde c es la velocidad de la luz 3 Curiosamente en la misma eacutepoca en que la espectroscopia conquistaba las estrellas Augusto Comte ensentildeaba la filosofiacutea positivista una de cuyas premisas era que soacutelo podiacutea conocerse la naturaleza a traveacutes de meacutetodos empiacutericos El ejemplo favorito de los filoacutesofos positivistas era la naturaleza de las estrellas dado que no se podiacutea alcanzar una estrella era absurdo tratar de entender de queacute estaacute hecha IV EL ESPACIO-TIEMPO CURVO SI BIEN la mecaacutenica de Newton es el fundamento de la fiacutesica claacutesica deja de ser vaacutelida en circunstancias que desbordan el marco de la experiencia cotidiana en particular cuando se consideran velocidades cercanas a la de la luz La misma teoriacutea electromagneacutetica desarrollada por James C Maxwell en el siglo pasado no encajaba en la fiacutesica newtoniana por lo que al empezar el siglo XX se hizo necesaria una reformulacioacuten de la fiacutesica Fue asiacute como en 1905 Albert Einstein (Figura 25) formuloacute la Teoriacutea de la Relatividad Especial que vino a revolucionar todas nuestras concepciones cientiacuteficas y filosoacuteficas Aunque tardoacute varios antildeos en ser reconocida por los demaacutes cientiacuteficos esta teoriacutea es actualmente uno de los pilares maacutes soacutelidos de la fiacutesica moderna

Figura 25 Albert Einstein En la Relatividad Especial el espacio y el tiempo no son dos categoriacuteas independientes como en la fiacutesica newtoniana Por el contrario el mundo en el que vivimos se concibe como un espacio de cuatro dimensiones tres del espacio comuacuten maacutes el tiempo interpretado como una cuarta dimensioacuten En la teoriacutea de Einstein no existe un tiempo absoluto sino que el tiempo depende del movimiento de quien lo mide Otro efecto inesperado predicho por esta teoriacutea es que la velocidad de la luz es la misma con respecto a cualquier observador independientemente de la velocidad con que eacuteste se mueva la velocidad de la luz mdashdesignada comuacutenmente por la letra cmdash es una constante fundamental de la naturaleza1 Einstein tambieacuten predijo una equivalencia entre la masa y la energiacutea tal que bajo condiciones apropiadas una puede transformarse en la otra seguacuten la famosa foacutermula

E = mc2 (E energiacutea m masa) Lo cual se confirmoacute en forma dramaacutetica antildeos despueacutes

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Figura 19 La nebulosa de Androacutemeda Por una ironiacutea de la historia Shapley se negoacute a aceptar que algunas nebulosas podiacutean ser universos-islas semejantes al nuestro porque el tamantildeo de la Viacutea Laacutectea que eacutel habiacutea deducido era mucho mayor que el de eacutestas Por otra parte Curtis sosteniacutea que el tamantildeo tiacutepico de algunas nebulosas era comparable al tamantildeo de la Viacutea Laacutectea que Kapteyn habiacutea calculado La solucioacuten al problema se encontroacute alrededor de 1930 cuando el astroacutenomo suizo Robert J Trumpler demostroacute definitivamente que existe polvo oscuro en el plano de la Viacutea Laacutectea Las estrellas localizadas cerca del plano se ven menos luminosas de lo que son porque su luz es parcialmente absorbida por el polvo Habiacutea por lo tanto que revisar todas las mediciones anteriores de distancias incluyendo las de novas y cefeidas En particular se encontroacute que el tamantildeo de la Viacutea Laacutectea es tres veces mayor que el propuesto por Kapteyn y unas tres veces menor que el calculado por Shapley el conglomerado de cuacutemulos globulares resultoacute tener forma esfeacuterica y no elipsoidal como habiacutea supuesto este uacuteltimo Pero para entonces la verdadera naturaleza de las nebulosas habiacutea sido por fin elucidada LAS OBSERVACIONES DE HUBBLE Edwin P Hubble (Figura 20) nacioacute en Missouri Estados Unidos en 1889 Despueacutes de practicar boxeo prefesional estudiar abogaciacutea y ejercer brevemente esta uacuteltima profesioacuten decidioacute dedicarse a la astronomiacutea Terminada la primera Guerra Mundial en la que participoacute enrolado en el ejeacutercito de su paiacutes empezoacute a trabajar en el observatorio de Monte Wilson Alliacute se dedicoacute a estudiar las nebulosas y pronto pudo demostrar que algunas de ellas estaban constituidas por innumerables estrellas En 1923 logroacute identificar una estrella cefeida en los bordes externos de la nebulosa de Androacutemeda (Figura 21) midiendo su periodo dedujo su luminosidad absoluta y pudo establecer que esa nebulosa se encuentra a la enorme distancia de un milloacuten de antildeos luz No habiacutea duda de que se trataba de un universo-isla o en lenguaje maacutes moderno de una galaxia

Figura 21 Placa de M31 (nebulosa de Androacutemeda) en la que Hubble descubrioacute una cefeida (marcada VAR) Posteriormente Hubble descubrioacute maacutes cefeidas en otras nebulosas y obtuvo valores semejantes para sus distancias Sus descubrimientos eran tan inesperados que no toda la comunidad astronoacutemica los aceptoacute desde un principio pero alrededor de 1930 ya casi nadie dudaba de la validez de sus mediciones Hubble ideoacute diversos meacutetodos para medir la distancia a galaxias cada vez maacutes lejanas en las que no era posible distinguir cefeidas Notoacute que en las galaxias cercanas cuyas distancias ya habiacutea determinado las estrellas maacutes brillantes teniacutean todas aproximadamente el mismo brillo Hubble midioacute la luminosidad de las estrellas maacutes brillantes en las galaxias lejanas y suponiendo el mismo brillo para todas ellas dedujo sus distancias Para las galaxias todaviacutea maacutes lejanas en las que es imposible distinguir una estrella aislada Hubble ideoacute otro meacutetodo notoacute que las galaxias tienden a agruparse en cuacutemulos de galaxias y que en cada cuacutemulo hay al menos una galaxia gigante de forma eliacuteptica y de luminosidad bien definida Buscando gigantes eliacutepticas y midiendo sus brillos pudo determinar tambieacuten sus distancias La imagen del Universo que resultoacute rebasaba todo lo imaginable en esa eacutepoca las galaxias se extendiacutean por millones de antildeos luz y su nuacutemero pareciacutea no tener liacutemite Pero las sorpresas no se habiacutean acabado Como mencionamos anteriormente los astroacutenomos pueden estudiar la composicioacuten de una estrella haciendo pasar su luz por un prisma para exhibir su espectro Como vimos al principio de este capiacutetulo cada elemento quiacutemico se identifica por un conjunto de liacuteneas que aparecen en posiciones bien definidas del espectro y que corresponden a ciertas longitudes de onda Pero cuando una fuente de luz se aleja sus liacuteneas espectrales aparecen desplazadas hacia el lado rojo del espectro o sea el lado de las longitudes de onda maacutes largas del

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mismo modo si la fuente se acerca sus liacuteneas espectrales se desplazan hacia el lado violeta El desplazamiento es proporcional a la velocidad de la fuente luminosa este fenoacutemeno se llama efecto Doppler (Figura 22) El mismo fenoacutemeno sucede con las ondas sonoras cuando una ambulancia se acerca el sonido de su sirena se oye maacutes agudo y cuando se aleja maacutes grave la razoacuten es que las ondas sonoras se reciben con una longitud menor en el primer caso y una mayor en el segundo

Figura 22 El efecto Doppler la longitud de una onda se recibe aumentada o disminuida seguacuten si la fuente emisora se aleja o se acerca Varios astroacutenomos entre los cuales se destacan el mismo Hubble y su colaborador Humason habiacutean descubierto que los espectros de las nebulosas espirales presentaban corrimientos al rojo como si se alejaran de nosotros a enormes velocidades mdashcientos de kiloacutemetros por segundomdash Alrededor de 1930 Hubble tuvo la idea de comparar las velocidades de las nebulosas con sus distancias y descubrioacute una correlacioacuten notable la velocidad de recesioacuten era proporcional a la distancia Maacutes precisamente encontroacute que si V es la velocidad y D la distancia de una galaxia se cumple la relacioacuten

V = H X D

donde H es una constante que ahora llamamos constante de Hubble (Figura 23)

Figura 23 Relacioacuten entre la velocidad y la distancia de una galaxia tomada del libro de Hubble El reino de las nebulosas Yale University 1936 Las observaciones modernas cubren un rango cien veces mayor y confirman el descubrimiento original Asiacute todas las galaxias se alejan de nosotros y maacutes raacutepidamente mientras maacutes lejos se encuentran iquestAcaso nuestra propia galaxia ahuyenta a las demaacutes Evidentemente no lo que este fenoacutemeno implica es que el Universo estaacute en expansioacuten Expliquemos esto con un ejemplo supongamos que un pastel de pasas se infla uniformemente La distancia entre cada pasa iraacute aumentando y un observador que se encuentre en cierta pasa veraacute a las demaacutes alejarse de eacutel (suponiendo que el pastel es transparente) con una velocidad que aumenta con la distancia Este efecto se veraacute desde cualquier pasa y nuestro observador no podraacute deducir que la suya es privilegiada El Universo es anaacutelogo a ese pastel con galaxias en lugar de pasas (Figura 24) Nos encontramos ante la culminacioacuten de la revolucioacuten copernicana ni la Tierra ni el Sol y ni siquiera nuestra galaxia pueden aspirar a ser centros del Universo

Figura 24 Expansioacuten del Universo

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Hubble encontroacute que la velocidad de recesioacuten de las galaxias era aproximadamente de 60 kmseg por cada milloacuten de antildeos luz de distancia Actualmente se cree que el valor correcto estaacute entre 15 y 30 kmseg por milloacuten de antildeos luz Esta rectificacioacuten se hizo en los antildeos cincuentas cuando se descubrioacute que existen dos tipos de cefeidas con relaciones periodo-luminosidad algo distintas tambieacuten resultoacute que Hubble habiacutea confundido grandes nubes luminosas en algunas galaxias con sus estrellas maacutes brillantes En consecuencia la escala corregida del Universo resultoacute ser maacutes del doble de la que encontroacute originalmente Hubble La implicacioacuten maacutes importante de que el Universo estaacute en expansioacuten es que alguna vez en el remoto pasado toda la materia debioacute estar comprimida infinitamente A partir de la velocidad de expansioacuten es faacutecil determinar que eacutesa fue la situacioacuten hace unos 15 mil millones de antildeos El Universo tuvo un nacimiento en el lenguaje cientiacutefico moderno se ha llamado a ese suceso la Gran Explosioacuten Empero era necesaria una revolucioacuten en la fiacutesica para poder entender e interpretar estos descubrimientos Afortunadamente esa revolucioacuten se dio mientras Hubble realizaba sus observaciones NOTAS 1 La longitud de onda es la distancia entre dos crestas (o dos valles) de una onda 2 La longitud de onda se denota comuacutenmente con la letra l La frecuencia v es el nuacutemero de vibraciones de la onda en un segundo y es inversamente proporcional a la longitud de onda La foacutermula que relaciona estos dos conceptos es v = cl donde c es la velocidad de la luz 3 Curiosamente en la misma eacutepoca en que la espectroscopia conquistaba las estrellas Augusto Comte ensentildeaba la filosofiacutea positivista una de cuyas premisas era que soacutelo podiacutea conocerse la naturaleza a traveacutes de meacutetodos empiacutericos El ejemplo favorito de los filoacutesofos positivistas era la naturaleza de las estrellas dado que no se podiacutea alcanzar una estrella era absurdo tratar de entender de queacute estaacute hecha IV EL ESPACIO-TIEMPO CURVO SI BIEN la mecaacutenica de Newton es el fundamento de la fiacutesica claacutesica deja de ser vaacutelida en circunstancias que desbordan el marco de la experiencia cotidiana en particular cuando se consideran velocidades cercanas a la de la luz La misma teoriacutea electromagneacutetica desarrollada por James C Maxwell en el siglo pasado no encajaba en la fiacutesica newtoniana por lo que al empezar el siglo XX se hizo necesaria una reformulacioacuten de la fiacutesica Fue asiacute como en 1905 Albert Einstein (Figura 25) formuloacute la Teoriacutea de la Relatividad Especial que vino a revolucionar todas nuestras concepciones cientiacuteficas y filosoacuteficas Aunque tardoacute varios antildeos en ser reconocida por los demaacutes cientiacuteficos esta teoriacutea es actualmente uno de los pilares maacutes soacutelidos de la fiacutesica moderna

Figura 25 Albert Einstein En la Relatividad Especial el espacio y el tiempo no son dos categoriacuteas independientes como en la fiacutesica newtoniana Por el contrario el mundo en el que vivimos se concibe como un espacio de cuatro dimensiones tres del espacio comuacuten maacutes el tiempo interpretado como una cuarta dimensioacuten En la teoriacutea de Einstein no existe un tiempo absoluto sino que el tiempo depende del movimiento de quien lo mide Otro efecto inesperado predicho por esta teoriacutea es que la velocidad de la luz es la misma con respecto a cualquier observador independientemente de la velocidad con que eacuteste se mueva la velocidad de la luz mdashdesignada comuacutenmente por la letra cmdash es una constante fundamental de la naturaleza1 Einstein tambieacuten predijo una equivalencia entre la masa y la energiacutea tal que bajo condiciones apropiadas una puede transformarse en la otra seguacuten la famosa foacutermula

E = mc2 (E energiacutea m masa) Lo cual se confirmoacute en forma dramaacutetica antildeos despueacutes

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mismo modo si la fuente se acerca sus liacuteneas espectrales se desplazan hacia el lado violeta El desplazamiento es proporcional a la velocidad de la fuente luminosa este fenoacutemeno se llama efecto Doppler (Figura 22) El mismo fenoacutemeno sucede con las ondas sonoras cuando una ambulancia se acerca el sonido de su sirena se oye maacutes agudo y cuando se aleja maacutes grave la razoacuten es que las ondas sonoras se reciben con una longitud menor en el primer caso y una mayor en el segundo

Figura 22 El efecto Doppler la longitud de una onda se recibe aumentada o disminuida seguacuten si la fuente emisora se aleja o se acerca Varios astroacutenomos entre los cuales se destacan el mismo Hubble y su colaborador Humason habiacutean descubierto que los espectros de las nebulosas espirales presentaban corrimientos al rojo como si se alejaran de nosotros a enormes velocidades mdashcientos de kiloacutemetros por segundomdash Alrededor de 1930 Hubble tuvo la idea de comparar las velocidades de las nebulosas con sus distancias y descubrioacute una correlacioacuten notable la velocidad de recesioacuten era proporcional a la distancia Maacutes precisamente encontroacute que si V es la velocidad y D la distancia de una galaxia se cumple la relacioacuten

V = H X D

donde H es una constante que ahora llamamos constante de Hubble (Figura 23)

Figura 23 Relacioacuten entre la velocidad y la distancia de una galaxia tomada del libro de Hubble El reino de las nebulosas Yale University 1936 Las observaciones modernas cubren un rango cien veces mayor y confirman el descubrimiento original Asiacute todas las galaxias se alejan de nosotros y maacutes raacutepidamente mientras maacutes lejos se encuentran iquestAcaso nuestra propia galaxia ahuyenta a las demaacutes Evidentemente no lo que este fenoacutemeno implica es que el Universo estaacute en expansioacuten Expliquemos esto con un ejemplo supongamos que un pastel de pasas se infla uniformemente La distancia entre cada pasa iraacute aumentando y un observador que se encuentre en cierta pasa veraacute a las demaacutes alejarse de eacutel (suponiendo que el pastel es transparente) con una velocidad que aumenta con la distancia Este efecto se veraacute desde cualquier pasa y nuestro observador no podraacute deducir que la suya es privilegiada El Universo es anaacutelogo a ese pastel con galaxias en lugar de pasas (Figura 24) Nos encontramos ante la culminacioacuten de la revolucioacuten copernicana ni la Tierra ni el Sol y ni siquiera nuestra galaxia pueden aspirar a ser centros del Universo

Figura 24 Expansioacuten del Universo

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Hubble encontroacute que la velocidad de recesioacuten de las galaxias era aproximadamente de 60 kmseg por cada milloacuten de antildeos luz de distancia Actualmente se cree que el valor correcto estaacute entre 15 y 30 kmseg por milloacuten de antildeos luz Esta rectificacioacuten se hizo en los antildeos cincuentas cuando se descubrioacute que existen dos tipos de cefeidas con relaciones periodo-luminosidad algo distintas tambieacuten resultoacute que Hubble habiacutea confundido grandes nubes luminosas en algunas galaxias con sus estrellas maacutes brillantes En consecuencia la escala corregida del Universo resultoacute ser maacutes del doble de la que encontroacute originalmente Hubble La implicacioacuten maacutes importante de que el Universo estaacute en expansioacuten es que alguna vez en el remoto pasado toda la materia debioacute estar comprimida infinitamente A partir de la velocidad de expansioacuten es faacutecil determinar que eacutesa fue la situacioacuten hace unos 15 mil millones de antildeos El Universo tuvo un nacimiento en el lenguaje cientiacutefico moderno se ha llamado a ese suceso la Gran Explosioacuten Empero era necesaria una revolucioacuten en la fiacutesica para poder entender e interpretar estos descubrimientos Afortunadamente esa revolucioacuten se dio mientras Hubble realizaba sus observaciones NOTAS 1 La longitud de onda es la distancia entre dos crestas (o dos valles) de una onda 2 La longitud de onda se denota comuacutenmente con la letra l La frecuencia v es el nuacutemero de vibraciones de la onda en un segundo y es inversamente proporcional a la longitud de onda La foacutermula que relaciona estos dos conceptos es v = cl donde c es la velocidad de la luz 3 Curiosamente en la misma eacutepoca en que la espectroscopia conquistaba las estrellas Augusto Comte ensentildeaba la filosofiacutea positivista una de cuyas premisas era que soacutelo podiacutea conocerse la naturaleza a traveacutes de meacutetodos empiacutericos El ejemplo favorito de los filoacutesofos positivistas era la naturaleza de las estrellas dado que no se podiacutea alcanzar una estrella era absurdo tratar de entender de queacute estaacute hecha IV EL ESPACIO-TIEMPO CURVO SI BIEN la mecaacutenica de Newton es el fundamento de la fiacutesica claacutesica deja de ser vaacutelida en circunstancias que desbordan el marco de la experiencia cotidiana en particular cuando se consideran velocidades cercanas a la de la luz La misma teoriacutea electromagneacutetica desarrollada por James C Maxwell en el siglo pasado no encajaba en la fiacutesica newtoniana por lo que al empezar el siglo XX se hizo necesaria una reformulacioacuten de la fiacutesica Fue asiacute como en 1905 Albert Einstein (Figura 25) formuloacute la Teoriacutea de la Relatividad Especial que vino a revolucionar todas nuestras concepciones cientiacuteficas y filosoacuteficas Aunque tardoacute varios antildeos en ser reconocida por los demaacutes cientiacuteficos esta teoriacutea es actualmente uno de los pilares maacutes soacutelidos de la fiacutesica moderna

Figura 25 Albert Einstein En la Relatividad Especial el espacio y el tiempo no son dos categoriacuteas independientes como en la fiacutesica newtoniana Por el contrario el mundo en el que vivimos se concibe como un espacio de cuatro dimensiones tres del espacio comuacuten maacutes el tiempo interpretado como una cuarta dimensioacuten En la teoriacutea de Einstein no existe un tiempo absoluto sino que el tiempo depende del movimiento de quien lo mide Otro efecto inesperado predicho por esta teoriacutea es que la velocidad de la luz es la misma con respecto a cualquier observador independientemente de la velocidad con que eacuteste se mueva la velocidad de la luz mdashdesignada comuacutenmente por la letra cmdash es una constante fundamental de la naturaleza1 Einstein tambieacuten predijo una equivalencia entre la masa y la energiacutea tal que bajo condiciones apropiadas una puede transformarse en la otra seguacuten la famosa foacutermula

E = mc2 (E energiacutea m masa) Lo cual se confirmoacute en forma dramaacutetica antildeos despueacutes

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Hubble encontroacute que la velocidad de recesioacuten de las galaxias era aproximadamente de 60 kmseg por cada milloacuten de antildeos luz de distancia Actualmente se cree que el valor correcto estaacute entre 15 y 30 kmseg por milloacuten de antildeos luz Esta rectificacioacuten se hizo en los antildeos cincuentas cuando se descubrioacute que existen dos tipos de cefeidas con relaciones periodo-luminosidad algo distintas tambieacuten resultoacute que Hubble habiacutea confundido grandes nubes luminosas en algunas galaxias con sus estrellas maacutes brillantes En consecuencia la escala corregida del Universo resultoacute ser maacutes del doble de la que encontroacute originalmente Hubble La implicacioacuten maacutes importante de que el Universo estaacute en expansioacuten es que alguna vez en el remoto pasado toda la materia debioacute estar comprimida infinitamente A partir de la velocidad de expansioacuten es faacutecil determinar que eacutesa fue la situacioacuten hace unos 15 mil millones de antildeos El Universo tuvo un nacimiento en el lenguaje cientiacutefico moderno se ha llamado a ese suceso la Gran Explosioacuten Empero era necesaria una revolucioacuten en la fiacutesica para poder entender e interpretar estos descubrimientos Afortunadamente esa revolucioacuten se dio mientras Hubble realizaba sus observaciones NOTAS 1 La longitud de onda es la distancia entre dos crestas (o dos valles) de una onda 2 La longitud de onda se denota comuacutenmente con la letra l La frecuencia v es el nuacutemero de vibraciones de la onda en un segundo y es inversamente proporcional a la longitud de onda La foacutermula que relaciona estos dos conceptos es v = cl donde c es la velocidad de la luz 3 Curiosamente en la misma eacutepoca en que la espectroscopia conquistaba las estrellas Augusto Comte ensentildeaba la filosofiacutea positivista una de cuyas premisas era que soacutelo podiacutea conocerse la naturaleza a traveacutes de meacutetodos empiacutericos El ejemplo favorito de los filoacutesofos positivistas era la naturaleza de las estrellas dado que no se podiacutea alcanzar una estrella era absurdo tratar de entender de queacute estaacute hecha IV EL ESPACIO-TIEMPO CURVO SI BIEN la mecaacutenica de Newton es el fundamento de la fiacutesica claacutesica deja de ser vaacutelida en circunstancias que desbordan el marco de la experiencia cotidiana en particular cuando se consideran velocidades cercanas a la de la luz La misma teoriacutea electromagneacutetica desarrollada por James C Maxwell en el siglo pasado no encajaba en la fiacutesica newtoniana por lo que al empezar el siglo XX se hizo necesaria una reformulacioacuten de la fiacutesica Fue asiacute como en 1905 Albert Einstein (Figura 25) formuloacute la Teoriacutea de la Relatividad Especial que vino a revolucionar todas nuestras concepciones cientiacuteficas y filosoacuteficas Aunque tardoacute varios antildeos en ser reconocida por los demaacutes cientiacuteficos esta teoriacutea es actualmente uno de los pilares maacutes soacutelidos de la fiacutesica moderna

Figura 25 Albert Einstein En la Relatividad Especial el espacio y el tiempo no son dos categoriacuteas independientes como en la fiacutesica newtoniana Por el contrario el mundo en el que vivimos se concibe como un espacio de cuatro dimensiones tres del espacio comuacuten maacutes el tiempo interpretado como una cuarta dimensioacuten En la teoriacutea de Einstein no existe un tiempo absoluto sino que el tiempo depende del movimiento de quien lo mide Otro efecto inesperado predicho por esta teoriacutea es que la velocidad de la luz es la misma con respecto a cualquier observador independientemente de la velocidad con que eacuteste se mueva la velocidad de la luz mdashdesignada comuacutenmente por la letra cmdash es una constante fundamental de la naturaleza1 Einstein tambieacuten predijo una equivalencia entre la masa y la energiacutea tal que bajo condiciones apropiadas una puede transformarse en la otra seguacuten la famosa foacutermula

E = mc2 (E energiacutea m masa) Lo cual se confirmoacute en forma dramaacutetica antildeos despueacutes

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Las fuerzas electromagneacuteticas se podiacutean describir de una manera muy natural con el formalismo de la teoriacutea de Einstein hecha a la medida para ellas pero la fuerza gravitacional seguiacutea eludiendo toda descripcioacuten relativista La teoriacutea de la gravitacioacuten de Newton funciona perfectamente para objetos con velocidades pequentildeas con respecto a la luz pero no toma en cuenta la accioacuten de la gravedad sobre la luz misma Dicha accioacuten es imperceptible en nuestra experiencia cotidiana pero no siempre es despreciable en el Universo (el ejemplo maacutes espectacular es el de los hoyos negros que son cuerpos cuya intensiacutesima atraccioacuten gravitacional no deja escapar la luz) Y dado que la trayectoria de un rayo luminoso parece un ejemplo natural de liacutenea recta es de esperarse que un campo gravitacional intenso altere muy peculiarmente nuestras concepciones geomeacutetricas En 1915 Albert Einstein formuloacute la teoriacutea de la Relatividad General asiacute llamada porque generalizoacute la Teoriacutea Especial para incluir los efectos de la gravitacioacuten Con esta teoriacutea sacudioacute nuevamente los fundamentos de la fiacutesica claacutesica Seguacuten el postulado maacutes revolucionario de la Relatividad General el espacio en el que vivimos es curvo y la gravitacioacuten es la manifestacioacuten de esta curvatura Un ejemplo de espacio curvo es la superficie de la Tierra es un espacio de dos dimensiones en el sentido de que la posicioacuten de un punto en eacutel se describe por medio de dos coordenadas la longitud y la latitud (Figura 26) Para comprender las implicaciones geomeacutetricas de la curvatura imaginemos un geoacutemetra que decide comprobar en la praacutectica algunos de los postulados fundamentales de la geometriacutea claacutesica por ejemplo el de que dos rectas que se cruzan en un punto no se vuelven a cruzar (Figura 27) Supongamos que para ello se pasa diacuteas y noches trazando rectas sobre el papel tratando de encontrar un par de ellas que se crucen en dos o maacutes puntos La buacutesqueda resulta vana pero lejos de darse por vencido el geoacutemetra decide hacer sus comprobaciones a gran escala trazando rectas de varios miles de kiloacutemetros El primer problema al que se enfrenta es el de precisar el concepto de recta a una escala tan grande Siendo la Tierra redonda una recta trazada sobre su superficie necesariamente es una curva y ese efecto se hace notable mientras maacutes grandes son los tamantildeos considerados Pero el problema tiene una solucioacuten muy simple se define una recta como la distancia maacutes corta entre dos puntos Volviendo a nuestro geoacutemetra supongamos que traza dos rectas de varios miles de kiloacutemetros que originalmente se cruzan en un punto Esas dos rectas son en realidad segmentos de ciacuterculos y se volveraacuten a cruzar en el otro lado de la Tierra (Figura 28) Lo mismo sucederaacute con otros postulados de la geometriacutea claacutesica (por un punto dado soacutelo pasa una recta paralela a otra recta dada dos rectas paralelas entre siacute nunca se cruzan los tres aacutengulos de un triaacutengulo suman siempre 180 grados etc) Estos postulados son vaacutelidos a escalas pequentildeas pero nuestro geoacutemetra comprobaraacute que dejan de aplicarse a escalas comparables con el diaacutemetro de la Tierra De hecho el geoacutemetra habraacute descubierto la curvatura de la Tierra

Figura 26 La longitud y la latitud son dos coordenadas con las que se puede localizar cualquier punto sobre la superficie terrestre

Figura 27 Seguacuten la geometriacutea claacutesica dos rectas que se cruzan en un punto no vuelven a cruzarse

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Figura 28 Pero dos rectas siacute se cruzan sobre una superficie curva Supongamos ahora que nuestro imaginario geoacutemetra provisto de una nave espacial decide continuar sus experimentos en el Sistema Solar Puede utilizar como rectas los haces luminosos de un laacuteser Encontraraacute que los postulados de la geometriacutea claacutesica dejan de aplicarse otra vez aunque en este caso la desviacioacuten seraacute miacutenima y soacutelo podraacute ser descubierta por mediciones extremadamente precisas Pero si el geoacutemetra encuentra la manera de proseguir sus experimentos a escalas cada vez mas grandes hasta cubrir el Universo mismo comprobaraacute que los postulados de la geometriacutea claacutesica dejan de aplicarse cada vez maacutes draacutesticamente las rectas se cruzan en maacutes de un punto las paralelas se unen o separan la suma de los aacutengulos de un triaacutengulo de dimensiones coacutesmicas no da 180 grados etc En resumen habraacute descubierto la curvatura del Universo Einstein descubrioacute que el Universo es curvo pero a diferencia del hipoteacutetico geoacutemetra llegoacute a esa conclusioacuten por medio de razonamientos loacutegicos combinados con experiencias fiacutesicas Maacutes auacuten la causa de la curvatura es la masa y la curvatura del espacio se manifiesta como fuerza gravitacional Ademaacutes la masa de los cuerpos no soacutelo deforma el espacio sino tambieacuten el tiempo cerca de un cuerpo muy masivo el tiempo transcurre maacutes lentamente Si el Sol atrae a los planetas es porque deforma el espacio-tiempo a su alrededor y los planetas se mueven siguiendo esa curvatura al igual que una canica que se mueve sobre una superficie curvada (Figura 29) Pero si bien es faacutecil visualizar la curvatura de la superficie terrestre o cualquier otra superficie contenida en el espacio comuacuten de tres dimensiones la curvatura del espacio-tiempo no puede visualizarse como si estuviera contenida en un espacio maacutes amplio de cinco o maacutes dimensiones

Figura 29 Un cuerpo masivo deforma el espacio-tiempo a su alrededor Afortunadamente un espacio de cualquier nuacutemero de dimensiones aunque escape a nuestra experiencia e intuicioacuten puede estudiarse por medio de foacutermulas matemaacuteticas En el siglo XIX matemaacuteticos como Riemann y Lobashevski elaboraron nuevas geometriacuteas perfectamente autoconsistentes pero que no satisfaciacutean algunos de los postulados de la geometriacutea claacutesica En particular Riemann desarrolloacute un formalismo matemaacutetico que permitioacute estudiar espacios curvos con cualquier nuacutemero de dimensiones Durante varias deacutecadas la geometriacutea riemanniana fue considerada como una simple especulacioacuten matemaacutetica sin conexioacuten con la realidad hasta que Einstein vio en ella la herramienta matemaacutetica necesaria para su teoriacutea de la gravitacioacuten Con la teoriacutea de la Relatividad General el espacio y el tiempo dejaron de ser simples escenarios de los fenoacutemenos naturales para transformarse en participantes dinaacutemicos La curvatura del espacio-tiempo es un efecto casi imperceptible en nuestro sistema planetario esto no es de extrantildearse pues la fuerza de la gravitacioacuten es extremadamente deacutebil comparada con otras fuerzas de la naturaleza (basta recordar que al levantar una piedra nuestros muacutesculos vencen la atraccioacuten gravitacional de toda la Tierra) Pero la magnitud sorprendente de la curvatura del espacio-tiempo se haraacute evidente a la escala del Universo mismo2 El primer estudio teoacuterico del Universo dentro del marco de la Relatividad General se debe al mismo Einstein y data de 1917 Einstein partioacute de dos suposiciones baacutesicas el Universo es homogeacuteneo e isoacutetropo Por homogeneidad se entiende que la materia en el Universo estaacute distribuida a gran escala en forma uniforme mdashtal como el gas en un recipiente que se compone de moleacuteculas soacutelo que en el caso del Universo las moleacuteculas seriacutean los cuacutemulos de galaxiasmdash Y por isotropiacutea que la apariencia del Universo tambieacuten a gran escala es la

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Figura 28 Pero dos rectas siacute se cruzan sobre una superficie curva Supongamos ahora que nuestro imaginario geoacutemetra provisto de una nave espacial decide continuar sus experimentos en el Sistema Solar Puede utilizar como rectas los haces luminosos de un laacuteser Encontraraacute que los postulados de la geometriacutea claacutesica dejan de aplicarse otra vez aunque en este caso la desviacioacuten seraacute miacutenima y soacutelo podraacute ser descubierta por mediciones extremadamente precisas Pero si el geoacutemetra encuentra la manera de proseguir sus experimentos a escalas cada vez mas grandes hasta cubrir el Universo mismo comprobaraacute que los postulados de la geometriacutea claacutesica dejan de aplicarse cada vez maacutes draacutesticamente las rectas se cruzan en maacutes de un punto las paralelas se unen o separan la suma de los aacutengulos de un triaacutengulo de dimensiones coacutesmicas no da 180 grados etc En resumen habraacute descubierto la curvatura del Universo Einstein descubrioacute que el Universo es curvo pero a diferencia del hipoteacutetico geoacutemetra llegoacute a esa conclusioacuten por medio de razonamientos loacutegicos combinados con experiencias fiacutesicas Maacutes auacuten la causa de la curvatura es la masa y la curvatura del espacio se manifiesta como fuerza gravitacional Ademaacutes la masa de los cuerpos no soacutelo deforma el espacio sino tambieacuten el tiempo cerca de un cuerpo muy masivo el tiempo transcurre maacutes lentamente Si el Sol atrae a los planetas es porque deforma el espacio-tiempo a su alrededor y los planetas se mueven siguiendo esa curvatura al igual que una canica que se mueve sobre una superficie curvada (Figura 29) Pero si bien es faacutecil visualizar la curvatura de la superficie terrestre o cualquier otra superficie contenida en el espacio comuacuten de tres dimensiones la curvatura del espacio-tiempo no puede visualizarse como si estuviera contenida en un espacio maacutes amplio de cinco o maacutes dimensiones

Figura 29 Un cuerpo masivo deforma el espacio-tiempo a su alrededor Afortunadamente un espacio de cualquier nuacutemero de dimensiones aunque escape a nuestra experiencia e intuicioacuten puede estudiarse por medio de foacutermulas matemaacuteticas En el siglo XIX matemaacuteticos como Riemann y Lobashevski elaboraron nuevas geometriacuteas perfectamente autoconsistentes pero que no satisfaciacutean algunos de los postulados de la geometriacutea claacutesica En particular Riemann desarrolloacute un formalismo matemaacutetico que permitioacute estudiar espacios curvos con cualquier nuacutemero de dimensiones Durante varias deacutecadas la geometriacutea riemanniana fue considerada como una simple especulacioacuten matemaacutetica sin conexioacuten con la realidad hasta que Einstein vio en ella la herramienta matemaacutetica necesaria para su teoriacutea de la gravitacioacuten Con la teoriacutea de la Relatividad General el espacio y el tiempo dejaron de ser simples escenarios de los fenoacutemenos naturales para transformarse en participantes dinaacutemicos La curvatura del espacio-tiempo es un efecto casi imperceptible en nuestro sistema planetario esto no es de extrantildearse pues la fuerza de la gravitacioacuten es extremadamente deacutebil comparada con otras fuerzas de la naturaleza (basta recordar que al levantar una piedra nuestros muacutesculos vencen la atraccioacuten gravitacional de toda la Tierra) Pero la magnitud sorprendente de la curvatura del espacio-tiempo se haraacute evidente a la escala del Universo mismo2 El primer estudio teoacuterico del Universo dentro del marco de la Relatividad General se debe al mismo Einstein y data de 1917 Einstein partioacute de dos suposiciones baacutesicas el Universo es homogeacuteneo e isoacutetropo Por homogeneidad se entiende que la materia en el Universo estaacute distribuida a gran escala en forma uniforme mdashtal como el gas en un recipiente que se compone de moleacuteculas soacutelo que en el caso del Universo las moleacuteculas seriacutean los cuacutemulos de galaxiasmdash Y por isotropiacutea que la apariencia del Universo tambieacuten a gran escala es la

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misma en todas las direcciones Estas dos suposiciones han sido confirmadas por las observaciones astronoacutemicas (volveremos a ellas en los proacuteximos capiacutetulos) Einstein propuso un modelo cosmoloacutegico seguacuten el cual el Universo era finito pero sin fronteras Esta concepcioacuten aparentemente contradictoria se aclara si recordamos que el espacio es curvo asiacute como la superficie de la Tierra es finita pero sin bordes del mismo modo el universo de Einstein puede cerrarse sobre siacute mismo y no tener fronteras En el modelo propuesto por Einstein una nave espacial que viaje siempre en la misma direccioacuten regresaraacute a su punto de partida despueacutes de atravesar todo el Universo como un Magallanes coacutesmico Todaviacutea no se habiacutea descubierto la expansioacuten coacutesmica en 1917 por lo que Einstein supuso tambieacuten que el Universo es estaacutetico o sea que no cambia con el tiempo Pero las ecuaciones de la Relatividad General indicaban que el Universo no podiacutea mantenerse estaacutetico sino que se colapsariacutea sobre siacute mismo debido a su propia atraccioacuten gravitacional mdashtal como habiacutea previsto Newtonmdash La uacutenica solucioacuten que encontroacute Einstein fue introducir en sus foacutermulas una pequentildea modificacioacuten que permitiacutea a la fuerza gravitacional volverse repulsiva a distancias coacutesmicas y evitar asiacute el colapso del Universo Poco despueacutes alrededor de 1922 el fiacutesico ruso A A Friedmann estudioacute maacutes detalladamente las ecuaciones de Einstein sin la modificacioacuten introducida por eacuteste y llegoacute a la conclusioacuten de que el Universo no podiacutea permanecer inmoacutevil sino que debiacutea encontrarse en proceso de expansioacuten Dependiendo de la densidad de materia en el Universo la expansioacuten seguiraacute ya sea indefinidamente o hasta un momento en que se detenga y empiece una contraccioacuten (Figura 30) Al principio los trabajos de Friedmann no fueron tomados en serio pero cuando Hubble descubrioacute la expansioacuten coacutesmica los fiacutesicos y astroacutenomos se dieron cuenta de que dicho efecto habiacutea sido predicho teoacutericamente (Friedmann murioacute de tifoidea en 1925 sin ver la confirmacioacuten de su obra)

Figura 30 La evolucioacuten del factor de escala R (la distancia entre dos galaxias) en funcioacuten del tiempo seguacuten las tres posibilidades descubiertas por Friedmann Independientemente de Friedmann el abad belga Georges Lemaitre estudioacute las ecuaciones de Einstein por su cuenta pero incluyendo la repulsioacuten coacutesmica y llegoacute a conclusiones semejantes a las del fiacutesico ruso Lemaitre demostroacute que el Universo estaacutetico de Einstein era inestable en el sentido de que cualquier pequentildea perturbacioacuten provocariacutea una expansioacuten o contraccioacuten que no se detendriacutea nunca Basado en sus caacutelculos Lemaitre formuloacute la hipoacutetesis de que el Universo se encontraba originalmente en un estado de compresioacuten tal que toda la materia formaba un solo y uacutenico nuacutecleo atoacutemico que llenaba todo el espacio coacutesmico disponible el aacutetomo primordial Como esa configuracioacuten era inestable en alguacuten momento el Universo empezoacute a expanderse el aacutetomo primordial se rompioacute en innumerables pedazos a partir de los cuales se formaron todos los elementos quiacutemicos en el Universo A gran escala la expansioacuten del Universo se desarrolloacute esencialmente como en el modelo de Friedmann a escala maacutes pequentildea algunas regiones del aacutetomo primordial se expandieron maacutes lentamente que otras hasta detenerse y empezar a contraerse en alguacuten momento para formar las galaxias En 1946 el fiacutesico Georges Gamow propuso que el Universo no soacutelo se encontraba inicialmente a muy altas densidades sino tambieacuten a temperaturas extremadamente altas Poco despueacutes de iniciarse la expansioacuten la materia era una mezcla homogeacutenea de partiacuteculas elementales electrones fotones protones neutrones neutrinos etc Inicialmente la temperatura era praacutecticamente infinita pero a medida que se expandiacutea el Universo la materia se fue enfriando cuando la temperatura bajoacute a unos mil millones de grados Kelvin las condiciones fueron propicias para la creacioacuten de los elementos quiacutemicos que componen el Universo En los proacuteximos capiacutetulos estudiaremos con maacutes detalle la teoriacutea de la Gran Explosioacuten NOTAS 1 c= 299 792 kiloacutemetros por segundo o redondeando c = 300 000 kmseg 2 O cerca de objetos masivos extremadamente densos como las estrellas de neutrones o los hoyos negros

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V EL MUNDO DE LAS PARTIacuteCULAS ELEMENTALES EL MUNDO SUBATOacuteMICO PARA poder describir el estado del Universo en su infancia seguacuten las teoriacuteas maacutes recientes tendremos que recurrir a los conocimientos modernos sobre los constituyentes maacutes pequentildeos de la materia En este capiacutetulo abriremos un pareacutentesis y cambiaremos de escala del Universo en su conjunto al mundo microscoacutepico de las partiacuteculas elementales La materia estaacute constituida por aacutetomos A pesar de lo que indica su nombre un aacutetomo no es indivisible consta de un nuacutecleo alrededor del cual giran electrones Los electrones son partiacuteculas con una carga eleacutectrica negativa y una masa de 9 [X 10-28] gramos A su vez los nuacutecleos atoacutemicos estaacuten constituidos por dos tipos de partiacuteculas los protones (de carga positiva igual en magnitud a la del electroacuten) y los neutrones (sin carga) estas dos partiacuteculas tienen masas muy parecidas respectivamente unas 1 836 y 1 838 veces la masa del electroacuten El nuacutemero de protones en un nuacutecleo atoacutemico determina el tipo de elemento quiacutemico el nuacutecleo de hidroacutegeno consta uacutenicamente de un protoacuten el de helio de dos protones y dos neutrones y asiacute sucesivamente el uacuteltimo elemento que se encuentra en estado natural el uranio posee 92 protones y 164 neutrones Uno de los descubrimientos maacutes notables de la fiacutesica moderna es que las partiacuteculas elementales tienen propiedades de partiacutecula y de onda al mismo tiempo Esta dualidad es la base de la llamada mecaacutenica cuaacutentica y tiene profundiacutesimas repercusiones fiacutesicas y hasta filosoacuteficas pero no es eacuteste el lugar para analizarla Nos conformaremos con sentildealar un ejemplo ilustrativo la luz que se comporta como una onda estaacute constituida por una partiacutecula elemental el fotoacuten Esta partiacutecula se mueve siempre a la velocidad de la luz (evidentemente) y no posee masa aunque siacute energiacutea El fotoacuten puede interpretarse como un paquete de energiacutea pura la frecuencia (v) de una onda luminosa estaacute relacionada con la energiacutea (E) de los fotones que la componen a traveacutes de la foacutermula de Planck

E = h v donde h es la constante de Planck mdashuna de las constantes fundamentales de la naturalezamdash La energiacutea del fotoacuten determina el color de la luz por ejemplo los fotones de la luz roja tienen menos energiacutea que los de la luz violeta Pero no toda la luz puede ser percibida por nuestros ojos la luz ultravioleta los rayos X y los rayos gamma estaacuten constituidos por fotones de mucha energiacutea mientras que los de poca energiacutea constituyen la luz infrarroja las microondas y las ondas de radio (Figura 31)

Figura 31 El espectro electromagneacutetico La luz corresponde a un pequentildeo rango de frecuencias (A = Angstrom = 10-8 cm) Al principio los fiacutesicos pensaban que los electrones protones neutrones y fotones eran las partiacuteculas fundamentales de las que estaacute constituido todo el Universo Desgraciadamente la naturaleza resultoacute ser mucho maacutes complicada Poco a poco se fueron descubriendo nuevas partiacuteculas con propiedades muy diversas y pareciacutea que la naturaleza habiacutea creado una enorme variedad de ellas uacutenicamente para dificultar el trabajo de los fiacutesicos pues ninguna de las nuevas partiacuteculas pareciacutea tener una utilidad Casi todas las partiacuteculas elementales son inestables se transforman unas en otras hasta terminar finalmente como electrones y protones1 los cuales son estables afortunadamente (hasta donde se sabe) Con el aacutenimo de poner un poco de orden en el zooloacutegico de las partiacuteculas elementales algunos fiacutesicos propusieron a mediados de los sesentas que las partiacuteculas elementales pesadas como el protoacuten y neutroacuten no son en realidad elementales sino que estaacuten constituidas a su vez por partiacuteculas auacuten maacutes elementales los cuarks Todaviacutea no se ha podido detectar un cuark aislado y probablemente nunca se pueda pero se han encontrado recientemente pruebas indirectas de su existencia Originalmente se habiacutean propuesto tres tipos de cuarks para construir las partiacuteculas elementales iexclpero hasta el momento el nuacutemero ha aumentado a nueve De todas las partiacuteculas elementales exoacuteticas vale la pena mencionar el neutrino Al igual que el fotoacuten su masa es nula (o quizaacute muy pequentildea menor que la del electroacuten) y se mueve a la misma velocidad que la luz Participa en reacciones nucleares como el llamado decaimiento beta por el que un neutroacuten se transforma en

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un protoacuten un electroacuten y un neutrino La interaccioacuten del neutrino con las otras partiacuteculas es extremadamente deacutebil siendo inmune a las fuerzas electromagneacuteticas que producen la cohesioacuten de la materia puede cruzar un cuerpo soacutelido sin detenerse (de 1013 neutrinos que atraviesen la Tierra apenas uno en promedio seraacute absorbido) El neutrino es un fantasma que recorre el Universo Como veremos maacutes adelante esta partiacutecula juega un papel muy importante en cosmologiacutea Un hecho notable de la naturaleza es la existencia de la antimateria A todo tipo de partiacutecula elemental mdashexcepto el fotoacutenmdash corresponde tambieacuten una antipartiacutecula con la misma masa pero carga eleacutectrica contraria ademaacutes de otras propiedades invertidas Asiacute al electroacuten le corresponde el antielectroacuten llamado comuacutenmente positroacuten cuya carga es positiva al protoacuten le corresponde al antiprotoacuten de carga negativa etc Cuando una partiacutecula entra en contacto con su correspondiente antipartiacutecula las dos se aniquilan produciendo un par de fotones muy energeacuteticos rayos gamma La uacutenica excepcioacuten a esta regla son los neutrinos y antineutrinos que no pueden producir fotones El proceso inverso tambieacuten es posible si dos fotones tienen suficiente energiacutea pueden aniquilarse al chocar entre siacute y producir un par partiacutecula-antipartiacutecula El proceso de creacioacuten y aniquilamiento es una excelente ilustracioacuten de la famosa equivalencia entre masa y energiacutea dada por la foacutermula de Einstein E = mc2 Al chocar una partiacutecula con su antipartiacutecula la masa de las dos se transforma iacutentegramente en la energiacutea de dos fotones Inversamente dos fotones de mucha energiacutea mdashrayos gammamdash pueden al chocar transformar toda su energiacutea en masa de un par partiacutecula-antipartiacutecula Un meteorito de un gramo de antimateria que llegara a la Tierra se aniquilariacutea con un gramo de materia terrestre liberando una energiacutea equivalente a varias bombas atoacutemicas El hecho de que tal acontecimiento no suceda frecuentemente indica que por lo menos en el Sistema Solar no abunda la antimateria2 Hasta ahora soacutelo se han visto antipartiacuteculas en los grandes aceleradores LA MATERIA CALIENTE En nuestra experiencia cotidiana la materia a nuestro alrededor se encuentra a temperaturas relativamente bajas (300 grados Kelvin) y parece tener un comportamiento apacible Pero al aumentar la temperatura nuevos fenoacutemenos empiezan a aparecer Recordemos que el calor es una manifestacioacuten macroscoacutepica de la energiacutea que poseen las moleacuteculas de un cuerpo eacutestas se mueven y chocan entre siacute con velocidades mdasho equivalentemente energiacuteasmdash que dependen de la temperatura Un gas friacuteo estaacute constituido de moleacuteculas que a su vez estaacuten formadas de aacutetomos si se calienta el gas las moleacuteculas se mueven maacutes raacutepidamente y chocan entre siacute con maacutes fuerza hasta que por encima de cierta temperatura que variacutea seguacuten el tipo de moleacutecula eacutestas se rompen y quedan aacutetomos sueltos Estos aacutetomos tambieacuten poseen energiacutea y chocan entre siacute ademaacutes sus electrones pueden transformar parte de sus energiacuteas en fotones por ello un gas caliente brilla Si se sigue aumentando la temperatura los aacutetomos empiezan a sacudirse de sus electrones en ese caso el gas queda constituido de electrones libres e iones mdashaacutetomos con menos electrones que protonesmdash y los electrones emiten fotones constantemente Se dice que un gas en esas condiciones se encuentra parcialmente ionizado (un ejemplo es el gas neoacuten que brilla en los tubos usados para iluminacioacuten) Por encima de cierta temperatura mdashcuyo valor depende del elemento quiacutemicomdash los aacutetomos se sacuden de todos sus electrones y se tiene entonces un gas totalmente ionizado una mezcla de nuacutecleos desnudos y electrones libres que emiten constantemente fotones Una de las propiedades importantes de un gas ionizado es que brilla sin ser transparente la razoacuten es que los electrones libres interactuacutean muy faacutecilmente con los fotones chocando constantemente con ellos desviando sus trayectorias y a veces absorbieacutendolos En cambio los aacutetomos no ionizados o las moleacuteculas interactuacutean deacutebilmente con los fotones por lo que un gas no ionizado (el aire por ejemplo) puede ser muy transparente (Figura 32)

Figura 32 Un gas no ionizado suele ser transparente pero al ionizarse los electrones libres desviacutean constantemente las trayectorias de los fotones por lo que se pierde la transparencia

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(Las nebulosas que mencionamos en el capiacutetulo II mdashlas nebulosas gaseosas y no las galaxiasmdash son nubes de gas ionizado que en algunos casos pueden llegar a medir varios antildeos luz y tener una masa equivalente a varios millones de estrellas como la nebulosa de Orioacuten (Figura 33) Estas nubes son calentadas por las estrellas que se encuentran en ellas

Figura 33 La nebulosa de Orioacuten Es una gigantesca nube de gas ionizado visible gracias a la luz de las estrellas de su interior Hemos mencionado que la materia y la antimateria se aniquilan al entrar en contacto Pero existe una situacioacuten en la naturaleza en la que pueden coexistir a temperaturas extremadamente altas Si la temperatura de un gas llega a ser superior a unos 5 000 millones de grados Kelvin los fotones en el gas tienen tanta energiacutea que al chocar entre siacute crean pares de electroacuten-positroacuten eacutestos se aniquilan con otros electrones y positrones pero los fotones producidos chocan con otros fotones para volver a crear electrones y positrones y asiacute sucesivamente El resultado neto es que los electrones positrones y fotones pueden coexistir en equilibrio creaacutendose y aniquilaacutendose continuamente (Figura 34) Si la temperatura del gas es superior a unos 10 millones de millones de grados aparecen tambieacuten protones y neutrones con sus antipartiacuteculas todos en equilibrio con los fotones A temperaturas auacuten superiores se tendraacute todo tipo de partiacuteculas exoacuteticas con sus respectivas antipartiacuteculas incluyendo cuarks y anticuarks creaacutendose y aniquilaacutendose continuamente Como veremos en el siguiente capiacutetulo esta situacioacuten debioacute prevalecer durante los primeros segundos de vida del Universo

Figura 34 A temperaturas superiores a los 5 000 millones de grados los fotones electrones y positrones chocan constantemente entre siacute creaacutendose y aniquilaacutendose EL MUNDO DE PLANCK Ninguna teoriacutea fiacutesica es absoluta Al contrario todas tienen un rango de validez fuera del cual se vuelven inuacutetiles La fiacutesica newtoniana funciona perfectamente mientras no se tengan que considerar velocidades cercanas a la de la luz o dimensiones comparables a la de los aacutetomos Cuando un ingeniero disentildea un edificio de varios pisos utiliza la mecaacutenica de Newton con resultados excelentes pero un fiacutesico que quiera estudiar el comportamiento de un aacutetomo deber recurrir a la mecaacutenica cuaacutentica ya que a escala atoacutemica y subatoacutemica la mecaacutenica newtoniana es totalmente increiacuteble De manera anaacuteloga la Relatividad General no puede describir el mundo subatoacutemico pero desgraciadamente no disponemos auacuten de una teoriacutea cuaacutentica de la gravitacioacuten (aunque muchos fiacutesicos tienen la esperanza de que tal teoriacutea surgiraacute en un futuro no muy lejano) Nos podemos dar una idea del liacutemite de validez de la Relatividad General a partir de consideraciones sobre las tres constantes fundamentales de la naturaleza

G la constante de la gravitacioacuten c la velocidad de la luz h la constante de Planck

Estas tres constantes aparecen tanto en la teoriacutea de la gravitacioacuten como en la mecaacutenica cuaacutentica y de los valores que tienen depende toda la estructura del Universo Si escogemos un sistema de medicioacuten en el que la unidad de longitud es el centiacutemetro la de tiempo el segundo y la de masa el gramo resulta que las tres constantes tienen los siguientes valores determinados experimentalmente

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G = 6673 x 10-8 (centiacutemetros)3(gramos) (segundos)2 c = 2998x 1010 (centiacutemetros)(segundos) h =1055x 10-27 (gramos) (centiacutemetros)2(segundos)

Pero por supuesto en otro sistema de unidades estos valores seraacuten distintos Centiacutemetros segundos y gramos son unidades convencionales muy uacutetiles en nuestras experiencias cotidianas pero cabe la pregunta de si no existe un sistema natural de unidades que la misma naturaleza haya escogido Planck se dio cuenta de que combinando G c y h entre siacute se pueden obtener nuevas unidades La combinacioacuten

tiene dimensiones de longitud y su valor es aproximadamente 10-33 centiacutemetros se le llama longitud de Planck El tiempo que tarda la luz en recorrer esa distancia es

y es el tiempo de Planck unos 10-44 segundos Finalmente la combinacioacuten

es la masa de Planck unos 10-5 gramos La longitud y el tiempo de Planck tienen valores tan extremadamente pequentildeos que parecen ser las unidades naturales de otro mundo subyacente al mundo subatoacutemico con leyes fiacutesicas que no son totalmente desconocidas el mundo de Planck es a los aacutetomos lo que eacutestos al mundo macroscoacutepico (simplemente para tener una idea un electroacuten mide 10 20 longitudes Planck) Por otro lado la masa de Planck es muchiacutesimo mayor que la masa de una partiacutecula elemental podriacutea estar relacionada con las energiacuteas necesarias para romper una partiacutecula elemental energiacuteas que quedan totalmente fuera de nuestras posibilidades experimentales Si la Relatividad General es vaacutelida lo seraacute soacutelo para estudiar fenoacutemenos a escalas mucho mayores que la longitud de Planck LAS FUERZAS FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA Es un hecho fundamental de la naturaleza que existen cuatro tipos de fuerzas o interacciones con las que los cuerpos interactuan entre siacute Un tipo de fuerza es la gravitacional siempre presente en nuestra experiencia diaria y tambieacuten a escala coacutesmica desde las partiacuteculas elementales hasta las galaxias estaacuten sujetas a esta fuerza Otro tipo de fuerza es la electromagneacutetica tambieacuten familiar es la responsable de que los electrones se mantengan unidos a los nuacutecleos atoacutemicos los aacutetomos a las moleacuteculas y las moleacuteculas entre siacute debido a que existen cargas positivas y negativas que se cancelan mutuamente la fuerza electromagneacutetica no se manifiesta tan abiertamente a gran escala como la gravitacional Existe otro tipo de interaccioacuten llamada fuerte que actuacutea uacutenicamente a nivel subatoacutemico Los protones en los nuacutecleos se repelen eleacutectricamente debido a que tienen cargas del mismo signo y sin embargo se mantienen unidos por la fuerza nuclear mdashmanifestacioacuten de las interacciones fuertesmdash que es mucho maacutes intensa que la eleacutectrica pero a diferencia de esta uacuteltima la interaccioacuten fuerte es de alcance microscoacutepico y no se manifiesta a escala humana Finalmente existe la interaccioacuten deacutebil con la que interactuacutean muy deacutebilmente las partiacuteculas elementales es responsable entre otras cosas del decamiento radiactivo de ciertos nuacutecleos y en general de todos los procesos en que intervienen los neutrinos Precisamente los neutrinos son tan difiacuteciles de atrapar porque soacutelo interactuacutean deacutebilmente o gravitacionalmente con las otras partiacuteculas Estas cuatro interacciones tienen magnitudes muy distintas Por ejemplo la atraccioacuten gravitacional entre un protoacuten y un electroacuten es 1040 veces menor que la atraccioacuten eleacutectrica entre esas dos partiacuteculas Asimismo la fuerza nuclear entre los protones en el nuacutecleo atoacutemico es unas cien veces maacutes intensa que la fuerza eleacutectrica entre ellos y esta uacuteltima es mil veces maacutes intensa que la fuerza deacutebil Un suentildeo de los fiacutesicos modernos es construir una teoriacutea en la que aparezcan unificadas todas las interacciones como si cada una de ellas fuera una manifestacioacuten de una interaccioacuten maacutes general La idea surgioacute a raiacutez de que James Clerk Maxwell el maacutes grande fiacutesico del siglo XIX demostroacute que las fuerzas eleacutectricas y magneacuteticas son manifestaciones de una misma interaccioacuten la electromagneacutetica Ya en nuestro siglo Albert Einstein pasoacute la uacuteltima parte de su vida tratando de construir una teoriacutea que unificara las fuerzas gravitacionales y electromagneacuteticas pero su buacutesqueda fue vana Los fiacutesicos pareciacutean haber abandonado toda esperanza unificadora cuando surgioacute una luz a finales de los antildeos sesentas los fiacutesicos Weinberg y Salam demostraron que se podiacutean unificar las interacciones deacutebiles con las

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electromagneacuteticas su teoriacutea fue confirmada posteriormente con experimentos realizados en aceleradores de partiacuteculas3 iquestPor queacute hasta antildeos recientes los fiacutesicos no habiacutean percibido una relacioacuten entre las interacciones electromagneacuteticas y deacutebiles La respuesta es que en los procesos fiacutesicos entre partiacuteculas elementales que se estudian comuacutenmente las energiacuteas implicadas son relativamente bajas pero a medida que las energiacuteas de las partiacuteculas aumentan las dos interacciones empiezan a parecerse cada vez maacutes hasta que se vuelven indistinguibles por encima de cierta energiacutea criacutetica mdashuna energiacutea que apenas se puede alcanzar en los aceleradores de partiacuteculas construidos recientemente Motivados por el eacutexito de la teoriacutea de Weinberg y Salam los fiacutesicos han tratado de construir una teoriacutea que unifique no soacutelo las interacciones electromagneacuteticas y deacutebiles sino tambieacuten las fuertes con ellas Una teoriacutea asiacute ha sido propuesta en la actualidad pero es extremadamente diacuteficil confirmarla en forma experimental porque la energiacutea criacutetica para la unificacioacuten de esas tres interacciones queda totalmente fuera del alcance de la tecnologiacutea moderna La teoriacutea mencionada predice que el protoacuten no es completamente estable sino que debe de decaer en otras partiacuteculas maacutes ligeras mdashaunque la vida promedio de un protoacuten excede ampliamente la edad del Universo Hasta ahora no se ha podido detectar el decaimiento de ninguacuten protoacuten por lo que la teoriacutea seguramente necesitaraacute modificaciones empero la idea de unificar tres interacciones fundamentales es demasiado atrayente como para desecharla con facilidad Finalmente queda la gran ilusioacuten de los fiacutesicos teoacutericos una teoriacutea unificada de las cuatro interacciones fundamentales Algunos ya estaacuten trabajando en ella y quizaacutes se tengan resultados concretos en el futuro Los fiacutesicos sospechan que tal superunificacioacuten se produce cuando las energiacuteas de las partiacuteculas exceden la energiacutea de Planck es decir la masa de Planck multiplicada por c2 lo cual es una energiacutea fabulosa para una partiacutecula elemental A estas alturas el lector se estaraacute preguntando seguramente iquestqueacute tiene que ver todo lo anterior con el Universo con sus estrellas y sus galaxias Sorprendentemente existe una relacioacuten si el Universo nacioacute en un estado de altiacutesima densidad y temperatura las partiacuteculas que lo componiacutean recorrieron toda la gama de energiacuteas Las eacutepocas maacutes tempranas del Universo soacutelo se pueden estudiar a traveacutes de las teoriacuteas modernas de partiacuteculas elementales reciacuteprocamente la cosmologiacutea puede servir para confirmar o refutar a traveacutes de observaciones astronoacutemicas dichas teoriacuteas Los fiacutesicos de partiacuteculas elementales realizan sus experimentos en aceleradores que requieren de enormes cantidades de energiacutea pero esas energiacuteas son risibles a escala astronoacutemica El espacio coacutesmico es un laboratorio que dispone literalmente de toda la energiacutea del Universo no podemos manejarlo a nuestro antojo pero siacute podemos aprender a interpretar sus mensajes NOTAS 1 Los neutrones soacutelo son estables si estaacuten amarrados en un nuacutecleo atoacutemico 2 Se ha sugerido que la famosa explosioacuten de Tunguska Siberia en 1908 se debioacute a la caiacuteda de un meteorito de antimateria 3 Weinberg y Salam obtuvieron el premio Nobel en 1979 por su trabajo VI EN EL PRINCIPIO ERA iquestDE DOacuteNDE SALIOacute EL UNIVERSO DESPUEacuteS de este breve paseo por el mundo microscoacutepico volvamos a nuestro Universo El primer problema al que nos enfrentamos es el de saber si nuestras teoriacuteas fiacutesicas pueden describir el momento mismo de su nacimiento iquestAcaso tiene sentido hablar del principio del tiempo o considerar densidades y temperaturas infinitas Como sentildealamos en el capiacutetulo anterior la Relatividad General deja de ser vaacutelida a escala del mundo de Planck Es obvio entonces que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es incapaz de describir el Universo cuando teniacutea menos de 10-44 segundos de existencia que es el tiempo de Planck Pero esta limitacioacuten es extremadamente generosa y no todos los fiacutesicos pueden resistir la tentacioacuten de elaborar teoriacuteas sobre el Universo cuando su edad apenas excediacutea el tiempo de Planck Lo que vamos a exponer en el presente capiacutetulo podraacute parecer terriblemente especulativo pero mdashy esto es lo fundamentalmdash estaacute basado en extrapolaciones temerarias pero vaacutelidas de leyes bien establecidas de la fiacutesica Sean o no vaacutelidos para tiempos muy pequentildeos los modelos teoacutericos de Friedmann predicen que en el principio mismo del tiempo la densidad del Universo era infinita A un estado asiacute los fiacutesicos llaman singularidad esto uacutenicamente implica que ninguna ley fiacutesica puede describirlo maacutes que un concepto fiacutesico la singularidad es un reconocimiento de nuestra completa ignorancia Empero podemos sosloyar el problema de la singularidad en forma decorosa si invocamos la invalidez de la Relatividad General para tiempos menores que el tiempo de Planck no estamos obligados a describir lo que queda fuera del campo de la fiacutesica Sin embargo queda la posibilidad de que el Universo en lugar de nacer de una singularidad haya tenido inicios maacutes accesibles al entendimiento De hecho el estado inicial del Universo pudo ser extremadamente simple tan simple como un espacio totalmente vaciacuteo Si eacutese fue el caso iexclla materia surgioacute en alguacuten momento

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G = 6673 x 10-8 (centiacutemetros)3(gramos) (segundos)2 c = 2998x 1010 (centiacutemetros)(segundos) h =1055x 10-27 (gramos) (centiacutemetros)2(segundos)

Pero por supuesto en otro sistema de unidades estos valores seraacuten distintos Centiacutemetros segundos y gramos son unidades convencionales muy uacutetiles en nuestras experiencias cotidianas pero cabe la pregunta de si no existe un sistema natural de unidades que la misma naturaleza haya escogido Planck se dio cuenta de que combinando G c y h entre siacute se pueden obtener nuevas unidades La combinacioacuten

tiene dimensiones de longitud y su valor es aproximadamente 10-33 centiacutemetros se le llama longitud de Planck El tiempo que tarda la luz en recorrer esa distancia es

y es el tiempo de Planck unos 10-44 segundos Finalmente la combinacioacuten

es la masa de Planck unos 10-5 gramos La longitud y el tiempo de Planck tienen valores tan extremadamente pequentildeos que parecen ser las unidades naturales de otro mundo subyacente al mundo subatoacutemico con leyes fiacutesicas que no son totalmente desconocidas el mundo de Planck es a los aacutetomos lo que eacutestos al mundo macroscoacutepico (simplemente para tener una idea un electroacuten mide 10 20 longitudes Planck) Por otro lado la masa de Planck es muchiacutesimo mayor que la masa de una partiacutecula elemental podriacutea estar relacionada con las energiacuteas necesarias para romper una partiacutecula elemental energiacuteas que quedan totalmente fuera de nuestras posibilidades experimentales Si la Relatividad General es vaacutelida lo seraacute soacutelo para estudiar fenoacutemenos a escalas mucho mayores que la longitud de Planck LAS FUERZAS FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA Es un hecho fundamental de la naturaleza que existen cuatro tipos de fuerzas o interacciones con las que los cuerpos interactuan entre siacute Un tipo de fuerza es la gravitacional siempre presente en nuestra experiencia diaria y tambieacuten a escala coacutesmica desde las partiacuteculas elementales hasta las galaxias estaacuten sujetas a esta fuerza Otro tipo de fuerza es la electromagneacutetica tambieacuten familiar es la responsable de que los electrones se mantengan unidos a los nuacutecleos atoacutemicos los aacutetomos a las moleacuteculas y las moleacuteculas entre siacute debido a que existen cargas positivas y negativas que se cancelan mutuamente la fuerza electromagneacutetica no se manifiesta tan abiertamente a gran escala como la gravitacional Existe otro tipo de interaccioacuten llamada fuerte que actuacutea uacutenicamente a nivel subatoacutemico Los protones en los nuacutecleos se repelen eleacutectricamente debido a que tienen cargas del mismo signo y sin embargo se mantienen unidos por la fuerza nuclear mdashmanifestacioacuten de las interacciones fuertesmdash que es mucho maacutes intensa que la eleacutectrica pero a diferencia de esta uacuteltima la interaccioacuten fuerte es de alcance microscoacutepico y no se manifiesta a escala humana Finalmente existe la interaccioacuten deacutebil con la que interactuacutean muy deacutebilmente las partiacuteculas elementales es responsable entre otras cosas del decamiento radiactivo de ciertos nuacutecleos y en general de todos los procesos en que intervienen los neutrinos Precisamente los neutrinos son tan difiacuteciles de atrapar porque soacutelo interactuacutean deacutebilmente o gravitacionalmente con las otras partiacuteculas Estas cuatro interacciones tienen magnitudes muy distintas Por ejemplo la atraccioacuten gravitacional entre un protoacuten y un electroacuten es 1040 veces menor que la atraccioacuten eleacutectrica entre esas dos partiacuteculas Asimismo la fuerza nuclear entre los protones en el nuacutecleo atoacutemico es unas cien veces maacutes intensa que la fuerza eleacutectrica entre ellos y esta uacuteltima es mil veces maacutes intensa que la fuerza deacutebil Un suentildeo de los fiacutesicos modernos es construir una teoriacutea en la que aparezcan unificadas todas las interacciones como si cada una de ellas fuera una manifestacioacuten de una interaccioacuten maacutes general La idea surgioacute a raiacutez de que James Clerk Maxwell el maacutes grande fiacutesico del siglo XIX demostroacute que las fuerzas eleacutectricas y magneacuteticas son manifestaciones de una misma interaccioacuten la electromagneacutetica Ya en nuestro siglo Albert Einstein pasoacute la uacuteltima parte de su vida tratando de construir una teoriacutea que unificara las fuerzas gravitacionales y electromagneacuteticas pero su buacutesqueda fue vana Los fiacutesicos pareciacutean haber abandonado toda esperanza unificadora cuando surgioacute una luz a finales de los antildeos sesentas los fiacutesicos Weinberg y Salam demostraron que se podiacutean unificar las interacciones deacutebiles con las

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electromagneacuteticas su teoriacutea fue confirmada posteriormente con experimentos realizados en aceleradores de partiacuteculas3 iquestPor queacute hasta antildeos recientes los fiacutesicos no habiacutean percibido una relacioacuten entre las interacciones electromagneacuteticas y deacutebiles La respuesta es que en los procesos fiacutesicos entre partiacuteculas elementales que se estudian comuacutenmente las energiacuteas implicadas son relativamente bajas pero a medida que las energiacuteas de las partiacuteculas aumentan las dos interacciones empiezan a parecerse cada vez maacutes hasta que se vuelven indistinguibles por encima de cierta energiacutea criacutetica mdashuna energiacutea que apenas se puede alcanzar en los aceleradores de partiacuteculas construidos recientemente Motivados por el eacutexito de la teoriacutea de Weinberg y Salam los fiacutesicos han tratado de construir una teoriacutea que unifique no soacutelo las interacciones electromagneacuteticas y deacutebiles sino tambieacuten las fuertes con ellas Una teoriacutea asiacute ha sido propuesta en la actualidad pero es extremadamente diacuteficil confirmarla en forma experimental porque la energiacutea criacutetica para la unificacioacuten de esas tres interacciones queda totalmente fuera del alcance de la tecnologiacutea moderna La teoriacutea mencionada predice que el protoacuten no es completamente estable sino que debe de decaer en otras partiacuteculas maacutes ligeras mdashaunque la vida promedio de un protoacuten excede ampliamente la edad del Universo Hasta ahora no se ha podido detectar el decaimiento de ninguacuten protoacuten por lo que la teoriacutea seguramente necesitaraacute modificaciones empero la idea de unificar tres interacciones fundamentales es demasiado atrayente como para desecharla con facilidad Finalmente queda la gran ilusioacuten de los fiacutesicos teoacutericos una teoriacutea unificada de las cuatro interacciones fundamentales Algunos ya estaacuten trabajando en ella y quizaacutes se tengan resultados concretos en el futuro Los fiacutesicos sospechan que tal superunificacioacuten se produce cuando las energiacuteas de las partiacuteculas exceden la energiacutea de Planck es decir la masa de Planck multiplicada por c2 lo cual es una energiacutea fabulosa para una partiacutecula elemental A estas alturas el lector se estaraacute preguntando seguramente iquestqueacute tiene que ver todo lo anterior con el Universo con sus estrellas y sus galaxias Sorprendentemente existe una relacioacuten si el Universo nacioacute en un estado de altiacutesima densidad y temperatura las partiacuteculas que lo componiacutean recorrieron toda la gama de energiacuteas Las eacutepocas maacutes tempranas del Universo soacutelo se pueden estudiar a traveacutes de las teoriacuteas modernas de partiacuteculas elementales reciacuteprocamente la cosmologiacutea puede servir para confirmar o refutar a traveacutes de observaciones astronoacutemicas dichas teoriacuteas Los fiacutesicos de partiacuteculas elementales realizan sus experimentos en aceleradores que requieren de enormes cantidades de energiacutea pero esas energiacuteas son risibles a escala astronoacutemica El espacio coacutesmico es un laboratorio que dispone literalmente de toda la energiacutea del Universo no podemos manejarlo a nuestro antojo pero siacute podemos aprender a interpretar sus mensajes NOTAS 1 Los neutrones soacutelo son estables si estaacuten amarrados en un nuacutecleo atoacutemico 2 Se ha sugerido que la famosa explosioacuten de Tunguska Siberia en 1908 se debioacute a la caiacuteda de un meteorito de antimateria 3 Weinberg y Salam obtuvieron el premio Nobel en 1979 por su trabajo VI EN EL PRINCIPIO ERA iquestDE DOacuteNDE SALIOacute EL UNIVERSO DESPUEacuteS de este breve paseo por el mundo microscoacutepico volvamos a nuestro Universo El primer problema al que nos enfrentamos es el de saber si nuestras teoriacuteas fiacutesicas pueden describir el momento mismo de su nacimiento iquestAcaso tiene sentido hablar del principio del tiempo o considerar densidades y temperaturas infinitas Como sentildealamos en el capiacutetulo anterior la Relatividad General deja de ser vaacutelida a escala del mundo de Planck Es obvio entonces que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es incapaz de describir el Universo cuando teniacutea menos de 10-44 segundos de existencia que es el tiempo de Planck Pero esta limitacioacuten es extremadamente generosa y no todos los fiacutesicos pueden resistir la tentacioacuten de elaborar teoriacuteas sobre el Universo cuando su edad apenas excediacutea el tiempo de Planck Lo que vamos a exponer en el presente capiacutetulo podraacute parecer terriblemente especulativo pero mdashy esto es lo fundamentalmdash estaacute basado en extrapolaciones temerarias pero vaacutelidas de leyes bien establecidas de la fiacutesica Sean o no vaacutelidos para tiempos muy pequentildeos los modelos teoacutericos de Friedmann predicen que en el principio mismo del tiempo la densidad del Universo era infinita A un estado asiacute los fiacutesicos llaman singularidad esto uacutenicamente implica que ninguna ley fiacutesica puede describirlo maacutes que un concepto fiacutesico la singularidad es un reconocimiento de nuestra completa ignorancia Empero podemos sosloyar el problema de la singularidad en forma decorosa si invocamos la invalidez de la Relatividad General para tiempos menores que el tiempo de Planck no estamos obligados a describir lo que queda fuera del campo de la fiacutesica Sin embargo queda la posibilidad de que el Universo en lugar de nacer de una singularidad haya tenido inicios maacutes accesibles al entendimiento De hecho el estado inicial del Universo pudo ser extremadamente simple tan simple como un espacio totalmente vaciacuteo Si eacutese fue el caso iexclla materia surgioacute en alguacuten momento

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electromagneacuteticas su teoriacutea fue confirmada posteriormente con experimentos realizados en aceleradores de partiacuteculas3 iquestPor queacute hasta antildeos recientes los fiacutesicos no habiacutean percibido una relacioacuten entre las interacciones electromagneacuteticas y deacutebiles La respuesta es que en los procesos fiacutesicos entre partiacuteculas elementales que se estudian comuacutenmente las energiacuteas implicadas son relativamente bajas pero a medida que las energiacuteas de las partiacuteculas aumentan las dos interacciones empiezan a parecerse cada vez maacutes hasta que se vuelven indistinguibles por encima de cierta energiacutea criacutetica mdashuna energiacutea que apenas se puede alcanzar en los aceleradores de partiacuteculas construidos recientemente Motivados por el eacutexito de la teoriacutea de Weinberg y Salam los fiacutesicos han tratado de construir una teoriacutea que unifique no soacutelo las interacciones electromagneacuteticas y deacutebiles sino tambieacuten las fuertes con ellas Una teoriacutea asiacute ha sido propuesta en la actualidad pero es extremadamente diacuteficil confirmarla en forma experimental porque la energiacutea criacutetica para la unificacioacuten de esas tres interacciones queda totalmente fuera del alcance de la tecnologiacutea moderna La teoriacutea mencionada predice que el protoacuten no es completamente estable sino que debe de decaer en otras partiacuteculas maacutes ligeras mdashaunque la vida promedio de un protoacuten excede ampliamente la edad del Universo Hasta ahora no se ha podido detectar el decaimiento de ninguacuten protoacuten por lo que la teoriacutea seguramente necesitaraacute modificaciones empero la idea de unificar tres interacciones fundamentales es demasiado atrayente como para desecharla con facilidad Finalmente queda la gran ilusioacuten de los fiacutesicos teoacutericos una teoriacutea unificada de las cuatro interacciones fundamentales Algunos ya estaacuten trabajando en ella y quizaacutes se tengan resultados concretos en el futuro Los fiacutesicos sospechan que tal superunificacioacuten se produce cuando las energiacuteas de las partiacuteculas exceden la energiacutea de Planck es decir la masa de Planck multiplicada por c2 lo cual es una energiacutea fabulosa para una partiacutecula elemental A estas alturas el lector se estaraacute preguntando seguramente iquestqueacute tiene que ver todo lo anterior con el Universo con sus estrellas y sus galaxias Sorprendentemente existe una relacioacuten si el Universo nacioacute en un estado de altiacutesima densidad y temperatura las partiacuteculas que lo componiacutean recorrieron toda la gama de energiacuteas Las eacutepocas maacutes tempranas del Universo soacutelo se pueden estudiar a traveacutes de las teoriacuteas modernas de partiacuteculas elementales reciacuteprocamente la cosmologiacutea puede servir para confirmar o refutar a traveacutes de observaciones astronoacutemicas dichas teoriacuteas Los fiacutesicos de partiacuteculas elementales realizan sus experimentos en aceleradores que requieren de enormes cantidades de energiacutea pero esas energiacuteas son risibles a escala astronoacutemica El espacio coacutesmico es un laboratorio que dispone literalmente de toda la energiacutea del Universo no podemos manejarlo a nuestro antojo pero siacute podemos aprender a interpretar sus mensajes NOTAS 1 Los neutrones soacutelo son estables si estaacuten amarrados en un nuacutecleo atoacutemico 2 Se ha sugerido que la famosa explosioacuten de Tunguska Siberia en 1908 se debioacute a la caiacuteda de un meteorito de antimateria 3 Weinberg y Salam obtuvieron el premio Nobel en 1979 por su trabajo VI EN EL PRINCIPIO ERA iquestDE DOacuteNDE SALIOacute EL UNIVERSO DESPUEacuteS de este breve paseo por el mundo microscoacutepico volvamos a nuestro Universo El primer problema al que nos enfrentamos es el de saber si nuestras teoriacuteas fiacutesicas pueden describir el momento mismo de su nacimiento iquestAcaso tiene sentido hablar del principio del tiempo o considerar densidades y temperaturas infinitas Como sentildealamos en el capiacutetulo anterior la Relatividad General deja de ser vaacutelida a escala del mundo de Planck Es obvio entonces que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es incapaz de describir el Universo cuando teniacutea menos de 10-44 segundos de existencia que es el tiempo de Planck Pero esta limitacioacuten es extremadamente generosa y no todos los fiacutesicos pueden resistir la tentacioacuten de elaborar teoriacuteas sobre el Universo cuando su edad apenas excediacutea el tiempo de Planck Lo que vamos a exponer en el presente capiacutetulo podraacute parecer terriblemente especulativo pero mdashy esto es lo fundamentalmdash estaacute basado en extrapolaciones temerarias pero vaacutelidas de leyes bien establecidas de la fiacutesica Sean o no vaacutelidos para tiempos muy pequentildeos los modelos teoacutericos de Friedmann predicen que en el principio mismo del tiempo la densidad del Universo era infinita A un estado asiacute los fiacutesicos llaman singularidad esto uacutenicamente implica que ninguna ley fiacutesica puede describirlo maacutes que un concepto fiacutesico la singularidad es un reconocimiento de nuestra completa ignorancia Empero podemos sosloyar el problema de la singularidad en forma decorosa si invocamos la invalidez de la Relatividad General para tiempos menores que el tiempo de Planck no estamos obligados a describir lo que queda fuera del campo de la fiacutesica Sin embargo queda la posibilidad de que el Universo en lugar de nacer de una singularidad haya tenido inicios maacutes accesibles al entendimiento De hecho el estado inicial del Universo pudo ser extremadamente simple tan simple como un espacio totalmente vaciacuteo Si eacutese fue el caso iexclla materia surgioacute en alguacuten momento

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de la nada y cierto tiempo despueacutes de esta creacioacuten ex nihilo mdashtiempo no mucho mayor que el de Planckmdash las condiciones fiacutesicas del Universo llegaron a ser como las supuestas por Friedmann soacutelo en ese momento se inicioacute la expansioacuten que conocemos Por extrantildeo que parezca nuestro Universo pudo surgir de un espacio vaciacuteo y eterno sin violar las leyes de la fiacutesica eacutestas soacutelo requieren que se conserven ciertas cantidades como la carga eleacutectrica la energiacutea total y el exceso (o defecto) de partiacuteculas sobre antipartiacuteculas Si el Universo surgioacute de la nada su carga eleacutectrica y su energiacutea total deben haber sido nulas y el nuacutemero de partiacuteculas igual al de antipartiacuteculas tanto ahora como en el principio pues eacutesas eran las condiciones del vaciacuteo primordial veamos si eso es plausible La carga eleacutectrica total del Universo es nula seguacuten lo indican todas las observaciones astronoacutemicas La carga del electroacuten es exactamente la misma en magnitud pero de signo contrario que la del protoacuten y todo indica que el nuacutemero de protones y electrones en el Universo es ideacutentico La energiacutea total del Universo bien podriacutea ser nula En efecto la energiacutea puede ser tanto positiva como negativa En un cuerpo cualquiera la mayor parte de la energiacutea se encuentra en forma de masa seguacuten la foacutermula de Einstein E=mc2 esta energiacutea es positiva Por otra parte la energiacutea gravitacional es negativa lo cual significa simplemente que hay que impartirle energiacutea a un cuerpo para alejarlo de otro que lo atrae gravitacionalmente Ahora bien existe una curiosa relacioacuten entre la energiacutea en forma de masa de un cuerpo cualquiera y su energiacutea gravitacional debida a la atraccioacuten de toda la materia dentro del Universo visible las dos energiacuteas tienen magnitudes comparables (dentro de las incertidumbres inevitables) pero son de signo contrario por lo que resulta factible que se cancelen mutuamente Asiacute la energiacutea total del Universo podriacutea ser nula y la energiacutea en forma de masa estariacutea compensada exactamente por la energiacutea gravitacional Por uacuteltimo iquestpudo nacer el Universo con la misma cantidad de materia y antimateria Vimos anteriormente que las partiacuteculas y antipartiacuteculas pueden coexistir a muy altas temperaturas veremos con maacutes detalle en el siguiente capiacutetulo que eacutesa era la situacioacuten durante los primeros segundos del Universo cuando habiacutea casi la misma cantidad de materia y antimateria Al bajar la temperatura las partiacuteculas y antipartiacuteculas se aniquilaron mutuamente y soacutelo sobrevivioacute un pequentildeo excedente de materia La fiacutesica moderna tiene una explicacioacuten del origen de ese excedente hace algunos antildeos los fiacutesicos encontraron pruebas experimentales de que existe una pequentildeiacutesima asimetriacutea entre el comportamiento de las partiacuteculas y el de las antipartiacuteculas Esa ligera asimetriacutea pudo causar que en los primeros instantes del Universo se formara un poco maacutes de materia que de antimateria iquestQueacute hizo surgir al Universo de la nada Los partidarios de la creacioacuten ex nihilo tienen una respuesta basada en la fiacutesica moderna Seguacuten la mecaacutenica cuaacutentica el vaciacuteo no estaacute realmente vaciacuteo sino repleto de partiacuteculas y antipartiacuteculas llamadas virtuales que se crean y se destruyen azarosamente en una regioacuten microscoacutepica pueden surgir suacutebitamente un electroacuten y un positroacuten que se aniquilan casi inmediatamente en un tiempo demasiado corto para que puedan ser detectados un proceso asiacute se llama fluctuacioacuten cuaacutentica Para los lectores increacutedulos sentildealamos que no todos los fiacutesicos aceptan la existencia de fluctuaciones cuaacutenticas aunque todos admiten que el concepto de vaciacuteo presenta a la luz de la fiacutesica moderna una serie de problemas formidables que auacuten estamos lejos de entender Sea lo que fuere si se admiten las ideas anteriores bien podriacutea ser que el Universo mismo haya sido una fluctuacioacuten cuaacutentica del vaciacuteo iquestY coacutemo se generoacute tal cantidad de materia y antimateria a esto los partidarios de la creacioacuten ex nihilo contestan que despueacutes de todo se dispuso de un tiempo infinito para que alguna vez se produjera una fluctuacioacuten cuaacutentica de la magnitud del Universo Si la probabilidad de un evento es extremadamente pequentildea pero no cero tendraacute que suceder alguna vez si se dispone de tiempo suficiente A la pregunta iquestpor queacute nacioacute el Universo con las propiedades que le conocemos se contesta faacutecilmente de haber nacido otro tipo de Universo no existiriacuteamos nosotros para nombrarlo Y ya para terminar podriacuteamos preguntarnos si tiene sentido el concepto de un espacio vaciacuteo desprovisto de toda materia pero en el cual esteacuten dadas las leyes de fiacutesica Esta pregunta desborda el campo de la fiacutesica y nos lleva de lleno a la metafiacutesica y al misticismo iquestNacioacute el Universo del vaciacuteo o de una singularidad escondida en el mundo inescrutable de Planck Es curioso que el concepto de la Creacioacuten a partir de la nada o de un estado indescriptible (el caos primordial) ha atraiacutedo la imaginacioacuten humana (iquestse trata acaso de un arquetipo junguiano) Queda auacuten otra posibilidad para la Creacioacuten Vimos en el capiacutetulo IV que seguacuten los caacutelculos de Friedmann si la densidad de masa del Universo excede cierto valor la expansioacuten coacutesmica se detendraacute en alguacuten momento y se iniciaraacute una contraccioacuten Eventualmente toda la materia del Universo volveraacute a comprimirse mdashen otra singularidad quizaacutesmdash como en los inicios de la Gran Explosioacuten Si tal es el destino del Universo podemos concebir que la contraccioacuten terminaraacute en una Gran Compresioacuten a la que seguiraacute otra Gran Explosioacuten y asiacute sucesivamente (Figura 35) Un nuacutemero inconmensurable de ciclos se sucederaacute eternamente como en la cosmologiacutea veacutedica Consideraremos la posibilidad de este evento en el siguiente capiacutetulo

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Figura 35 El factor de escala en el Universo ciacuteclico EL UNIVERSO INFLACIONARIO La mayoriacutea de los cosmoacutelogos modernos piensan que independientemente de su origen el Universo empezoacute a expanderse en alguacuten momento tal como lo predice la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Cuando el Universo teniacutea menos de 10-35 segundos (108 veces el tiempo de Planck) las partiacuteculas que lo componiacutean poseiacutean tanta energiacutea que las interacciones fuertes electromaacutegneticas y deacutebiles eran indistinguibles entre siacute mdashen el sentido explicado en el capiacutetulo anteriormdash A los 10-35 segundos la temperatura del Universo era de unos 1028 grados Kelvin si hemos de creer en las teoriacuteas de la Gran Unificacioacuten fue en ese momento cuando las interacciones fuertes se desligaron de las electromagneacuteticas y deacutebiles Hace algunos antildeos se descubrioacute que dichas teoriacuteas predeciacutean un curioso e interesante efecto la separacioacuten de las interacciones fuertes de las otras interacciones debioacute ser un proceso extremadamente explosivo de la materia en el que se liberaron cantidades colosales de energiacutea La consecuencia maacutes importante fue que a los 10-35 segundos el Universo se expandioacute muchiacutesimo maacutes raacutepidamente que lo que se esperariacutea seguacuten el modelo de Friedmann en menos de 10-33 segundos la distancia entre dos puntos materiales aumentoacute por un factor de 1028 o maacutes Este es el modelo del Universo inflacionario (Figura 36)

Figura 36 Evolucioacuten del factor de escala seguacuten el modelo del Universo inflacionario Este modelo se ha vuelto muy popular porque resuelve de un golpe varios problemas de la cosmologiacutea En primer lugar explica por queacute el Universo es homogeacuteneo en todas las direcciones aun en regiones que nunca tuvieron tiempo de influirse entre siacute (volveremos a este problema en el proacuteximo capiacutetulo) Si el Universo sufrioacute una inflacioacuten violenta la materia que estaba inicialmente en contacto fue arrojada en todas direcciones con velocidades cercanas a la de la luz mdashy muy superiores a la velocidad de expansioacuten predicha por los modelos de Friedmannmdash en esta forma regiones del Universo que vemos en direcciones diametralmente opuestas estuvieron en contacto cuando se iniciaba la expansioacuten coacutesmica Otro problema es el de la densidad del Universo en principio eacutesta podriacutea tener cualquier valor pero curiosamente la densidad observada no difiere lo suficiente de la densidad criacutetica para poder decidir por lo menos hasta ahora si el Universo es abierto o cerrado El modelo inflacionario predice que la densidad del Universo debe ser justo la criacutetica lo cual es compatible con las observaciones astronoacutemicas En alguacuten momento la inflacioacuten debioacute de detenerse (eacutesta es la parte maacutes oscura de la teoriacutea) y dar lugar a una expansioacuten como la predicha por Friedmann La evolucioacuten posterior del Universo fue maacutes apacible asiacute por ejemplo a los 10-12 segundos la temperatura habiacutea bajado a 1016 grados Kelvin y fue en ese momento cuando se separaron tambieacuten las interacciones deacutebiles de las electromagneacuteticas este proceso no fue tan catastroacutefico como el que causoacute la inflacioacuten Con el paso de los microsegundos el Universo fue evolucionando y la parte especulativa de la teoriacutea va disminuyendo El concepto del Universo inflacionario estaacute basado en ciertas teoriacuteas de partiacuteculas elementales que auacuten no han sido confirmadas plenamente pero la idea es muy interesante y ofrece la posibilidad de investigar las eacutepocas maacutes remotas del Universo Veremos maacutes adelante que las teoriacuteas mencionadas ofrecen la posibilidad de entender el origen de las galaxias

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VII LOS INSTANTES INICIALES El diaacutemetro del Aleph seriacutea de dos o tres

centiacutemetros pero el espacio coacutesmico estaba ahiacute sin disminucioacuten de tamantildeo

JORGE LUIS BORGES El Aleph LOS PRIMEROS TRES MINUTOS DESPUEacuteS de la inflacioacuten mdashsi realmente ocurrioacutemdash prosiguioacute la expansioacuten coacutesmica de acuerdo con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Debido a sus altiacutesimas temperaturas el Universo debioacute ser inicialmente una sopa de cuarks y anticuarks electrones positrones neutrinos antineutrinos etc que se creaban y aniquilaban continuamente Un milloneacutesimo de segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten la temperatura del Universo habiacutea bajado unos 1013 grados Kelvin se cree que a esas temperaturas los cuarks y anticuarks pueden combinarse para formar las partiacuteculas elementales como el protoacuten el neutroacuten y muchas maacutes incluyendo sus antipartiacuteculas Vamos a seguir la evolucioacuten del Universo a partir de ese momento Despueacutes de un milloneacutesimo de segundo a una temperatura inferior a 1013 grados Kelvin los protones y neutrones ya no pudieron coexistir con sus respectivas antipartiacuteculas y se aniquilaron mutuamente transformando toda su masa en energiacutea en forma de fotones Afortunadamente existiacutea un ligeriacutesimo exceso de materia sobre antimateria que sobrevivioacute por no tener una contraparte con la cual aniquilarse (en el capiacutetulo anterior sentildealamos un posible origen de este exceso) la materia actual es el residuo de lo que quedoacute en aquella eacutepoca Se ha calculado que por cada gramo que sobrevivioacute tuvieron que aniquilarse del orden de mil toneladas de materia y antimateria la cantidad de energiacutea liberada por tal proceso rebasa todo lo concebible Un segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten la temperatura era de unos 1010 grados Kelvin Los constituyentes principales del Universo eran protones electrones positrones neutrinos antineutrinos y fotones Todos ellos interactuaban entre siacute mdashincluyendo los elusivos neutrinos ya que sus energiacuteas y la densidad de la materia eran lo suficientemente altas para no dejarlos libres Los neutrones que no se encuentran formando parte de un nuacutecleo atoacutemico no son partiacuteculas estables Un neutroacuten aislado decae espontaacuteneamente en un protoacuten un electroacuten y un antineutrino La masa de un neutroacuten es ligeramente superior a la de un protoacuten maacutes la de un electroacuten por lo que al decaer esa diferencia de masa se transforma en energiacutea del electroacuten y del antineutrino producidos Por el contrario un protoacuten no decae espontaacuteneamente soacutelo puede transformarse en un neutroacuten si choca con un electroacuten o un antineutrino cuyas energiacuteas sean suficientes como para compensar la diferencia de masa A temperaturas de 1010 grados Kelvin las partiacuteculas elementales en el Universo teniacutean suficiente energiacutea para permitir que los protones y neutrones se transformaran continuamente unos en otros Pero al ir bajando la temperatura disminuyoacute la abundancia de neutrones ya que era cada vez maacutes difiacutecil que se produjeran para reponer los que se transformaban en protones Siguioacute bajando la temperatura a 5 000 millones de grados Kelvin todos los positrones se aniquilaron con los electrones quedando soacutelo el excedente de estos uacuteltimos el resultado final fue un nuacutemero igual de protones y electrones (la carga eleacutectrica neta del Universo es cero) Por esa misma eacutepoca los neutrinos y antineutrinos empezaron a dejar de interactuar con el resto de la materia Despueacutes de tres minutos de iniciada la expansioacuten coacutesmica la temperatura habiacutea bajado a 1 000 millones de grados Kelvin A partir de ese momento la especulacioacuten va a ceder el lugar a los hechos comprobables Hemos sentildealado que la cantidad de neutrones fue disminuyendo con la temperatura pero antes de que desaparecieran por completo las condiciones se volvieron favorables para que entraran en escena nuevos tipos de reacciones Al chocar un protoacuten y un neutroacuten se pueden unir para formar un nuacutecleo de deuterio (hidroacutegeno pesado) A su vez los nuacutecleos de deuterio chocan entre siacute y llegan a formar a traveacutes de varias reacciones nucleares nuacutecleos de helio y elementos maacutes pesados (Figura 37) Lo interesante de este proceso es que ocurre a una temperatura criacutetica de unos 1 000 millones de grados Kelvin A temperaturas superiores los protones y neutrones tienen demasiada energiacutea y destruyen al chocar los nuacutecleos de deuterio que se hayan podido formar A temperaturas menores los nuacutecleos de deuterio mdashque tienen carga eleacutectrica positivamdash no poseen suficiente energiacutea para vencer su repulsioacuten eleacutectrica por lo que les es imposible unirse y formar nuacutecleos maacutes pesados

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Figura 37 Produccioacuten de un nuacutecleo de helio a partir de protones y electrones A temperaturas inferiores a los 1 000 millones de grados Kelvin los nuacutecleos atoacutemicos que lograron formarse no podraacuten volverse a destruir por lo que fijaraacuten la composicioacuten quiacutemica posterior del Universo Todos los caacutelculos teoacutericos indican que despueacutes de tres minutos la masa del Universo quedoacute compuesta aproximadamente por 75 de hidroacutegeno 25 de helio y apenas una traza de otros elementos Eacutesta es la composicioacuten quiacutemica que teniacutea el Universo en una eacutepoca remota antes de que nacieran las estrellas (veremos maacutes adelante que la mayoriacutea de los elementos que encontramos en la Tierra no son primordiales sino que fueron cocinados en el interior de las estrellas) La abundancia de helio primordial se ha podido calcular a partir de observaciones astronoacutemicas y el resultado concuerda extraordinariamente bien con la prediccioacuten teoacuterica eacutesta es una de las pruebas maacutes fuertes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten LA RADIACIOacuteN DE FONDO Despueacutes de tres minutos y durante los siguientes cien mil antildeos no sucedioacute nada particular El Universo siguioacute expandieacutendose y enfriaacutendose continuamente La materia consistiacutea principalmente de nuacutecleos de hidroacutegeno y helio de electrones libres y de fotones (ademaacutes de los neutrinos y antineutrinos que ya no interactuaban con el resto de la materia) en resumen un gas ionizado Como explicamos en el capiacutetulo V la materia en esas condiciones brilla pero no es transparente a la luz debido a que los fotones chocan constantemente con los electrones libres Cuando la temperatura bajoacute a unos 4 000 grados Kelvin la situacioacuten cambioacute draacutesticamente Los electrones que hasta entonces andaban libres pudieron por primera vez combinarse con los nuacutecleos atoacutemicos y formar los primeros aacutetomos eacutesa fue la eacutepoca de la recombinacioacuten La materia en el Universo dejoacute de ser un gas ionizado al no quedar electrones libres los fotones dejaron de interactuar con la materia y siguieron su evolucioacuten por separado A partir de ese momento el Universo se volvioacute transparente En nuestra eacutepoca unos 15 000 millones de antildeos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo se ha enfriado considerablemente pero los fotones que fueron liberados en la eacutepoca de la recombinacioacuten deben estar presentes todaviacutea llenando todo el espacio coacutesmico Esos fotones fueron emitidos por la materia cuando se encontraba a una temperatura de unos 4 000 grados Un gas a algunos miles de grados radia principalmente luz visible e infrarroja pero recordemos que el Universo estaacute en expansioacuten y que por lo tanto la materia que emitioacute los fotones coacutesmicos se estaacute alejando actualmente de nosotros a velocidades muy cercanas a la de la luz Por lo tanto los fotones emitidos han sufrido un enorme corrimiento al rojo la teoriacutea predice que deben de observarse en nuestra eacutepoca en forma de ondas de radio Eacutesta es la forma de radiacioacuten que emite un cuerpo a unos cuantos grados sobre el cero absoluto que corresponderiacutea en consecuencia a la temperatura actual del Universo En 1965 los radioastroacutenomos estadunidenses Penzias y Wilson descubrieron una deacutebil sentildeal de radio que proveniacutea uniformemente de todas las regiones del firmamento sin variar ni con la direccioacuten ni con el tiempo (Figura 38) Al principio pensaron que era un defecto de su antena de radio y trataron de eliminarla por todos los medios Pero la sentildeal seguiacutea ahiacute Finalmente se convencieron de que teniacutea un origen coacutesmico eran los fotones foacutesiles que quedaron de la eacutepoca de la recombinacioacuten Maacutes auacuten determinaron que la temperatura actual del Universo (derivada de la energiacutea de esos fotones foacutesiles) es de unos tres grados sobre el cero absoluto El descubrimiento de esta radiacioacuten de fondo es otra de las pruebas maacutes importantes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten iquestFINITO O INFINITO Regresemos por un momento al problema de la extensioacuten del Universo y reexamineacutemoslo a la luz de la cosmologiacutea moderna iquestEs el Universo finito o infinito Hemos visto que los modelos de Friedmann admiten dos posibilidades un universo cerrado sobre siacute mismo que se expande hasta cierto punto y luego se contrae y un

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universo abierto de volumen infinito que se expande eternamente (el primer caso estaacute acorde con la concepcioacuten original de Einstein de un universo limitado pero sin fronteras) En principio el Universo es abierto o cerrado seguacuten si su densidad de masa en el momento actual excede o no cierto valor criacutetico que seguacuten los modelos de Friedmann estaacute dado por la foacutermula

donde H es la constante de Hubble y G la constante gravitacional Este valor resulta ser de unos 2 X 10-29 gramos por centiacutemetro cuacutebico o algo asiacute como diez aacutetomos de hidroacutegeno por metro cuacutebico Desgraciadamente auacuten no se ha podido determinar con suficiente precisioacuten la densidad real del Universo para compararla con la criacutetica (Unos cuantos aacutetomos por metro cuacutebico parece una densidad extremadamente baja pero no debemos olvidar que los cuerpos densos como las estrellas y los planetas son apenas puntos en la inmensidad del vaciacuteo coacutesmico la densidad a la que nos referimos es un promedio universal) Los astroacutenomos han estimado que si la masa en el Universo es principalmente la de las estrellas que brillan entonces la densidad del Universo no llegariacutea a una centeacutesima de la criacutetica y el Universo por lo tanto debe ser abierto Sin embargo no es evidente que la mayor parte de la materia en el Universo brille lo suficiente para ser visible Se ha podido demostrar que las galaxias en los cuacutemulos galaacutecticos no podriacutean mantenerse unidas por su mutua atraccioacuten gravitacional a menos de que sus masas fueran sensiblemente superiores a la visible El problema de la masa faltante auacuten no se ha podido resolver satisfactoriamente Esta masa podriacutea encontrarse en forma de estrellas enanas casi sin brillo de nubes opacas de halos galaacutecticos de gas intergalaacutectico de polvo de pedruscos de hoyos negros o hasta de partiacuteculas elementales exoacuteticas que interactuacutean soacutelo gravitacional o deacutebilmente con la materia comuacuten y que por lo tanto no pueden descubrirse directamente Existe una manera indirecta de determinar la densidad del Universo Seguacuten los caacutelculos de los cosmoacutelogos las abundancias de los elementos quiacutemicos que se produjeron a los tres minutos dependen de la velocidad de expansioacuten del Universo y eacutesta a su vez depende de su densidad Se ha demostrado que la abundancia del helio primordial debe de variar entre 25 y 30 seguacuten la densidad del Universo mdashen otras palabras seguacuten si es abierto o cerradomdash por otra parte la abundancia del deuterio primordial es muy sensible a la densidad pero siendo este elemento muy raro es mucho maacutes difiacutecil detectarlo No es un problema simple estimar a partir de observaciones astronoacutemicas cuaacutel fue la composicioacuten primordial de la materia porque las estrellas han estado contaminando el medio interestelar como veremos en el capiacutetulo siguiente Pero aun aproximadas las determinaciones maacutes recientes de la cantidad de helio y deuterio primordiales son compatibles con un Universo abierto indican que la densidad del Universo es superior a la de la materia visible pero no excede la densidad criacutetica Recordemos que seguacuten la teoriacutea inflacionaria la densidad real deberiacutea ser justamente la criacutetica Hace algunos antildeos un grupo de fiacutesicos sovieacuteticos anuncioacute un descubrimiento que causoacute mucho revuelo el neutrino pareciacutea tener en contra de lo que se creiacutea una pequentildea masa Auacuten no hay unanimidad entre los fiacutesicos sobre este hallazgo y todaviacutea no se ha podido confirmar por medio de experimentos independientes pero si la masa del neutrino no es exactamente cero se tendriacutean repercusiones muy interesantes para la cosmologiacutea En primer lugar la mayor parte de la masa coacutesmica podriacutea encontrarse en forma de neutrinos iexcly hasta ser suficiente para cerrar el Universo Tambieacuten podriacutea ser que la masa faltante de los cuacutemulos de galaxias esteacute constituida por neutrinos atrapados por la atraccioacuten gravitacional de eacutestas Y quizaacutes estamos nadando en un mar de neutrinos sin sospecharlo En un futuro cercano sabremos con certeza si el destino del Universo estaacute regido por estas partiacuteculas fantasmas EL HORIZONTE DEL UNIVERSO Si el Universo fuera abierto su volumen seriacutea infinito y por lo tanto tambieacuten su masa seriacutea infinita Sin embargo debemos distinguir entre el Universo como un todo y la parte de eacutel que es accesible a nuestras observaciones Si el Universo nacioacute hace quince mil millones de antildeos no podemos ver objetos que se encuentren maacutes lejanos que la distancia de quince mil millones de antildeos luz pues la luz emitida por ellos necesitariacutea un tiempo superior a la edad del Universo para llegar a nosotros Asiacute nuestro Universo visible llega hasta un horizonte que se encuentra a unos quince mil millones de antildeos luz Evidentemente el volumen y la masa del Universo visible son finitos Mientras maacutes lejos vemos en el Universo vemos maacutes atraacutes en el tiempo Objetos que se encuentran a mil antildeos luz por ejemplo se ven como eran hace mil antildeos del mismo modo si pudieacuteramos ver el horizonte del Universo estariacuteamos observando el momento mismo de la Creacioacuten Y si no es posible ver nada detraacutes del horizonte es porque maacutes allaacute de eacutel auacuten no habiacutea nacido el Universo Sin embargo con el fin de no especular innecesariamente recordemos que de todos modos la materia del Universo no era transparente en el principio por lo que no podemos observar aquello que sucedioacute antes del momento de la recombinacioacuten (Figura 39)

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Figura 39 La parte del Universo accesible a nuestras observaciones se encuentra dentro del horizonte coacutesmico que corresponde justamente al lugar y momento de la Gran Explosioacuten El Universo no era transparente en un principio asiacute que no podemos ver directamente lo que sucedioacute durante los primeros cientos de miles de antildeos del Universo Al volverse transparente los fotones emitidos por la materia incandescente se liberaron suacutebitamente y ahora los observamos como la radiacioacuten de fondo El horizonte del Universo se ensancha un antildeo luz cada antildeo y al pasar el tiempo vemos objetos cada vez maacutes lejanos Del mismo modo el horizonte era maacutes estrecho en el pasado por ejemplo al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck 10-10 segundos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo visible era del tamantildeo del Aleph de Borges y un segundo despueacutes habiacutea alcanzado un radio de 300 000 kiloacutemetros Seguacuten indican todas las observaciones astronoacutemicas que se han efectuado hasta ahora la distribucioacuten promedio de la materia es homogeacutenea en todo nuestro Universo visible Esta homogeneidad ha sido en siacute todo un enigma Si consideramos dos regiones del Universo cercanas a nuestro horizonte pero en direcciones diametralmente opuestas encontramos que sus densidades son las mismas a pesar de que el tiempo que tardariacutean en influenciarse fiacutesicamente es mayor que la edad del Universo (no olvidemos que ninguna sentildeal interaccioacuten o cuerpo material puede viajar maacutes raacutepido que la luz) iquestCoacutemo regiones tan alejadas pudieron ponerse de acuerdo para adquirir la misma densidad De nada sirve invocar el hecho de que inicialmente la materia del Universo estaba muy concentrada pues al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck y no podiacutea haber influencia entre regiones maacutes alejadas entre siacute que esa distancia regiones muy lejanas del Universo que ahora vemos en direcciones opuestas tampoco tuvieron tiempo de influenciarse en eacutepocas muy remotas a pesar de estar maacutes cerca entre siacute Como vimos en el capiacutetulo anterior la teoriacutea del Universo inflacionario ofrece una solucioacuten al problema de la homogeneidad Por uacuteltimo sentildealemos que nada nos garantiza que en un futuro muy remoto cuando el horizonte coacutesmico se haya ensanchado algunos miles de millones de antildeos luz maacutes no se revele una nueva estructura coacutesmica que no corresponda a los modelos de Friedmann Pero dejemos ese problema a nuestros sucesores en el Universo VIII OTRAS TEORIacuteAS DEL UNIVERSO iquestPOR QUEacute LA GRAN EXPLOSIOacuteN LA MAYORIacuteA de los fiacutesicos y astroacutenomos de la actualidad estaacute convencida de que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es esencialmente correcta Las pruebas maacutes fuertes aparte de la expansioacuten misma del Universo son la radiacioacuten de fondo y la abundancia del helio primordial Estos dos descubrimientos relativamente recientes inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosioacuten Hay que insistir en que esta teoriacutea no es un dogma mdashnadie pretende que lo seamdash sino una explicacioacuten simple y natural de varios hechos observacionales que de otra forma no pueden comprenderse y mucho menos relacionarse entre siacute Por otra parte la objecioacuten maacutes seria a la teoriacutea de la Gran Explosioacuten era que la edad del Universo deducida de los datos de Hubble resultaba incoacutemodamente corta pues no excediacutea la edad de la Tierra calculada por meacutetodos geoloacutegicos pero este escollo fue superado cuando en los antildeos cincuentas se revisaron todos los datos observacionales y se encontroacute que la expansioacuten del Universo era maacutes lenta que la estimada por Hubble y por lo tanto la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba En cuanto al aspecto teoacuterico se puede cuestionar la validez de la Relatividad General sobre la cual estaacute basada la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Nadie duda de que la mecaacutenica de Newton tiene limitaciones pero se han propuesto otras teoriacuteas gravitacionales que tambieacuten la generalizan Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cuaacutel teoriacutea gravitacional es la correcta hasta ahora la de Einstein ha pasado todas las pruebas mientras que otras teoriacuteas se han enfrentado a serias

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dificultades Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada maacutes allaacute de toda duda En todo caso el gran meacuterito de esta teoriacutea es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos que la distinguen de teoriacuteas rivales si la esteacutetica tiene alguacuten valor en las leyes de la naturaleza entonces podemos confiar en la Relatividad General Para no ser parciales vamos a citar a continuacioacuten algunas de las teoriacuteas cosmoloacutegicas rivales de la Gran Explosioacuten sentildealando cuando asiacute sea el caso las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente Algunas de estas teoriacuteas proponen premisas totalmente distintas de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten mientras que otras son variaciones sobre este tema LA TEORIacuteA DEL ESTADO ESTACIONARIO Aquellos que rehuacutesan aceptar que el Universo tuvo un principio pueden encontrar una opcioacuten satisfactoria en la teoriacutea del estado estacionario Seguacuten eacutesta el Universo no soacutelo es uniforme en el espacio sino tambieacuten en el tiempo asiacute como a gran escala una regioacuten del Universo es semejante a otra del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier eacutepoca ya que el Universo existe desde tiempos infinitos Pero iquestcoacutemo reconciliar la expansioacuten del Universo con su apariencia eterna Si se expande su densidad debe de disminuir al paso del tiempo La hipoacutetesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansioacuten Para ello es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kiloacutemetro cuacutebico cada antildeo masa que equivale a apenas un aacutetomo de hidroacutegeno Evidentemente queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe Por otra parte la teoriacutea no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio podriacutea ser que nace en regiones muy especiacuteficas como por ejemplo en los nuacutecleos de las galaxias donde ocurren fenoacutemenos muy extrantildeos como veremos en el capiacutetulo X La teoriacutea del estado estacionario perdioacute su popularidad cuando se descubrioacute la radiacioacuten de fondo ya que no la explica de manera natural en contraste con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Ademaacutes la suposicioacuten de que se crea masa y justamente en la proporcioacuten necesaria para mantener constante la densidad del Universo es totalmente ad hoc y no estaacute sustentada en ninguna teoriacutea fiacutesica o hecho observado LA HIPOacuteTESIS DEL FOTOacuteN CANSADO Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las liacuteneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler eacutesta es la uacutenica explicacioacuten en el marco de la fiacutesica contemporaacutenea Sin embargo no puede excluirse la posibilidad de que alguacuten fenoacutemeno desconocido y no la recesioacuten de las galaxias sea la causa del corrimiento El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto Siempre tuvo cuidado de sentildealar que el corrimiento al rojo se debe probablemente al efecto Doppler pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori La aprehensioacuten de Hubble se debiacutea a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra Cuando esta aparente contradiccioacuten se resolvioacute cobroacute nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros Si no se acepta que el Universo estaacute en expansioacuten sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia soacutelo se puede postular que los fotones pierden energiacutea mdashse cansanmdash al atravesar las distancias coacutesmicas por lo que nos llegan con menos energiacutea de la que disponiacutean al iniciar su travesiacutea mdasho sea corridos hacia el rojomdash Empero nuestros conocimientos de la fiacutesica no aportan ninguacuten sustento a esta hipoacutetesis Un fotoacuten no puede perder energiacutea a menos de que choque con otra partiacutecula pero esto provoca tambieacuten que la trayectoria del fotoacuten se desviacutee Despueacutes de un gran nuacutemero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desviacutean aleatoriamente volviendo borrosa la imagen Sin embargo nada de esto sucede con las galaxias sus imaacutegenes son niacutetidas sus liacuteneas espectrales estaacuten claramente localizadas y los objetos coacutesmicos maacutes lejanos no se ven como manchas borrosas La uacutenica otra circunstancia que se conoce en la que un fotoacuten pierde energiacutea es cuando tiene que escapar de la atraccioacuten gravitacional de un cuerpo masivo Sin embargo se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las liacuteneas espectrales se ensanchen notablemente lo cual no se ha detectado Ademaacutes una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensioacuten mientras que su masa estaacute concentrada en su nuacutecleo y por lo tanto su atraccioacuten gravitacional es maacutes intensa alliacute iquestES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIOacuteN iquestDe queacute orden de magnitud es el tiempo caracteriacutestico de los procesos atoacutemicos Si combinamos la carga q de un electroacuten con su masa m y la velocidad de la luz c podemos formar la cantidad q2mc3 que tiene unidades de tiempo equivale a unos 10-23 segundos y es la unidad de tiempo maacutes apropiada para describir los fenoacutemenos atoacutemicos1

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Figura 35 El factor de escala en el Universo ciacuteclico EL UNIVERSO INFLACIONARIO La mayoriacutea de los cosmoacutelogos modernos piensan que independientemente de su origen el Universo empezoacute a expanderse en alguacuten momento tal como lo predice la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Cuando el Universo teniacutea menos de 10-35 segundos (108 veces el tiempo de Planck) las partiacuteculas que lo componiacutean poseiacutean tanta energiacutea que las interacciones fuertes electromaacutegneticas y deacutebiles eran indistinguibles entre siacute mdashen el sentido explicado en el capiacutetulo anteriormdash A los 10-35 segundos la temperatura del Universo era de unos 1028 grados Kelvin si hemos de creer en las teoriacuteas de la Gran Unificacioacuten fue en ese momento cuando las interacciones fuertes se desligaron de las electromagneacuteticas y deacutebiles Hace algunos antildeos se descubrioacute que dichas teoriacuteas predeciacutean un curioso e interesante efecto la separacioacuten de las interacciones fuertes de las otras interacciones debioacute ser un proceso extremadamente explosivo de la materia en el que se liberaron cantidades colosales de energiacutea La consecuencia maacutes importante fue que a los 10-35 segundos el Universo se expandioacute muchiacutesimo maacutes raacutepidamente que lo que se esperariacutea seguacuten el modelo de Friedmann en menos de 10-33 segundos la distancia entre dos puntos materiales aumentoacute por un factor de 1028 o maacutes Este es el modelo del Universo inflacionario (Figura 36)

Figura 36 Evolucioacuten del factor de escala seguacuten el modelo del Universo inflacionario Este modelo se ha vuelto muy popular porque resuelve de un golpe varios problemas de la cosmologiacutea En primer lugar explica por queacute el Universo es homogeacuteneo en todas las direcciones aun en regiones que nunca tuvieron tiempo de influirse entre siacute (volveremos a este problema en el proacuteximo capiacutetulo) Si el Universo sufrioacute una inflacioacuten violenta la materia que estaba inicialmente en contacto fue arrojada en todas direcciones con velocidades cercanas a la de la luz mdashy muy superiores a la velocidad de expansioacuten predicha por los modelos de Friedmannmdash en esta forma regiones del Universo que vemos en direcciones diametralmente opuestas estuvieron en contacto cuando se iniciaba la expansioacuten coacutesmica Otro problema es el de la densidad del Universo en principio eacutesta podriacutea tener cualquier valor pero curiosamente la densidad observada no difiere lo suficiente de la densidad criacutetica para poder decidir por lo menos hasta ahora si el Universo es abierto o cerrado El modelo inflacionario predice que la densidad del Universo debe ser justo la criacutetica lo cual es compatible con las observaciones astronoacutemicas En alguacuten momento la inflacioacuten debioacute de detenerse (eacutesta es la parte maacutes oscura de la teoriacutea) y dar lugar a una expansioacuten como la predicha por Friedmann La evolucioacuten posterior del Universo fue maacutes apacible asiacute por ejemplo a los 10-12 segundos la temperatura habiacutea bajado a 1016 grados Kelvin y fue en ese momento cuando se separaron tambieacuten las interacciones deacutebiles de las electromagneacuteticas este proceso no fue tan catastroacutefico como el que causoacute la inflacioacuten Con el paso de los microsegundos el Universo fue evolucionando y la parte especulativa de la teoriacutea va disminuyendo El concepto del Universo inflacionario estaacute basado en ciertas teoriacuteas de partiacuteculas elementales que auacuten no han sido confirmadas plenamente pero la idea es muy interesante y ofrece la posibilidad de investigar las eacutepocas maacutes remotas del Universo Veremos maacutes adelante que las teoriacuteas mencionadas ofrecen la posibilidad de entender el origen de las galaxias

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VII LOS INSTANTES INICIALES El diaacutemetro del Aleph seriacutea de dos o tres

centiacutemetros pero el espacio coacutesmico estaba ahiacute sin disminucioacuten de tamantildeo

JORGE LUIS BORGES El Aleph LOS PRIMEROS TRES MINUTOS DESPUEacuteS de la inflacioacuten mdashsi realmente ocurrioacutemdash prosiguioacute la expansioacuten coacutesmica de acuerdo con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Debido a sus altiacutesimas temperaturas el Universo debioacute ser inicialmente una sopa de cuarks y anticuarks electrones positrones neutrinos antineutrinos etc que se creaban y aniquilaban continuamente Un milloneacutesimo de segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten la temperatura del Universo habiacutea bajado unos 1013 grados Kelvin se cree que a esas temperaturas los cuarks y anticuarks pueden combinarse para formar las partiacuteculas elementales como el protoacuten el neutroacuten y muchas maacutes incluyendo sus antipartiacuteculas Vamos a seguir la evolucioacuten del Universo a partir de ese momento Despueacutes de un milloneacutesimo de segundo a una temperatura inferior a 1013 grados Kelvin los protones y neutrones ya no pudieron coexistir con sus respectivas antipartiacuteculas y se aniquilaron mutuamente transformando toda su masa en energiacutea en forma de fotones Afortunadamente existiacutea un ligeriacutesimo exceso de materia sobre antimateria que sobrevivioacute por no tener una contraparte con la cual aniquilarse (en el capiacutetulo anterior sentildealamos un posible origen de este exceso) la materia actual es el residuo de lo que quedoacute en aquella eacutepoca Se ha calculado que por cada gramo que sobrevivioacute tuvieron que aniquilarse del orden de mil toneladas de materia y antimateria la cantidad de energiacutea liberada por tal proceso rebasa todo lo concebible Un segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten la temperatura era de unos 1010 grados Kelvin Los constituyentes principales del Universo eran protones electrones positrones neutrinos antineutrinos y fotones Todos ellos interactuaban entre siacute mdashincluyendo los elusivos neutrinos ya que sus energiacuteas y la densidad de la materia eran lo suficientemente altas para no dejarlos libres Los neutrones que no se encuentran formando parte de un nuacutecleo atoacutemico no son partiacuteculas estables Un neutroacuten aislado decae espontaacuteneamente en un protoacuten un electroacuten y un antineutrino La masa de un neutroacuten es ligeramente superior a la de un protoacuten maacutes la de un electroacuten por lo que al decaer esa diferencia de masa se transforma en energiacutea del electroacuten y del antineutrino producidos Por el contrario un protoacuten no decae espontaacuteneamente soacutelo puede transformarse en un neutroacuten si choca con un electroacuten o un antineutrino cuyas energiacuteas sean suficientes como para compensar la diferencia de masa A temperaturas de 1010 grados Kelvin las partiacuteculas elementales en el Universo teniacutean suficiente energiacutea para permitir que los protones y neutrones se transformaran continuamente unos en otros Pero al ir bajando la temperatura disminuyoacute la abundancia de neutrones ya que era cada vez maacutes difiacutecil que se produjeran para reponer los que se transformaban en protones Siguioacute bajando la temperatura a 5 000 millones de grados Kelvin todos los positrones se aniquilaron con los electrones quedando soacutelo el excedente de estos uacuteltimos el resultado final fue un nuacutemero igual de protones y electrones (la carga eleacutectrica neta del Universo es cero) Por esa misma eacutepoca los neutrinos y antineutrinos empezaron a dejar de interactuar con el resto de la materia Despueacutes de tres minutos de iniciada la expansioacuten coacutesmica la temperatura habiacutea bajado a 1 000 millones de grados Kelvin A partir de ese momento la especulacioacuten va a ceder el lugar a los hechos comprobables Hemos sentildealado que la cantidad de neutrones fue disminuyendo con la temperatura pero antes de que desaparecieran por completo las condiciones se volvieron favorables para que entraran en escena nuevos tipos de reacciones Al chocar un protoacuten y un neutroacuten se pueden unir para formar un nuacutecleo de deuterio (hidroacutegeno pesado) A su vez los nuacutecleos de deuterio chocan entre siacute y llegan a formar a traveacutes de varias reacciones nucleares nuacutecleos de helio y elementos maacutes pesados (Figura 37) Lo interesante de este proceso es que ocurre a una temperatura criacutetica de unos 1 000 millones de grados Kelvin A temperaturas superiores los protones y neutrones tienen demasiada energiacutea y destruyen al chocar los nuacutecleos de deuterio que se hayan podido formar A temperaturas menores los nuacutecleos de deuterio mdashque tienen carga eleacutectrica positivamdash no poseen suficiente energiacutea para vencer su repulsioacuten eleacutectrica por lo que les es imposible unirse y formar nuacutecleos maacutes pesados

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Figura 37 Produccioacuten de un nuacutecleo de helio a partir de protones y electrones A temperaturas inferiores a los 1 000 millones de grados Kelvin los nuacutecleos atoacutemicos que lograron formarse no podraacuten volverse a destruir por lo que fijaraacuten la composicioacuten quiacutemica posterior del Universo Todos los caacutelculos teoacutericos indican que despueacutes de tres minutos la masa del Universo quedoacute compuesta aproximadamente por 75 de hidroacutegeno 25 de helio y apenas una traza de otros elementos Eacutesta es la composicioacuten quiacutemica que teniacutea el Universo en una eacutepoca remota antes de que nacieran las estrellas (veremos maacutes adelante que la mayoriacutea de los elementos que encontramos en la Tierra no son primordiales sino que fueron cocinados en el interior de las estrellas) La abundancia de helio primordial se ha podido calcular a partir de observaciones astronoacutemicas y el resultado concuerda extraordinariamente bien con la prediccioacuten teoacuterica eacutesta es una de las pruebas maacutes fuertes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten LA RADIACIOacuteN DE FONDO Despueacutes de tres minutos y durante los siguientes cien mil antildeos no sucedioacute nada particular El Universo siguioacute expandieacutendose y enfriaacutendose continuamente La materia consistiacutea principalmente de nuacutecleos de hidroacutegeno y helio de electrones libres y de fotones (ademaacutes de los neutrinos y antineutrinos que ya no interactuaban con el resto de la materia) en resumen un gas ionizado Como explicamos en el capiacutetulo V la materia en esas condiciones brilla pero no es transparente a la luz debido a que los fotones chocan constantemente con los electrones libres Cuando la temperatura bajoacute a unos 4 000 grados Kelvin la situacioacuten cambioacute draacutesticamente Los electrones que hasta entonces andaban libres pudieron por primera vez combinarse con los nuacutecleos atoacutemicos y formar los primeros aacutetomos eacutesa fue la eacutepoca de la recombinacioacuten La materia en el Universo dejoacute de ser un gas ionizado al no quedar electrones libres los fotones dejaron de interactuar con la materia y siguieron su evolucioacuten por separado A partir de ese momento el Universo se volvioacute transparente En nuestra eacutepoca unos 15 000 millones de antildeos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo se ha enfriado considerablemente pero los fotones que fueron liberados en la eacutepoca de la recombinacioacuten deben estar presentes todaviacutea llenando todo el espacio coacutesmico Esos fotones fueron emitidos por la materia cuando se encontraba a una temperatura de unos 4 000 grados Un gas a algunos miles de grados radia principalmente luz visible e infrarroja pero recordemos que el Universo estaacute en expansioacuten y que por lo tanto la materia que emitioacute los fotones coacutesmicos se estaacute alejando actualmente de nosotros a velocidades muy cercanas a la de la luz Por lo tanto los fotones emitidos han sufrido un enorme corrimiento al rojo la teoriacutea predice que deben de observarse en nuestra eacutepoca en forma de ondas de radio Eacutesta es la forma de radiacioacuten que emite un cuerpo a unos cuantos grados sobre el cero absoluto que corresponderiacutea en consecuencia a la temperatura actual del Universo En 1965 los radioastroacutenomos estadunidenses Penzias y Wilson descubrieron una deacutebil sentildeal de radio que proveniacutea uniformemente de todas las regiones del firmamento sin variar ni con la direccioacuten ni con el tiempo (Figura 38) Al principio pensaron que era un defecto de su antena de radio y trataron de eliminarla por todos los medios Pero la sentildeal seguiacutea ahiacute Finalmente se convencieron de que teniacutea un origen coacutesmico eran los fotones foacutesiles que quedaron de la eacutepoca de la recombinacioacuten Maacutes auacuten determinaron que la temperatura actual del Universo (derivada de la energiacutea de esos fotones foacutesiles) es de unos tres grados sobre el cero absoluto El descubrimiento de esta radiacioacuten de fondo es otra de las pruebas maacutes importantes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten iquestFINITO O INFINITO Regresemos por un momento al problema de la extensioacuten del Universo y reexamineacutemoslo a la luz de la cosmologiacutea moderna iquestEs el Universo finito o infinito Hemos visto que los modelos de Friedmann admiten dos posibilidades un universo cerrado sobre siacute mismo que se expande hasta cierto punto y luego se contrae y un

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universo abierto de volumen infinito que se expande eternamente (el primer caso estaacute acorde con la concepcioacuten original de Einstein de un universo limitado pero sin fronteras) En principio el Universo es abierto o cerrado seguacuten si su densidad de masa en el momento actual excede o no cierto valor criacutetico que seguacuten los modelos de Friedmann estaacute dado por la foacutermula

donde H es la constante de Hubble y G la constante gravitacional Este valor resulta ser de unos 2 X 10-29 gramos por centiacutemetro cuacutebico o algo asiacute como diez aacutetomos de hidroacutegeno por metro cuacutebico Desgraciadamente auacuten no se ha podido determinar con suficiente precisioacuten la densidad real del Universo para compararla con la criacutetica (Unos cuantos aacutetomos por metro cuacutebico parece una densidad extremadamente baja pero no debemos olvidar que los cuerpos densos como las estrellas y los planetas son apenas puntos en la inmensidad del vaciacuteo coacutesmico la densidad a la que nos referimos es un promedio universal) Los astroacutenomos han estimado que si la masa en el Universo es principalmente la de las estrellas que brillan entonces la densidad del Universo no llegariacutea a una centeacutesima de la criacutetica y el Universo por lo tanto debe ser abierto Sin embargo no es evidente que la mayor parte de la materia en el Universo brille lo suficiente para ser visible Se ha podido demostrar que las galaxias en los cuacutemulos galaacutecticos no podriacutean mantenerse unidas por su mutua atraccioacuten gravitacional a menos de que sus masas fueran sensiblemente superiores a la visible El problema de la masa faltante auacuten no se ha podido resolver satisfactoriamente Esta masa podriacutea encontrarse en forma de estrellas enanas casi sin brillo de nubes opacas de halos galaacutecticos de gas intergalaacutectico de polvo de pedruscos de hoyos negros o hasta de partiacuteculas elementales exoacuteticas que interactuacutean soacutelo gravitacional o deacutebilmente con la materia comuacuten y que por lo tanto no pueden descubrirse directamente Existe una manera indirecta de determinar la densidad del Universo Seguacuten los caacutelculos de los cosmoacutelogos las abundancias de los elementos quiacutemicos que se produjeron a los tres minutos dependen de la velocidad de expansioacuten del Universo y eacutesta a su vez depende de su densidad Se ha demostrado que la abundancia del helio primordial debe de variar entre 25 y 30 seguacuten la densidad del Universo mdashen otras palabras seguacuten si es abierto o cerradomdash por otra parte la abundancia del deuterio primordial es muy sensible a la densidad pero siendo este elemento muy raro es mucho maacutes difiacutecil detectarlo No es un problema simple estimar a partir de observaciones astronoacutemicas cuaacutel fue la composicioacuten primordial de la materia porque las estrellas han estado contaminando el medio interestelar como veremos en el capiacutetulo siguiente Pero aun aproximadas las determinaciones maacutes recientes de la cantidad de helio y deuterio primordiales son compatibles con un Universo abierto indican que la densidad del Universo es superior a la de la materia visible pero no excede la densidad criacutetica Recordemos que seguacuten la teoriacutea inflacionaria la densidad real deberiacutea ser justamente la criacutetica Hace algunos antildeos un grupo de fiacutesicos sovieacuteticos anuncioacute un descubrimiento que causoacute mucho revuelo el neutrino pareciacutea tener en contra de lo que se creiacutea una pequentildea masa Auacuten no hay unanimidad entre los fiacutesicos sobre este hallazgo y todaviacutea no se ha podido confirmar por medio de experimentos independientes pero si la masa del neutrino no es exactamente cero se tendriacutean repercusiones muy interesantes para la cosmologiacutea En primer lugar la mayor parte de la masa coacutesmica podriacutea encontrarse en forma de neutrinos iexcly hasta ser suficiente para cerrar el Universo Tambieacuten podriacutea ser que la masa faltante de los cuacutemulos de galaxias esteacute constituida por neutrinos atrapados por la atraccioacuten gravitacional de eacutestas Y quizaacutes estamos nadando en un mar de neutrinos sin sospecharlo En un futuro cercano sabremos con certeza si el destino del Universo estaacute regido por estas partiacuteculas fantasmas EL HORIZONTE DEL UNIVERSO Si el Universo fuera abierto su volumen seriacutea infinito y por lo tanto tambieacuten su masa seriacutea infinita Sin embargo debemos distinguir entre el Universo como un todo y la parte de eacutel que es accesible a nuestras observaciones Si el Universo nacioacute hace quince mil millones de antildeos no podemos ver objetos que se encuentren maacutes lejanos que la distancia de quince mil millones de antildeos luz pues la luz emitida por ellos necesitariacutea un tiempo superior a la edad del Universo para llegar a nosotros Asiacute nuestro Universo visible llega hasta un horizonte que se encuentra a unos quince mil millones de antildeos luz Evidentemente el volumen y la masa del Universo visible son finitos Mientras maacutes lejos vemos en el Universo vemos maacutes atraacutes en el tiempo Objetos que se encuentran a mil antildeos luz por ejemplo se ven como eran hace mil antildeos del mismo modo si pudieacuteramos ver el horizonte del Universo estariacuteamos observando el momento mismo de la Creacioacuten Y si no es posible ver nada detraacutes del horizonte es porque maacutes allaacute de eacutel auacuten no habiacutea nacido el Universo Sin embargo con el fin de no especular innecesariamente recordemos que de todos modos la materia del Universo no era transparente en el principio por lo que no podemos observar aquello que sucedioacute antes del momento de la recombinacioacuten (Figura 39)

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Figura 39 La parte del Universo accesible a nuestras observaciones se encuentra dentro del horizonte coacutesmico que corresponde justamente al lugar y momento de la Gran Explosioacuten El Universo no era transparente en un principio asiacute que no podemos ver directamente lo que sucedioacute durante los primeros cientos de miles de antildeos del Universo Al volverse transparente los fotones emitidos por la materia incandescente se liberaron suacutebitamente y ahora los observamos como la radiacioacuten de fondo El horizonte del Universo se ensancha un antildeo luz cada antildeo y al pasar el tiempo vemos objetos cada vez maacutes lejanos Del mismo modo el horizonte era maacutes estrecho en el pasado por ejemplo al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck 10-10 segundos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo visible era del tamantildeo del Aleph de Borges y un segundo despueacutes habiacutea alcanzado un radio de 300 000 kiloacutemetros Seguacuten indican todas las observaciones astronoacutemicas que se han efectuado hasta ahora la distribucioacuten promedio de la materia es homogeacutenea en todo nuestro Universo visible Esta homogeneidad ha sido en siacute todo un enigma Si consideramos dos regiones del Universo cercanas a nuestro horizonte pero en direcciones diametralmente opuestas encontramos que sus densidades son las mismas a pesar de que el tiempo que tardariacutean en influenciarse fiacutesicamente es mayor que la edad del Universo (no olvidemos que ninguna sentildeal interaccioacuten o cuerpo material puede viajar maacutes raacutepido que la luz) iquestCoacutemo regiones tan alejadas pudieron ponerse de acuerdo para adquirir la misma densidad De nada sirve invocar el hecho de que inicialmente la materia del Universo estaba muy concentrada pues al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck y no podiacutea haber influencia entre regiones maacutes alejadas entre siacute que esa distancia regiones muy lejanas del Universo que ahora vemos en direcciones opuestas tampoco tuvieron tiempo de influenciarse en eacutepocas muy remotas a pesar de estar maacutes cerca entre siacute Como vimos en el capiacutetulo anterior la teoriacutea del Universo inflacionario ofrece una solucioacuten al problema de la homogeneidad Por uacuteltimo sentildealemos que nada nos garantiza que en un futuro muy remoto cuando el horizonte coacutesmico se haya ensanchado algunos miles de millones de antildeos luz maacutes no se revele una nueva estructura coacutesmica que no corresponda a los modelos de Friedmann Pero dejemos ese problema a nuestros sucesores en el Universo VIII OTRAS TEORIacuteAS DEL UNIVERSO iquestPOR QUEacute LA GRAN EXPLOSIOacuteN LA MAYORIacuteA de los fiacutesicos y astroacutenomos de la actualidad estaacute convencida de que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es esencialmente correcta Las pruebas maacutes fuertes aparte de la expansioacuten misma del Universo son la radiacioacuten de fondo y la abundancia del helio primordial Estos dos descubrimientos relativamente recientes inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosioacuten Hay que insistir en que esta teoriacutea no es un dogma mdashnadie pretende que lo seamdash sino una explicacioacuten simple y natural de varios hechos observacionales que de otra forma no pueden comprenderse y mucho menos relacionarse entre siacute Por otra parte la objecioacuten maacutes seria a la teoriacutea de la Gran Explosioacuten era que la edad del Universo deducida de los datos de Hubble resultaba incoacutemodamente corta pues no excediacutea la edad de la Tierra calculada por meacutetodos geoloacutegicos pero este escollo fue superado cuando en los antildeos cincuentas se revisaron todos los datos observacionales y se encontroacute que la expansioacuten del Universo era maacutes lenta que la estimada por Hubble y por lo tanto la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba En cuanto al aspecto teoacuterico se puede cuestionar la validez de la Relatividad General sobre la cual estaacute basada la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Nadie duda de que la mecaacutenica de Newton tiene limitaciones pero se han propuesto otras teoriacuteas gravitacionales que tambieacuten la generalizan Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cuaacutel teoriacutea gravitacional es la correcta hasta ahora la de Einstein ha pasado todas las pruebas mientras que otras teoriacuteas se han enfrentado a serias

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dificultades Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada maacutes allaacute de toda duda En todo caso el gran meacuterito de esta teoriacutea es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos que la distinguen de teoriacuteas rivales si la esteacutetica tiene alguacuten valor en las leyes de la naturaleza entonces podemos confiar en la Relatividad General Para no ser parciales vamos a citar a continuacioacuten algunas de las teoriacuteas cosmoloacutegicas rivales de la Gran Explosioacuten sentildealando cuando asiacute sea el caso las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente Algunas de estas teoriacuteas proponen premisas totalmente distintas de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten mientras que otras son variaciones sobre este tema LA TEORIacuteA DEL ESTADO ESTACIONARIO Aquellos que rehuacutesan aceptar que el Universo tuvo un principio pueden encontrar una opcioacuten satisfactoria en la teoriacutea del estado estacionario Seguacuten eacutesta el Universo no soacutelo es uniforme en el espacio sino tambieacuten en el tiempo asiacute como a gran escala una regioacuten del Universo es semejante a otra del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier eacutepoca ya que el Universo existe desde tiempos infinitos Pero iquestcoacutemo reconciliar la expansioacuten del Universo con su apariencia eterna Si se expande su densidad debe de disminuir al paso del tiempo La hipoacutetesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansioacuten Para ello es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kiloacutemetro cuacutebico cada antildeo masa que equivale a apenas un aacutetomo de hidroacutegeno Evidentemente queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe Por otra parte la teoriacutea no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio podriacutea ser que nace en regiones muy especiacuteficas como por ejemplo en los nuacutecleos de las galaxias donde ocurren fenoacutemenos muy extrantildeos como veremos en el capiacutetulo X La teoriacutea del estado estacionario perdioacute su popularidad cuando se descubrioacute la radiacioacuten de fondo ya que no la explica de manera natural en contraste con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Ademaacutes la suposicioacuten de que se crea masa y justamente en la proporcioacuten necesaria para mantener constante la densidad del Universo es totalmente ad hoc y no estaacute sustentada en ninguna teoriacutea fiacutesica o hecho observado LA HIPOacuteTESIS DEL FOTOacuteN CANSADO Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las liacuteneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler eacutesta es la uacutenica explicacioacuten en el marco de la fiacutesica contemporaacutenea Sin embargo no puede excluirse la posibilidad de que alguacuten fenoacutemeno desconocido y no la recesioacuten de las galaxias sea la causa del corrimiento El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto Siempre tuvo cuidado de sentildealar que el corrimiento al rojo se debe probablemente al efecto Doppler pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori La aprehensioacuten de Hubble se debiacutea a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra Cuando esta aparente contradiccioacuten se resolvioacute cobroacute nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros Si no se acepta que el Universo estaacute en expansioacuten sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia soacutelo se puede postular que los fotones pierden energiacutea mdashse cansanmdash al atravesar las distancias coacutesmicas por lo que nos llegan con menos energiacutea de la que disponiacutean al iniciar su travesiacutea mdasho sea corridos hacia el rojomdash Empero nuestros conocimientos de la fiacutesica no aportan ninguacuten sustento a esta hipoacutetesis Un fotoacuten no puede perder energiacutea a menos de que choque con otra partiacutecula pero esto provoca tambieacuten que la trayectoria del fotoacuten se desviacutee Despueacutes de un gran nuacutemero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desviacutean aleatoriamente volviendo borrosa la imagen Sin embargo nada de esto sucede con las galaxias sus imaacutegenes son niacutetidas sus liacuteneas espectrales estaacuten claramente localizadas y los objetos coacutesmicos maacutes lejanos no se ven como manchas borrosas La uacutenica otra circunstancia que se conoce en la que un fotoacuten pierde energiacutea es cuando tiene que escapar de la atraccioacuten gravitacional de un cuerpo masivo Sin embargo se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las liacuteneas espectrales se ensanchen notablemente lo cual no se ha detectado Ademaacutes una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensioacuten mientras que su masa estaacute concentrada en su nuacutecleo y por lo tanto su atraccioacuten gravitacional es maacutes intensa alliacute iquestES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIOacuteN iquestDe queacute orden de magnitud es el tiempo caracteriacutestico de los procesos atoacutemicos Si combinamos la carga q de un electroacuten con su masa m y la velocidad de la luz c podemos formar la cantidad q2mc3 que tiene unidades de tiempo equivale a unos 10-23 segundos y es la unidad de tiempo maacutes apropiada para describir los fenoacutemenos atoacutemicos1

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VII LOS INSTANTES INICIALES El diaacutemetro del Aleph seriacutea de dos o tres

centiacutemetros pero el espacio coacutesmico estaba ahiacute sin disminucioacuten de tamantildeo

JORGE LUIS BORGES El Aleph LOS PRIMEROS TRES MINUTOS DESPUEacuteS de la inflacioacuten mdashsi realmente ocurrioacutemdash prosiguioacute la expansioacuten coacutesmica de acuerdo con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Debido a sus altiacutesimas temperaturas el Universo debioacute ser inicialmente una sopa de cuarks y anticuarks electrones positrones neutrinos antineutrinos etc que se creaban y aniquilaban continuamente Un milloneacutesimo de segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten la temperatura del Universo habiacutea bajado unos 1013 grados Kelvin se cree que a esas temperaturas los cuarks y anticuarks pueden combinarse para formar las partiacuteculas elementales como el protoacuten el neutroacuten y muchas maacutes incluyendo sus antipartiacuteculas Vamos a seguir la evolucioacuten del Universo a partir de ese momento Despueacutes de un milloneacutesimo de segundo a una temperatura inferior a 1013 grados Kelvin los protones y neutrones ya no pudieron coexistir con sus respectivas antipartiacuteculas y se aniquilaron mutuamente transformando toda su masa en energiacutea en forma de fotones Afortunadamente existiacutea un ligeriacutesimo exceso de materia sobre antimateria que sobrevivioacute por no tener una contraparte con la cual aniquilarse (en el capiacutetulo anterior sentildealamos un posible origen de este exceso) la materia actual es el residuo de lo que quedoacute en aquella eacutepoca Se ha calculado que por cada gramo que sobrevivioacute tuvieron que aniquilarse del orden de mil toneladas de materia y antimateria la cantidad de energiacutea liberada por tal proceso rebasa todo lo concebible Un segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten la temperatura era de unos 1010 grados Kelvin Los constituyentes principales del Universo eran protones electrones positrones neutrinos antineutrinos y fotones Todos ellos interactuaban entre siacute mdashincluyendo los elusivos neutrinos ya que sus energiacuteas y la densidad de la materia eran lo suficientemente altas para no dejarlos libres Los neutrones que no se encuentran formando parte de un nuacutecleo atoacutemico no son partiacuteculas estables Un neutroacuten aislado decae espontaacuteneamente en un protoacuten un electroacuten y un antineutrino La masa de un neutroacuten es ligeramente superior a la de un protoacuten maacutes la de un electroacuten por lo que al decaer esa diferencia de masa se transforma en energiacutea del electroacuten y del antineutrino producidos Por el contrario un protoacuten no decae espontaacuteneamente soacutelo puede transformarse en un neutroacuten si choca con un electroacuten o un antineutrino cuyas energiacuteas sean suficientes como para compensar la diferencia de masa A temperaturas de 1010 grados Kelvin las partiacuteculas elementales en el Universo teniacutean suficiente energiacutea para permitir que los protones y neutrones se transformaran continuamente unos en otros Pero al ir bajando la temperatura disminuyoacute la abundancia de neutrones ya que era cada vez maacutes difiacutecil que se produjeran para reponer los que se transformaban en protones Siguioacute bajando la temperatura a 5 000 millones de grados Kelvin todos los positrones se aniquilaron con los electrones quedando soacutelo el excedente de estos uacuteltimos el resultado final fue un nuacutemero igual de protones y electrones (la carga eleacutectrica neta del Universo es cero) Por esa misma eacutepoca los neutrinos y antineutrinos empezaron a dejar de interactuar con el resto de la materia Despueacutes de tres minutos de iniciada la expansioacuten coacutesmica la temperatura habiacutea bajado a 1 000 millones de grados Kelvin A partir de ese momento la especulacioacuten va a ceder el lugar a los hechos comprobables Hemos sentildealado que la cantidad de neutrones fue disminuyendo con la temperatura pero antes de que desaparecieran por completo las condiciones se volvieron favorables para que entraran en escena nuevos tipos de reacciones Al chocar un protoacuten y un neutroacuten se pueden unir para formar un nuacutecleo de deuterio (hidroacutegeno pesado) A su vez los nuacutecleos de deuterio chocan entre siacute y llegan a formar a traveacutes de varias reacciones nucleares nuacutecleos de helio y elementos maacutes pesados (Figura 37) Lo interesante de este proceso es que ocurre a una temperatura criacutetica de unos 1 000 millones de grados Kelvin A temperaturas superiores los protones y neutrones tienen demasiada energiacutea y destruyen al chocar los nuacutecleos de deuterio que se hayan podido formar A temperaturas menores los nuacutecleos de deuterio mdashque tienen carga eleacutectrica positivamdash no poseen suficiente energiacutea para vencer su repulsioacuten eleacutectrica por lo que les es imposible unirse y formar nuacutecleos maacutes pesados

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Figura 37 Produccioacuten de un nuacutecleo de helio a partir de protones y electrones A temperaturas inferiores a los 1 000 millones de grados Kelvin los nuacutecleos atoacutemicos que lograron formarse no podraacuten volverse a destruir por lo que fijaraacuten la composicioacuten quiacutemica posterior del Universo Todos los caacutelculos teoacutericos indican que despueacutes de tres minutos la masa del Universo quedoacute compuesta aproximadamente por 75 de hidroacutegeno 25 de helio y apenas una traza de otros elementos Eacutesta es la composicioacuten quiacutemica que teniacutea el Universo en una eacutepoca remota antes de que nacieran las estrellas (veremos maacutes adelante que la mayoriacutea de los elementos que encontramos en la Tierra no son primordiales sino que fueron cocinados en el interior de las estrellas) La abundancia de helio primordial se ha podido calcular a partir de observaciones astronoacutemicas y el resultado concuerda extraordinariamente bien con la prediccioacuten teoacuterica eacutesta es una de las pruebas maacutes fuertes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten LA RADIACIOacuteN DE FONDO Despueacutes de tres minutos y durante los siguientes cien mil antildeos no sucedioacute nada particular El Universo siguioacute expandieacutendose y enfriaacutendose continuamente La materia consistiacutea principalmente de nuacutecleos de hidroacutegeno y helio de electrones libres y de fotones (ademaacutes de los neutrinos y antineutrinos que ya no interactuaban con el resto de la materia) en resumen un gas ionizado Como explicamos en el capiacutetulo V la materia en esas condiciones brilla pero no es transparente a la luz debido a que los fotones chocan constantemente con los electrones libres Cuando la temperatura bajoacute a unos 4 000 grados Kelvin la situacioacuten cambioacute draacutesticamente Los electrones que hasta entonces andaban libres pudieron por primera vez combinarse con los nuacutecleos atoacutemicos y formar los primeros aacutetomos eacutesa fue la eacutepoca de la recombinacioacuten La materia en el Universo dejoacute de ser un gas ionizado al no quedar electrones libres los fotones dejaron de interactuar con la materia y siguieron su evolucioacuten por separado A partir de ese momento el Universo se volvioacute transparente En nuestra eacutepoca unos 15 000 millones de antildeos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo se ha enfriado considerablemente pero los fotones que fueron liberados en la eacutepoca de la recombinacioacuten deben estar presentes todaviacutea llenando todo el espacio coacutesmico Esos fotones fueron emitidos por la materia cuando se encontraba a una temperatura de unos 4 000 grados Un gas a algunos miles de grados radia principalmente luz visible e infrarroja pero recordemos que el Universo estaacute en expansioacuten y que por lo tanto la materia que emitioacute los fotones coacutesmicos se estaacute alejando actualmente de nosotros a velocidades muy cercanas a la de la luz Por lo tanto los fotones emitidos han sufrido un enorme corrimiento al rojo la teoriacutea predice que deben de observarse en nuestra eacutepoca en forma de ondas de radio Eacutesta es la forma de radiacioacuten que emite un cuerpo a unos cuantos grados sobre el cero absoluto que corresponderiacutea en consecuencia a la temperatura actual del Universo En 1965 los radioastroacutenomos estadunidenses Penzias y Wilson descubrieron una deacutebil sentildeal de radio que proveniacutea uniformemente de todas las regiones del firmamento sin variar ni con la direccioacuten ni con el tiempo (Figura 38) Al principio pensaron que era un defecto de su antena de radio y trataron de eliminarla por todos los medios Pero la sentildeal seguiacutea ahiacute Finalmente se convencieron de que teniacutea un origen coacutesmico eran los fotones foacutesiles que quedaron de la eacutepoca de la recombinacioacuten Maacutes auacuten determinaron que la temperatura actual del Universo (derivada de la energiacutea de esos fotones foacutesiles) es de unos tres grados sobre el cero absoluto El descubrimiento de esta radiacioacuten de fondo es otra de las pruebas maacutes importantes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten iquestFINITO O INFINITO Regresemos por un momento al problema de la extensioacuten del Universo y reexamineacutemoslo a la luz de la cosmologiacutea moderna iquestEs el Universo finito o infinito Hemos visto que los modelos de Friedmann admiten dos posibilidades un universo cerrado sobre siacute mismo que se expande hasta cierto punto y luego se contrae y un

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universo abierto de volumen infinito que se expande eternamente (el primer caso estaacute acorde con la concepcioacuten original de Einstein de un universo limitado pero sin fronteras) En principio el Universo es abierto o cerrado seguacuten si su densidad de masa en el momento actual excede o no cierto valor criacutetico que seguacuten los modelos de Friedmann estaacute dado por la foacutermula

donde H es la constante de Hubble y G la constante gravitacional Este valor resulta ser de unos 2 X 10-29 gramos por centiacutemetro cuacutebico o algo asiacute como diez aacutetomos de hidroacutegeno por metro cuacutebico Desgraciadamente auacuten no se ha podido determinar con suficiente precisioacuten la densidad real del Universo para compararla con la criacutetica (Unos cuantos aacutetomos por metro cuacutebico parece una densidad extremadamente baja pero no debemos olvidar que los cuerpos densos como las estrellas y los planetas son apenas puntos en la inmensidad del vaciacuteo coacutesmico la densidad a la que nos referimos es un promedio universal) Los astroacutenomos han estimado que si la masa en el Universo es principalmente la de las estrellas que brillan entonces la densidad del Universo no llegariacutea a una centeacutesima de la criacutetica y el Universo por lo tanto debe ser abierto Sin embargo no es evidente que la mayor parte de la materia en el Universo brille lo suficiente para ser visible Se ha podido demostrar que las galaxias en los cuacutemulos galaacutecticos no podriacutean mantenerse unidas por su mutua atraccioacuten gravitacional a menos de que sus masas fueran sensiblemente superiores a la visible El problema de la masa faltante auacuten no se ha podido resolver satisfactoriamente Esta masa podriacutea encontrarse en forma de estrellas enanas casi sin brillo de nubes opacas de halos galaacutecticos de gas intergalaacutectico de polvo de pedruscos de hoyos negros o hasta de partiacuteculas elementales exoacuteticas que interactuacutean soacutelo gravitacional o deacutebilmente con la materia comuacuten y que por lo tanto no pueden descubrirse directamente Existe una manera indirecta de determinar la densidad del Universo Seguacuten los caacutelculos de los cosmoacutelogos las abundancias de los elementos quiacutemicos que se produjeron a los tres minutos dependen de la velocidad de expansioacuten del Universo y eacutesta a su vez depende de su densidad Se ha demostrado que la abundancia del helio primordial debe de variar entre 25 y 30 seguacuten la densidad del Universo mdashen otras palabras seguacuten si es abierto o cerradomdash por otra parte la abundancia del deuterio primordial es muy sensible a la densidad pero siendo este elemento muy raro es mucho maacutes difiacutecil detectarlo No es un problema simple estimar a partir de observaciones astronoacutemicas cuaacutel fue la composicioacuten primordial de la materia porque las estrellas han estado contaminando el medio interestelar como veremos en el capiacutetulo siguiente Pero aun aproximadas las determinaciones maacutes recientes de la cantidad de helio y deuterio primordiales son compatibles con un Universo abierto indican que la densidad del Universo es superior a la de la materia visible pero no excede la densidad criacutetica Recordemos que seguacuten la teoriacutea inflacionaria la densidad real deberiacutea ser justamente la criacutetica Hace algunos antildeos un grupo de fiacutesicos sovieacuteticos anuncioacute un descubrimiento que causoacute mucho revuelo el neutrino pareciacutea tener en contra de lo que se creiacutea una pequentildea masa Auacuten no hay unanimidad entre los fiacutesicos sobre este hallazgo y todaviacutea no se ha podido confirmar por medio de experimentos independientes pero si la masa del neutrino no es exactamente cero se tendriacutean repercusiones muy interesantes para la cosmologiacutea En primer lugar la mayor parte de la masa coacutesmica podriacutea encontrarse en forma de neutrinos iexcly hasta ser suficiente para cerrar el Universo Tambieacuten podriacutea ser que la masa faltante de los cuacutemulos de galaxias esteacute constituida por neutrinos atrapados por la atraccioacuten gravitacional de eacutestas Y quizaacutes estamos nadando en un mar de neutrinos sin sospecharlo En un futuro cercano sabremos con certeza si el destino del Universo estaacute regido por estas partiacuteculas fantasmas EL HORIZONTE DEL UNIVERSO Si el Universo fuera abierto su volumen seriacutea infinito y por lo tanto tambieacuten su masa seriacutea infinita Sin embargo debemos distinguir entre el Universo como un todo y la parte de eacutel que es accesible a nuestras observaciones Si el Universo nacioacute hace quince mil millones de antildeos no podemos ver objetos que se encuentren maacutes lejanos que la distancia de quince mil millones de antildeos luz pues la luz emitida por ellos necesitariacutea un tiempo superior a la edad del Universo para llegar a nosotros Asiacute nuestro Universo visible llega hasta un horizonte que se encuentra a unos quince mil millones de antildeos luz Evidentemente el volumen y la masa del Universo visible son finitos Mientras maacutes lejos vemos en el Universo vemos maacutes atraacutes en el tiempo Objetos que se encuentran a mil antildeos luz por ejemplo se ven como eran hace mil antildeos del mismo modo si pudieacuteramos ver el horizonte del Universo estariacuteamos observando el momento mismo de la Creacioacuten Y si no es posible ver nada detraacutes del horizonte es porque maacutes allaacute de eacutel auacuten no habiacutea nacido el Universo Sin embargo con el fin de no especular innecesariamente recordemos que de todos modos la materia del Universo no era transparente en el principio por lo que no podemos observar aquello que sucedioacute antes del momento de la recombinacioacuten (Figura 39)

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Figura 39 La parte del Universo accesible a nuestras observaciones se encuentra dentro del horizonte coacutesmico que corresponde justamente al lugar y momento de la Gran Explosioacuten El Universo no era transparente en un principio asiacute que no podemos ver directamente lo que sucedioacute durante los primeros cientos de miles de antildeos del Universo Al volverse transparente los fotones emitidos por la materia incandescente se liberaron suacutebitamente y ahora los observamos como la radiacioacuten de fondo El horizonte del Universo se ensancha un antildeo luz cada antildeo y al pasar el tiempo vemos objetos cada vez maacutes lejanos Del mismo modo el horizonte era maacutes estrecho en el pasado por ejemplo al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck 10-10 segundos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo visible era del tamantildeo del Aleph de Borges y un segundo despueacutes habiacutea alcanzado un radio de 300 000 kiloacutemetros Seguacuten indican todas las observaciones astronoacutemicas que se han efectuado hasta ahora la distribucioacuten promedio de la materia es homogeacutenea en todo nuestro Universo visible Esta homogeneidad ha sido en siacute todo un enigma Si consideramos dos regiones del Universo cercanas a nuestro horizonte pero en direcciones diametralmente opuestas encontramos que sus densidades son las mismas a pesar de que el tiempo que tardariacutean en influenciarse fiacutesicamente es mayor que la edad del Universo (no olvidemos que ninguna sentildeal interaccioacuten o cuerpo material puede viajar maacutes raacutepido que la luz) iquestCoacutemo regiones tan alejadas pudieron ponerse de acuerdo para adquirir la misma densidad De nada sirve invocar el hecho de que inicialmente la materia del Universo estaba muy concentrada pues al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck y no podiacutea haber influencia entre regiones maacutes alejadas entre siacute que esa distancia regiones muy lejanas del Universo que ahora vemos en direcciones opuestas tampoco tuvieron tiempo de influenciarse en eacutepocas muy remotas a pesar de estar maacutes cerca entre siacute Como vimos en el capiacutetulo anterior la teoriacutea del Universo inflacionario ofrece una solucioacuten al problema de la homogeneidad Por uacuteltimo sentildealemos que nada nos garantiza que en un futuro muy remoto cuando el horizonte coacutesmico se haya ensanchado algunos miles de millones de antildeos luz maacutes no se revele una nueva estructura coacutesmica que no corresponda a los modelos de Friedmann Pero dejemos ese problema a nuestros sucesores en el Universo VIII OTRAS TEORIacuteAS DEL UNIVERSO iquestPOR QUEacute LA GRAN EXPLOSIOacuteN LA MAYORIacuteA de los fiacutesicos y astroacutenomos de la actualidad estaacute convencida de que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es esencialmente correcta Las pruebas maacutes fuertes aparte de la expansioacuten misma del Universo son la radiacioacuten de fondo y la abundancia del helio primordial Estos dos descubrimientos relativamente recientes inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosioacuten Hay que insistir en que esta teoriacutea no es un dogma mdashnadie pretende que lo seamdash sino una explicacioacuten simple y natural de varios hechos observacionales que de otra forma no pueden comprenderse y mucho menos relacionarse entre siacute Por otra parte la objecioacuten maacutes seria a la teoriacutea de la Gran Explosioacuten era que la edad del Universo deducida de los datos de Hubble resultaba incoacutemodamente corta pues no excediacutea la edad de la Tierra calculada por meacutetodos geoloacutegicos pero este escollo fue superado cuando en los antildeos cincuentas se revisaron todos los datos observacionales y se encontroacute que la expansioacuten del Universo era maacutes lenta que la estimada por Hubble y por lo tanto la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba En cuanto al aspecto teoacuterico se puede cuestionar la validez de la Relatividad General sobre la cual estaacute basada la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Nadie duda de que la mecaacutenica de Newton tiene limitaciones pero se han propuesto otras teoriacuteas gravitacionales que tambieacuten la generalizan Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cuaacutel teoriacutea gravitacional es la correcta hasta ahora la de Einstein ha pasado todas las pruebas mientras que otras teoriacuteas se han enfrentado a serias

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dificultades Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada maacutes allaacute de toda duda En todo caso el gran meacuterito de esta teoriacutea es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos que la distinguen de teoriacuteas rivales si la esteacutetica tiene alguacuten valor en las leyes de la naturaleza entonces podemos confiar en la Relatividad General Para no ser parciales vamos a citar a continuacioacuten algunas de las teoriacuteas cosmoloacutegicas rivales de la Gran Explosioacuten sentildealando cuando asiacute sea el caso las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente Algunas de estas teoriacuteas proponen premisas totalmente distintas de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten mientras que otras son variaciones sobre este tema LA TEORIacuteA DEL ESTADO ESTACIONARIO Aquellos que rehuacutesan aceptar que el Universo tuvo un principio pueden encontrar una opcioacuten satisfactoria en la teoriacutea del estado estacionario Seguacuten eacutesta el Universo no soacutelo es uniforme en el espacio sino tambieacuten en el tiempo asiacute como a gran escala una regioacuten del Universo es semejante a otra del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier eacutepoca ya que el Universo existe desde tiempos infinitos Pero iquestcoacutemo reconciliar la expansioacuten del Universo con su apariencia eterna Si se expande su densidad debe de disminuir al paso del tiempo La hipoacutetesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansioacuten Para ello es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kiloacutemetro cuacutebico cada antildeo masa que equivale a apenas un aacutetomo de hidroacutegeno Evidentemente queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe Por otra parte la teoriacutea no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio podriacutea ser que nace en regiones muy especiacuteficas como por ejemplo en los nuacutecleos de las galaxias donde ocurren fenoacutemenos muy extrantildeos como veremos en el capiacutetulo X La teoriacutea del estado estacionario perdioacute su popularidad cuando se descubrioacute la radiacioacuten de fondo ya que no la explica de manera natural en contraste con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Ademaacutes la suposicioacuten de que se crea masa y justamente en la proporcioacuten necesaria para mantener constante la densidad del Universo es totalmente ad hoc y no estaacute sustentada en ninguna teoriacutea fiacutesica o hecho observado LA HIPOacuteTESIS DEL FOTOacuteN CANSADO Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las liacuteneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler eacutesta es la uacutenica explicacioacuten en el marco de la fiacutesica contemporaacutenea Sin embargo no puede excluirse la posibilidad de que alguacuten fenoacutemeno desconocido y no la recesioacuten de las galaxias sea la causa del corrimiento El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto Siempre tuvo cuidado de sentildealar que el corrimiento al rojo se debe probablemente al efecto Doppler pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori La aprehensioacuten de Hubble se debiacutea a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra Cuando esta aparente contradiccioacuten se resolvioacute cobroacute nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros Si no se acepta que el Universo estaacute en expansioacuten sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia soacutelo se puede postular que los fotones pierden energiacutea mdashse cansanmdash al atravesar las distancias coacutesmicas por lo que nos llegan con menos energiacutea de la que disponiacutean al iniciar su travesiacutea mdasho sea corridos hacia el rojomdash Empero nuestros conocimientos de la fiacutesica no aportan ninguacuten sustento a esta hipoacutetesis Un fotoacuten no puede perder energiacutea a menos de que choque con otra partiacutecula pero esto provoca tambieacuten que la trayectoria del fotoacuten se desviacutee Despueacutes de un gran nuacutemero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desviacutean aleatoriamente volviendo borrosa la imagen Sin embargo nada de esto sucede con las galaxias sus imaacutegenes son niacutetidas sus liacuteneas espectrales estaacuten claramente localizadas y los objetos coacutesmicos maacutes lejanos no se ven como manchas borrosas La uacutenica otra circunstancia que se conoce en la que un fotoacuten pierde energiacutea es cuando tiene que escapar de la atraccioacuten gravitacional de un cuerpo masivo Sin embargo se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las liacuteneas espectrales se ensanchen notablemente lo cual no se ha detectado Ademaacutes una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensioacuten mientras que su masa estaacute concentrada en su nuacutecleo y por lo tanto su atraccioacuten gravitacional es maacutes intensa alliacute iquestES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIOacuteN iquestDe queacute orden de magnitud es el tiempo caracteriacutestico de los procesos atoacutemicos Si combinamos la carga q de un electroacuten con su masa m y la velocidad de la luz c podemos formar la cantidad q2mc3 que tiene unidades de tiempo equivale a unos 10-23 segundos y es la unidad de tiempo maacutes apropiada para describir los fenoacutemenos atoacutemicos1

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Figura 37 Produccioacuten de un nuacutecleo de helio a partir de protones y electrones A temperaturas inferiores a los 1 000 millones de grados Kelvin los nuacutecleos atoacutemicos que lograron formarse no podraacuten volverse a destruir por lo que fijaraacuten la composicioacuten quiacutemica posterior del Universo Todos los caacutelculos teoacutericos indican que despueacutes de tres minutos la masa del Universo quedoacute compuesta aproximadamente por 75 de hidroacutegeno 25 de helio y apenas una traza de otros elementos Eacutesta es la composicioacuten quiacutemica que teniacutea el Universo en una eacutepoca remota antes de que nacieran las estrellas (veremos maacutes adelante que la mayoriacutea de los elementos que encontramos en la Tierra no son primordiales sino que fueron cocinados en el interior de las estrellas) La abundancia de helio primordial se ha podido calcular a partir de observaciones astronoacutemicas y el resultado concuerda extraordinariamente bien con la prediccioacuten teoacuterica eacutesta es una de las pruebas maacutes fuertes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten LA RADIACIOacuteN DE FONDO Despueacutes de tres minutos y durante los siguientes cien mil antildeos no sucedioacute nada particular El Universo siguioacute expandieacutendose y enfriaacutendose continuamente La materia consistiacutea principalmente de nuacutecleos de hidroacutegeno y helio de electrones libres y de fotones (ademaacutes de los neutrinos y antineutrinos que ya no interactuaban con el resto de la materia) en resumen un gas ionizado Como explicamos en el capiacutetulo V la materia en esas condiciones brilla pero no es transparente a la luz debido a que los fotones chocan constantemente con los electrones libres Cuando la temperatura bajoacute a unos 4 000 grados Kelvin la situacioacuten cambioacute draacutesticamente Los electrones que hasta entonces andaban libres pudieron por primera vez combinarse con los nuacutecleos atoacutemicos y formar los primeros aacutetomos eacutesa fue la eacutepoca de la recombinacioacuten La materia en el Universo dejoacute de ser un gas ionizado al no quedar electrones libres los fotones dejaron de interactuar con la materia y siguieron su evolucioacuten por separado A partir de ese momento el Universo se volvioacute transparente En nuestra eacutepoca unos 15 000 millones de antildeos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo se ha enfriado considerablemente pero los fotones que fueron liberados en la eacutepoca de la recombinacioacuten deben estar presentes todaviacutea llenando todo el espacio coacutesmico Esos fotones fueron emitidos por la materia cuando se encontraba a una temperatura de unos 4 000 grados Un gas a algunos miles de grados radia principalmente luz visible e infrarroja pero recordemos que el Universo estaacute en expansioacuten y que por lo tanto la materia que emitioacute los fotones coacutesmicos se estaacute alejando actualmente de nosotros a velocidades muy cercanas a la de la luz Por lo tanto los fotones emitidos han sufrido un enorme corrimiento al rojo la teoriacutea predice que deben de observarse en nuestra eacutepoca en forma de ondas de radio Eacutesta es la forma de radiacioacuten que emite un cuerpo a unos cuantos grados sobre el cero absoluto que corresponderiacutea en consecuencia a la temperatura actual del Universo En 1965 los radioastroacutenomos estadunidenses Penzias y Wilson descubrieron una deacutebil sentildeal de radio que proveniacutea uniformemente de todas las regiones del firmamento sin variar ni con la direccioacuten ni con el tiempo (Figura 38) Al principio pensaron que era un defecto de su antena de radio y trataron de eliminarla por todos los medios Pero la sentildeal seguiacutea ahiacute Finalmente se convencieron de que teniacutea un origen coacutesmico eran los fotones foacutesiles que quedaron de la eacutepoca de la recombinacioacuten Maacutes auacuten determinaron que la temperatura actual del Universo (derivada de la energiacutea de esos fotones foacutesiles) es de unos tres grados sobre el cero absoluto El descubrimiento de esta radiacioacuten de fondo es otra de las pruebas maacutes importantes en favor de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten iquestFINITO O INFINITO Regresemos por un momento al problema de la extensioacuten del Universo y reexamineacutemoslo a la luz de la cosmologiacutea moderna iquestEs el Universo finito o infinito Hemos visto que los modelos de Friedmann admiten dos posibilidades un universo cerrado sobre siacute mismo que se expande hasta cierto punto y luego se contrae y un

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universo abierto de volumen infinito que se expande eternamente (el primer caso estaacute acorde con la concepcioacuten original de Einstein de un universo limitado pero sin fronteras) En principio el Universo es abierto o cerrado seguacuten si su densidad de masa en el momento actual excede o no cierto valor criacutetico que seguacuten los modelos de Friedmann estaacute dado por la foacutermula

donde H es la constante de Hubble y G la constante gravitacional Este valor resulta ser de unos 2 X 10-29 gramos por centiacutemetro cuacutebico o algo asiacute como diez aacutetomos de hidroacutegeno por metro cuacutebico Desgraciadamente auacuten no se ha podido determinar con suficiente precisioacuten la densidad real del Universo para compararla con la criacutetica (Unos cuantos aacutetomos por metro cuacutebico parece una densidad extremadamente baja pero no debemos olvidar que los cuerpos densos como las estrellas y los planetas son apenas puntos en la inmensidad del vaciacuteo coacutesmico la densidad a la que nos referimos es un promedio universal) Los astroacutenomos han estimado que si la masa en el Universo es principalmente la de las estrellas que brillan entonces la densidad del Universo no llegariacutea a una centeacutesima de la criacutetica y el Universo por lo tanto debe ser abierto Sin embargo no es evidente que la mayor parte de la materia en el Universo brille lo suficiente para ser visible Se ha podido demostrar que las galaxias en los cuacutemulos galaacutecticos no podriacutean mantenerse unidas por su mutua atraccioacuten gravitacional a menos de que sus masas fueran sensiblemente superiores a la visible El problema de la masa faltante auacuten no se ha podido resolver satisfactoriamente Esta masa podriacutea encontrarse en forma de estrellas enanas casi sin brillo de nubes opacas de halos galaacutecticos de gas intergalaacutectico de polvo de pedruscos de hoyos negros o hasta de partiacuteculas elementales exoacuteticas que interactuacutean soacutelo gravitacional o deacutebilmente con la materia comuacuten y que por lo tanto no pueden descubrirse directamente Existe una manera indirecta de determinar la densidad del Universo Seguacuten los caacutelculos de los cosmoacutelogos las abundancias de los elementos quiacutemicos que se produjeron a los tres minutos dependen de la velocidad de expansioacuten del Universo y eacutesta a su vez depende de su densidad Se ha demostrado que la abundancia del helio primordial debe de variar entre 25 y 30 seguacuten la densidad del Universo mdashen otras palabras seguacuten si es abierto o cerradomdash por otra parte la abundancia del deuterio primordial es muy sensible a la densidad pero siendo este elemento muy raro es mucho maacutes difiacutecil detectarlo No es un problema simple estimar a partir de observaciones astronoacutemicas cuaacutel fue la composicioacuten primordial de la materia porque las estrellas han estado contaminando el medio interestelar como veremos en el capiacutetulo siguiente Pero aun aproximadas las determinaciones maacutes recientes de la cantidad de helio y deuterio primordiales son compatibles con un Universo abierto indican que la densidad del Universo es superior a la de la materia visible pero no excede la densidad criacutetica Recordemos que seguacuten la teoriacutea inflacionaria la densidad real deberiacutea ser justamente la criacutetica Hace algunos antildeos un grupo de fiacutesicos sovieacuteticos anuncioacute un descubrimiento que causoacute mucho revuelo el neutrino pareciacutea tener en contra de lo que se creiacutea una pequentildea masa Auacuten no hay unanimidad entre los fiacutesicos sobre este hallazgo y todaviacutea no se ha podido confirmar por medio de experimentos independientes pero si la masa del neutrino no es exactamente cero se tendriacutean repercusiones muy interesantes para la cosmologiacutea En primer lugar la mayor parte de la masa coacutesmica podriacutea encontrarse en forma de neutrinos iexcly hasta ser suficiente para cerrar el Universo Tambieacuten podriacutea ser que la masa faltante de los cuacutemulos de galaxias esteacute constituida por neutrinos atrapados por la atraccioacuten gravitacional de eacutestas Y quizaacutes estamos nadando en un mar de neutrinos sin sospecharlo En un futuro cercano sabremos con certeza si el destino del Universo estaacute regido por estas partiacuteculas fantasmas EL HORIZONTE DEL UNIVERSO Si el Universo fuera abierto su volumen seriacutea infinito y por lo tanto tambieacuten su masa seriacutea infinita Sin embargo debemos distinguir entre el Universo como un todo y la parte de eacutel que es accesible a nuestras observaciones Si el Universo nacioacute hace quince mil millones de antildeos no podemos ver objetos que se encuentren maacutes lejanos que la distancia de quince mil millones de antildeos luz pues la luz emitida por ellos necesitariacutea un tiempo superior a la edad del Universo para llegar a nosotros Asiacute nuestro Universo visible llega hasta un horizonte que se encuentra a unos quince mil millones de antildeos luz Evidentemente el volumen y la masa del Universo visible son finitos Mientras maacutes lejos vemos en el Universo vemos maacutes atraacutes en el tiempo Objetos que se encuentran a mil antildeos luz por ejemplo se ven como eran hace mil antildeos del mismo modo si pudieacuteramos ver el horizonte del Universo estariacuteamos observando el momento mismo de la Creacioacuten Y si no es posible ver nada detraacutes del horizonte es porque maacutes allaacute de eacutel auacuten no habiacutea nacido el Universo Sin embargo con el fin de no especular innecesariamente recordemos que de todos modos la materia del Universo no era transparente en el principio por lo que no podemos observar aquello que sucedioacute antes del momento de la recombinacioacuten (Figura 39)

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Figura 39 La parte del Universo accesible a nuestras observaciones se encuentra dentro del horizonte coacutesmico que corresponde justamente al lugar y momento de la Gran Explosioacuten El Universo no era transparente en un principio asiacute que no podemos ver directamente lo que sucedioacute durante los primeros cientos de miles de antildeos del Universo Al volverse transparente los fotones emitidos por la materia incandescente se liberaron suacutebitamente y ahora los observamos como la radiacioacuten de fondo El horizonte del Universo se ensancha un antildeo luz cada antildeo y al pasar el tiempo vemos objetos cada vez maacutes lejanos Del mismo modo el horizonte era maacutes estrecho en el pasado por ejemplo al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck 10-10 segundos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo visible era del tamantildeo del Aleph de Borges y un segundo despueacutes habiacutea alcanzado un radio de 300 000 kiloacutemetros Seguacuten indican todas las observaciones astronoacutemicas que se han efectuado hasta ahora la distribucioacuten promedio de la materia es homogeacutenea en todo nuestro Universo visible Esta homogeneidad ha sido en siacute todo un enigma Si consideramos dos regiones del Universo cercanas a nuestro horizonte pero en direcciones diametralmente opuestas encontramos que sus densidades son las mismas a pesar de que el tiempo que tardariacutean en influenciarse fiacutesicamente es mayor que la edad del Universo (no olvidemos que ninguna sentildeal interaccioacuten o cuerpo material puede viajar maacutes raacutepido que la luz) iquestCoacutemo regiones tan alejadas pudieron ponerse de acuerdo para adquirir la misma densidad De nada sirve invocar el hecho de que inicialmente la materia del Universo estaba muy concentrada pues al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck y no podiacutea haber influencia entre regiones maacutes alejadas entre siacute que esa distancia regiones muy lejanas del Universo que ahora vemos en direcciones opuestas tampoco tuvieron tiempo de influenciarse en eacutepocas muy remotas a pesar de estar maacutes cerca entre siacute Como vimos en el capiacutetulo anterior la teoriacutea del Universo inflacionario ofrece una solucioacuten al problema de la homogeneidad Por uacuteltimo sentildealemos que nada nos garantiza que en un futuro muy remoto cuando el horizonte coacutesmico se haya ensanchado algunos miles de millones de antildeos luz maacutes no se revele una nueva estructura coacutesmica que no corresponda a los modelos de Friedmann Pero dejemos ese problema a nuestros sucesores en el Universo VIII OTRAS TEORIacuteAS DEL UNIVERSO iquestPOR QUEacute LA GRAN EXPLOSIOacuteN LA MAYORIacuteA de los fiacutesicos y astroacutenomos de la actualidad estaacute convencida de que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es esencialmente correcta Las pruebas maacutes fuertes aparte de la expansioacuten misma del Universo son la radiacioacuten de fondo y la abundancia del helio primordial Estos dos descubrimientos relativamente recientes inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosioacuten Hay que insistir en que esta teoriacutea no es un dogma mdashnadie pretende que lo seamdash sino una explicacioacuten simple y natural de varios hechos observacionales que de otra forma no pueden comprenderse y mucho menos relacionarse entre siacute Por otra parte la objecioacuten maacutes seria a la teoriacutea de la Gran Explosioacuten era que la edad del Universo deducida de los datos de Hubble resultaba incoacutemodamente corta pues no excediacutea la edad de la Tierra calculada por meacutetodos geoloacutegicos pero este escollo fue superado cuando en los antildeos cincuentas se revisaron todos los datos observacionales y se encontroacute que la expansioacuten del Universo era maacutes lenta que la estimada por Hubble y por lo tanto la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba En cuanto al aspecto teoacuterico se puede cuestionar la validez de la Relatividad General sobre la cual estaacute basada la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Nadie duda de que la mecaacutenica de Newton tiene limitaciones pero se han propuesto otras teoriacuteas gravitacionales que tambieacuten la generalizan Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cuaacutel teoriacutea gravitacional es la correcta hasta ahora la de Einstein ha pasado todas las pruebas mientras que otras teoriacuteas se han enfrentado a serias

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dificultades Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada maacutes allaacute de toda duda En todo caso el gran meacuterito de esta teoriacutea es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos que la distinguen de teoriacuteas rivales si la esteacutetica tiene alguacuten valor en las leyes de la naturaleza entonces podemos confiar en la Relatividad General Para no ser parciales vamos a citar a continuacioacuten algunas de las teoriacuteas cosmoloacutegicas rivales de la Gran Explosioacuten sentildealando cuando asiacute sea el caso las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente Algunas de estas teoriacuteas proponen premisas totalmente distintas de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten mientras que otras son variaciones sobre este tema LA TEORIacuteA DEL ESTADO ESTACIONARIO Aquellos que rehuacutesan aceptar que el Universo tuvo un principio pueden encontrar una opcioacuten satisfactoria en la teoriacutea del estado estacionario Seguacuten eacutesta el Universo no soacutelo es uniforme en el espacio sino tambieacuten en el tiempo asiacute como a gran escala una regioacuten del Universo es semejante a otra del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier eacutepoca ya que el Universo existe desde tiempos infinitos Pero iquestcoacutemo reconciliar la expansioacuten del Universo con su apariencia eterna Si se expande su densidad debe de disminuir al paso del tiempo La hipoacutetesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansioacuten Para ello es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kiloacutemetro cuacutebico cada antildeo masa que equivale a apenas un aacutetomo de hidroacutegeno Evidentemente queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe Por otra parte la teoriacutea no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio podriacutea ser que nace en regiones muy especiacuteficas como por ejemplo en los nuacutecleos de las galaxias donde ocurren fenoacutemenos muy extrantildeos como veremos en el capiacutetulo X La teoriacutea del estado estacionario perdioacute su popularidad cuando se descubrioacute la radiacioacuten de fondo ya que no la explica de manera natural en contraste con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Ademaacutes la suposicioacuten de que se crea masa y justamente en la proporcioacuten necesaria para mantener constante la densidad del Universo es totalmente ad hoc y no estaacute sustentada en ninguna teoriacutea fiacutesica o hecho observado LA HIPOacuteTESIS DEL FOTOacuteN CANSADO Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las liacuteneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler eacutesta es la uacutenica explicacioacuten en el marco de la fiacutesica contemporaacutenea Sin embargo no puede excluirse la posibilidad de que alguacuten fenoacutemeno desconocido y no la recesioacuten de las galaxias sea la causa del corrimiento El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto Siempre tuvo cuidado de sentildealar que el corrimiento al rojo se debe probablemente al efecto Doppler pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori La aprehensioacuten de Hubble se debiacutea a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra Cuando esta aparente contradiccioacuten se resolvioacute cobroacute nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros Si no se acepta que el Universo estaacute en expansioacuten sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia soacutelo se puede postular que los fotones pierden energiacutea mdashse cansanmdash al atravesar las distancias coacutesmicas por lo que nos llegan con menos energiacutea de la que disponiacutean al iniciar su travesiacutea mdasho sea corridos hacia el rojomdash Empero nuestros conocimientos de la fiacutesica no aportan ninguacuten sustento a esta hipoacutetesis Un fotoacuten no puede perder energiacutea a menos de que choque con otra partiacutecula pero esto provoca tambieacuten que la trayectoria del fotoacuten se desviacutee Despueacutes de un gran nuacutemero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desviacutean aleatoriamente volviendo borrosa la imagen Sin embargo nada de esto sucede con las galaxias sus imaacutegenes son niacutetidas sus liacuteneas espectrales estaacuten claramente localizadas y los objetos coacutesmicos maacutes lejanos no se ven como manchas borrosas La uacutenica otra circunstancia que se conoce en la que un fotoacuten pierde energiacutea es cuando tiene que escapar de la atraccioacuten gravitacional de un cuerpo masivo Sin embargo se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las liacuteneas espectrales se ensanchen notablemente lo cual no se ha detectado Ademaacutes una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensioacuten mientras que su masa estaacute concentrada en su nuacutecleo y por lo tanto su atraccioacuten gravitacional es maacutes intensa alliacute iquestES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIOacuteN iquestDe queacute orden de magnitud es el tiempo caracteriacutestico de los procesos atoacutemicos Si combinamos la carga q de un electroacuten con su masa m y la velocidad de la luz c podemos formar la cantidad q2mc3 que tiene unidades de tiempo equivale a unos 10-23 segundos y es la unidad de tiempo maacutes apropiada para describir los fenoacutemenos atoacutemicos1

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universo abierto de volumen infinito que se expande eternamente (el primer caso estaacute acorde con la concepcioacuten original de Einstein de un universo limitado pero sin fronteras) En principio el Universo es abierto o cerrado seguacuten si su densidad de masa en el momento actual excede o no cierto valor criacutetico que seguacuten los modelos de Friedmann estaacute dado por la foacutermula

donde H es la constante de Hubble y G la constante gravitacional Este valor resulta ser de unos 2 X 10-29 gramos por centiacutemetro cuacutebico o algo asiacute como diez aacutetomos de hidroacutegeno por metro cuacutebico Desgraciadamente auacuten no se ha podido determinar con suficiente precisioacuten la densidad real del Universo para compararla con la criacutetica (Unos cuantos aacutetomos por metro cuacutebico parece una densidad extremadamente baja pero no debemos olvidar que los cuerpos densos como las estrellas y los planetas son apenas puntos en la inmensidad del vaciacuteo coacutesmico la densidad a la que nos referimos es un promedio universal) Los astroacutenomos han estimado que si la masa en el Universo es principalmente la de las estrellas que brillan entonces la densidad del Universo no llegariacutea a una centeacutesima de la criacutetica y el Universo por lo tanto debe ser abierto Sin embargo no es evidente que la mayor parte de la materia en el Universo brille lo suficiente para ser visible Se ha podido demostrar que las galaxias en los cuacutemulos galaacutecticos no podriacutean mantenerse unidas por su mutua atraccioacuten gravitacional a menos de que sus masas fueran sensiblemente superiores a la visible El problema de la masa faltante auacuten no se ha podido resolver satisfactoriamente Esta masa podriacutea encontrarse en forma de estrellas enanas casi sin brillo de nubes opacas de halos galaacutecticos de gas intergalaacutectico de polvo de pedruscos de hoyos negros o hasta de partiacuteculas elementales exoacuteticas que interactuacutean soacutelo gravitacional o deacutebilmente con la materia comuacuten y que por lo tanto no pueden descubrirse directamente Existe una manera indirecta de determinar la densidad del Universo Seguacuten los caacutelculos de los cosmoacutelogos las abundancias de los elementos quiacutemicos que se produjeron a los tres minutos dependen de la velocidad de expansioacuten del Universo y eacutesta a su vez depende de su densidad Se ha demostrado que la abundancia del helio primordial debe de variar entre 25 y 30 seguacuten la densidad del Universo mdashen otras palabras seguacuten si es abierto o cerradomdash por otra parte la abundancia del deuterio primordial es muy sensible a la densidad pero siendo este elemento muy raro es mucho maacutes difiacutecil detectarlo No es un problema simple estimar a partir de observaciones astronoacutemicas cuaacutel fue la composicioacuten primordial de la materia porque las estrellas han estado contaminando el medio interestelar como veremos en el capiacutetulo siguiente Pero aun aproximadas las determinaciones maacutes recientes de la cantidad de helio y deuterio primordiales son compatibles con un Universo abierto indican que la densidad del Universo es superior a la de la materia visible pero no excede la densidad criacutetica Recordemos que seguacuten la teoriacutea inflacionaria la densidad real deberiacutea ser justamente la criacutetica Hace algunos antildeos un grupo de fiacutesicos sovieacuteticos anuncioacute un descubrimiento que causoacute mucho revuelo el neutrino pareciacutea tener en contra de lo que se creiacutea una pequentildea masa Auacuten no hay unanimidad entre los fiacutesicos sobre este hallazgo y todaviacutea no se ha podido confirmar por medio de experimentos independientes pero si la masa del neutrino no es exactamente cero se tendriacutean repercusiones muy interesantes para la cosmologiacutea En primer lugar la mayor parte de la masa coacutesmica podriacutea encontrarse en forma de neutrinos iexcly hasta ser suficiente para cerrar el Universo Tambieacuten podriacutea ser que la masa faltante de los cuacutemulos de galaxias esteacute constituida por neutrinos atrapados por la atraccioacuten gravitacional de eacutestas Y quizaacutes estamos nadando en un mar de neutrinos sin sospecharlo En un futuro cercano sabremos con certeza si el destino del Universo estaacute regido por estas partiacuteculas fantasmas EL HORIZONTE DEL UNIVERSO Si el Universo fuera abierto su volumen seriacutea infinito y por lo tanto tambieacuten su masa seriacutea infinita Sin embargo debemos distinguir entre el Universo como un todo y la parte de eacutel que es accesible a nuestras observaciones Si el Universo nacioacute hace quince mil millones de antildeos no podemos ver objetos que se encuentren maacutes lejanos que la distancia de quince mil millones de antildeos luz pues la luz emitida por ellos necesitariacutea un tiempo superior a la edad del Universo para llegar a nosotros Asiacute nuestro Universo visible llega hasta un horizonte que se encuentra a unos quince mil millones de antildeos luz Evidentemente el volumen y la masa del Universo visible son finitos Mientras maacutes lejos vemos en el Universo vemos maacutes atraacutes en el tiempo Objetos que se encuentran a mil antildeos luz por ejemplo se ven como eran hace mil antildeos del mismo modo si pudieacuteramos ver el horizonte del Universo estariacuteamos observando el momento mismo de la Creacioacuten Y si no es posible ver nada detraacutes del horizonte es porque maacutes allaacute de eacutel auacuten no habiacutea nacido el Universo Sin embargo con el fin de no especular innecesariamente recordemos que de todos modos la materia del Universo no era transparente en el principio por lo que no podemos observar aquello que sucedioacute antes del momento de la recombinacioacuten (Figura 39)

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Figura 39 La parte del Universo accesible a nuestras observaciones se encuentra dentro del horizonte coacutesmico que corresponde justamente al lugar y momento de la Gran Explosioacuten El Universo no era transparente en un principio asiacute que no podemos ver directamente lo que sucedioacute durante los primeros cientos de miles de antildeos del Universo Al volverse transparente los fotones emitidos por la materia incandescente se liberaron suacutebitamente y ahora los observamos como la radiacioacuten de fondo El horizonte del Universo se ensancha un antildeo luz cada antildeo y al pasar el tiempo vemos objetos cada vez maacutes lejanos Del mismo modo el horizonte era maacutes estrecho en el pasado por ejemplo al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck 10-10 segundos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo visible era del tamantildeo del Aleph de Borges y un segundo despueacutes habiacutea alcanzado un radio de 300 000 kiloacutemetros Seguacuten indican todas las observaciones astronoacutemicas que se han efectuado hasta ahora la distribucioacuten promedio de la materia es homogeacutenea en todo nuestro Universo visible Esta homogeneidad ha sido en siacute todo un enigma Si consideramos dos regiones del Universo cercanas a nuestro horizonte pero en direcciones diametralmente opuestas encontramos que sus densidades son las mismas a pesar de que el tiempo que tardariacutean en influenciarse fiacutesicamente es mayor que la edad del Universo (no olvidemos que ninguna sentildeal interaccioacuten o cuerpo material puede viajar maacutes raacutepido que la luz) iquestCoacutemo regiones tan alejadas pudieron ponerse de acuerdo para adquirir la misma densidad De nada sirve invocar el hecho de que inicialmente la materia del Universo estaba muy concentrada pues al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck y no podiacutea haber influencia entre regiones maacutes alejadas entre siacute que esa distancia regiones muy lejanas del Universo que ahora vemos en direcciones opuestas tampoco tuvieron tiempo de influenciarse en eacutepocas muy remotas a pesar de estar maacutes cerca entre siacute Como vimos en el capiacutetulo anterior la teoriacutea del Universo inflacionario ofrece una solucioacuten al problema de la homogeneidad Por uacuteltimo sentildealemos que nada nos garantiza que en un futuro muy remoto cuando el horizonte coacutesmico se haya ensanchado algunos miles de millones de antildeos luz maacutes no se revele una nueva estructura coacutesmica que no corresponda a los modelos de Friedmann Pero dejemos ese problema a nuestros sucesores en el Universo VIII OTRAS TEORIacuteAS DEL UNIVERSO iquestPOR QUEacute LA GRAN EXPLOSIOacuteN LA MAYORIacuteA de los fiacutesicos y astroacutenomos de la actualidad estaacute convencida de que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es esencialmente correcta Las pruebas maacutes fuertes aparte de la expansioacuten misma del Universo son la radiacioacuten de fondo y la abundancia del helio primordial Estos dos descubrimientos relativamente recientes inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosioacuten Hay que insistir en que esta teoriacutea no es un dogma mdashnadie pretende que lo seamdash sino una explicacioacuten simple y natural de varios hechos observacionales que de otra forma no pueden comprenderse y mucho menos relacionarse entre siacute Por otra parte la objecioacuten maacutes seria a la teoriacutea de la Gran Explosioacuten era que la edad del Universo deducida de los datos de Hubble resultaba incoacutemodamente corta pues no excediacutea la edad de la Tierra calculada por meacutetodos geoloacutegicos pero este escollo fue superado cuando en los antildeos cincuentas se revisaron todos los datos observacionales y se encontroacute que la expansioacuten del Universo era maacutes lenta que la estimada por Hubble y por lo tanto la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba En cuanto al aspecto teoacuterico se puede cuestionar la validez de la Relatividad General sobre la cual estaacute basada la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Nadie duda de que la mecaacutenica de Newton tiene limitaciones pero se han propuesto otras teoriacuteas gravitacionales que tambieacuten la generalizan Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cuaacutel teoriacutea gravitacional es la correcta hasta ahora la de Einstein ha pasado todas las pruebas mientras que otras teoriacuteas se han enfrentado a serias

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dificultades Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada maacutes allaacute de toda duda En todo caso el gran meacuterito de esta teoriacutea es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos que la distinguen de teoriacuteas rivales si la esteacutetica tiene alguacuten valor en las leyes de la naturaleza entonces podemos confiar en la Relatividad General Para no ser parciales vamos a citar a continuacioacuten algunas de las teoriacuteas cosmoloacutegicas rivales de la Gran Explosioacuten sentildealando cuando asiacute sea el caso las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente Algunas de estas teoriacuteas proponen premisas totalmente distintas de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten mientras que otras son variaciones sobre este tema LA TEORIacuteA DEL ESTADO ESTACIONARIO Aquellos que rehuacutesan aceptar que el Universo tuvo un principio pueden encontrar una opcioacuten satisfactoria en la teoriacutea del estado estacionario Seguacuten eacutesta el Universo no soacutelo es uniforme en el espacio sino tambieacuten en el tiempo asiacute como a gran escala una regioacuten del Universo es semejante a otra del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier eacutepoca ya que el Universo existe desde tiempos infinitos Pero iquestcoacutemo reconciliar la expansioacuten del Universo con su apariencia eterna Si se expande su densidad debe de disminuir al paso del tiempo La hipoacutetesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansioacuten Para ello es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kiloacutemetro cuacutebico cada antildeo masa que equivale a apenas un aacutetomo de hidroacutegeno Evidentemente queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe Por otra parte la teoriacutea no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio podriacutea ser que nace en regiones muy especiacuteficas como por ejemplo en los nuacutecleos de las galaxias donde ocurren fenoacutemenos muy extrantildeos como veremos en el capiacutetulo X La teoriacutea del estado estacionario perdioacute su popularidad cuando se descubrioacute la radiacioacuten de fondo ya que no la explica de manera natural en contraste con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Ademaacutes la suposicioacuten de que se crea masa y justamente en la proporcioacuten necesaria para mantener constante la densidad del Universo es totalmente ad hoc y no estaacute sustentada en ninguna teoriacutea fiacutesica o hecho observado LA HIPOacuteTESIS DEL FOTOacuteN CANSADO Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las liacuteneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler eacutesta es la uacutenica explicacioacuten en el marco de la fiacutesica contemporaacutenea Sin embargo no puede excluirse la posibilidad de que alguacuten fenoacutemeno desconocido y no la recesioacuten de las galaxias sea la causa del corrimiento El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto Siempre tuvo cuidado de sentildealar que el corrimiento al rojo se debe probablemente al efecto Doppler pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori La aprehensioacuten de Hubble se debiacutea a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra Cuando esta aparente contradiccioacuten se resolvioacute cobroacute nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros Si no se acepta que el Universo estaacute en expansioacuten sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia soacutelo se puede postular que los fotones pierden energiacutea mdashse cansanmdash al atravesar las distancias coacutesmicas por lo que nos llegan con menos energiacutea de la que disponiacutean al iniciar su travesiacutea mdasho sea corridos hacia el rojomdash Empero nuestros conocimientos de la fiacutesica no aportan ninguacuten sustento a esta hipoacutetesis Un fotoacuten no puede perder energiacutea a menos de que choque con otra partiacutecula pero esto provoca tambieacuten que la trayectoria del fotoacuten se desviacutee Despueacutes de un gran nuacutemero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desviacutean aleatoriamente volviendo borrosa la imagen Sin embargo nada de esto sucede con las galaxias sus imaacutegenes son niacutetidas sus liacuteneas espectrales estaacuten claramente localizadas y los objetos coacutesmicos maacutes lejanos no se ven como manchas borrosas La uacutenica otra circunstancia que se conoce en la que un fotoacuten pierde energiacutea es cuando tiene que escapar de la atraccioacuten gravitacional de un cuerpo masivo Sin embargo se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las liacuteneas espectrales se ensanchen notablemente lo cual no se ha detectado Ademaacutes una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensioacuten mientras que su masa estaacute concentrada en su nuacutecleo y por lo tanto su atraccioacuten gravitacional es maacutes intensa alliacute iquestES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIOacuteN iquestDe queacute orden de magnitud es el tiempo caracteriacutestico de los procesos atoacutemicos Si combinamos la carga q de un electroacuten con su masa m y la velocidad de la luz c podemos formar la cantidad q2mc3 que tiene unidades de tiempo equivale a unos 10-23 segundos y es la unidad de tiempo maacutes apropiada para describir los fenoacutemenos atoacutemicos1

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Figura 39 La parte del Universo accesible a nuestras observaciones se encuentra dentro del horizonte coacutesmico que corresponde justamente al lugar y momento de la Gran Explosioacuten El Universo no era transparente en un principio asiacute que no podemos ver directamente lo que sucedioacute durante los primeros cientos de miles de antildeos del Universo Al volverse transparente los fotones emitidos por la materia incandescente se liberaron suacutebitamente y ahora los observamos como la radiacioacuten de fondo El horizonte del Universo se ensancha un antildeo luz cada antildeo y al pasar el tiempo vemos objetos cada vez maacutes lejanos Del mismo modo el horizonte era maacutes estrecho en el pasado por ejemplo al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck 10-10 segundos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo visible era del tamantildeo del Aleph de Borges y un segundo despueacutes habiacutea alcanzado un radio de 300 000 kiloacutemetros Seguacuten indican todas las observaciones astronoacutemicas que se han efectuado hasta ahora la distribucioacuten promedio de la materia es homogeacutenea en todo nuestro Universo visible Esta homogeneidad ha sido en siacute todo un enigma Si consideramos dos regiones del Universo cercanas a nuestro horizonte pero en direcciones diametralmente opuestas encontramos que sus densidades son las mismas a pesar de que el tiempo que tardariacutean en influenciarse fiacutesicamente es mayor que la edad del Universo (no olvidemos que ninguna sentildeal interaccioacuten o cuerpo material puede viajar maacutes raacutepido que la luz) iquestCoacutemo regiones tan alejadas pudieron ponerse de acuerdo para adquirir la misma densidad De nada sirve invocar el hecho de que inicialmente la materia del Universo estaba muy concentrada pues al tiempo de Planck el radio del Universo visible era igual a la longitud de Planck y no podiacutea haber influencia entre regiones maacutes alejadas entre siacute que esa distancia regiones muy lejanas del Universo que ahora vemos en direcciones opuestas tampoco tuvieron tiempo de influenciarse en eacutepocas muy remotas a pesar de estar maacutes cerca entre siacute Como vimos en el capiacutetulo anterior la teoriacutea del Universo inflacionario ofrece una solucioacuten al problema de la homogeneidad Por uacuteltimo sentildealemos que nada nos garantiza que en un futuro muy remoto cuando el horizonte coacutesmico se haya ensanchado algunos miles de millones de antildeos luz maacutes no se revele una nueva estructura coacutesmica que no corresponda a los modelos de Friedmann Pero dejemos ese problema a nuestros sucesores en el Universo VIII OTRAS TEORIacuteAS DEL UNIVERSO iquestPOR QUEacute LA GRAN EXPLOSIOacuteN LA MAYORIacuteA de los fiacutesicos y astroacutenomos de la actualidad estaacute convencida de que la teoriacutea de la Gran Explosioacuten es esencialmente correcta Las pruebas maacutes fuertes aparte de la expansioacuten misma del Universo son la radiacioacuten de fondo y la abundancia del helio primordial Estos dos descubrimientos relativamente recientes inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosioacuten Hay que insistir en que esta teoriacutea no es un dogma mdashnadie pretende que lo seamdash sino una explicacioacuten simple y natural de varios hechos observacionales que de otra forma no pueden comprenderse y mucho menos relacionarse entre siacute Por otra parte la objecioacuten maacutes seria a la teoriacutea de la Gran Explosioacuten era que la edad del Universo deducida de los datos de Hubble resultaba incoacutemodamente corta pues no excediacutea la edad de la Tierra calculada por meacutetodos geoloacutegicos pero este escollo fue superado cuando en los antildeos cincuentas se revisaron todos los datos observacionales y se encontroacute que la expansioacuten del Universo era maacutes lenta que la estimada por Hubble y por lo tanto la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba En cuanto al aspecto teoacuterico se puede cuestionar la validez de la Relatividad General sobre la cual estaacute basada la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Nadie duda de que la mecaacutenica de Newton tiene limitaciones pero se han propuesto otras teoriacuteas gravitacionales que tambieacuten la generalizan Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cuaacutel teoriacutea gravitacional es la correcta hasta ahora la de Einstein ha pasado todas las pruebas mientras que otras teoriacuteas se han enfrentado a serias

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dificultades Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada maacutes allaacute de toda duda En todo caso el gran meacuterito de esta teoriacutea es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos que la distinguen de teoriacuteas rivales si la esteacutetica tiene alguacuten valor en las leyes de la naturaleza entonces podemos confiar en la Relatividad General Para no ser parciales vamos a citar a continuacioacuten algunas de las teoriacuteas cosmoloacutegicas rivales de la Gran Explosioacuten sentildealando cuando asiacute sea el caso las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente Algunas de estas teoriacuteas proponen premisas totalmente distintas de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten mientras que otras son variaciones sobre este tema LA TEORIacuteA DEL ESTADO ESTACIONARIO Aquellos que rehuacutesan aceptar que el Universo tuvo un principio pueden encontrar una opcioacuten satisfactoria en la teoriacutea del estado estacionario Seguacuten eacutesta el Universo no soacutelo es uniforme en el espacio sino tambieacuten en el tiempo asiacute como a gran escala una regioacuten del Universo es semejante a otra del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier eacutepoca ya que el Universo existe desde tiempos infinitos Pero iquestcoacutemo reconciliar la expansioacuten del Universo con su apariencia eterna Si se expande su densidad debe de disminuir al paso del tiempo La hipoacutetesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansioacuten Para ello es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kiloacutemetro cuacutebico cada antildeo masa que equivale a apenas un aacutetomo de hidroacutegeno Evidentemente queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe Por otra parte la teoriacutea no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio podriacutea ser que nace en regiones muy especiacuteficas como por ejemplo en los nuacutecleos de las galaxias donde ocurren fenoacutemenos muy extrantildeos como veremos en el capiacutetulo X La teoriacutea del estado estacionario perdioacute su popularidad cuando se descubrioacute la radiacioacuten de fondo ya que no la explica de manera natural en contraste con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Ademaacutes la suposicioacuten de que se crea masa y justamente en la proporcioacuten necesaria para mantener constante la densidad del Universo es totalmente ad hoc y no estaacute sustentada en ninguna teoriacutea fiacutesica o hecho observado LA HIPOacuteTESIS DEL FOTOacuteN CANSADO Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las liacuteneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler eacutesta es la uacutenica explicacioacuten en el marco de la fiacutesica contemporaacutenea Sin embargo no puede excluirse la posibilidad de que alguacuten fenoacutemeno desconocido y no la recesioacuten de las galaxias sea la causa del corrimiento El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto Siempre tuvo cuidado de sentildealar que el corrimiento al rojo se debe probablemente al efecto Doppler pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori La aprehensioacuten de Hubble se debiacutea a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra Cuando esta aparente contradiccioacuten se resolvioacute cobroacute nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros Si no se acepta que el Universo estaacute en expansioacuten sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia soacutelo se puede postular que los fotones pierden energiacutea mdashse cansanmdash al atravesar las distancias coacutesmicas por lo que nos llegan con menos energiacutea de la que disponiacutean al iniciar su travesiacutea mdasho sea corridos hacia el rojomdash Empero nuestros conocimientos de la fiacutesica no aportan ninguacuten sustento a esta hipoacutetesis Un fotoacuten no puede perder energiacutea a menos de que choque con otra partiacutecula pero esto provoca tambieacuten que la trayectoria del fotoacuten se desviacutee Despueacutes de un gran nuacutemero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desviacutean aleatoriamente volviendo borrosa la imagen Sin embargo nada de esto sucede con las galaxias sus imaacutegenes son niacutetidas sus liacuteneas espectrales estaacuten claramente localizadas y los objetos coacutesmicos maacutes lejanos no se ven como manchas borrosas La uacutenica otra circunstancia que se conoce en la que un fotoacuten pierde energiacutea es cuando tiene que escapar de la atraccioacuten gravitacional de un cuerpo masivo Sin embargo se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las liacuteneas espectrales se ensanchen notablemente lo cual no se ha detectado Ademaacutes una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensioacuten mientras que su masa estaacute concentrada en su nuacutecleo y por lo tanto su atraccioacuten gravitacional es maacutes intensa alliacute iquestES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIOacuteN iquestDe queacute orden de magnitud es el tiempo caracteriacutestico de los procesos atoacutemicos Si combinamos la carga q de un electroacuten con su masa m y la velocidad de la luz c podemos formar la cantidad q2mc3 que tiene unidades de tiempo equivale a unos 10-23 segundos y es la unidad de tiempo maacutes apropiada para describir los fenoacutemenos atoacutemicos1

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dificultades Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada maacutes allaacute de toda duda En todo caso el gran meacuterito de esta teoriacutea es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos que la distinguen de teoriacuteas rivales si la esteacutetica tiene alguacuten valor en las leyes de la naturaleza entonces podemos confiar en la Relatividad General Para no ser parciales vamos a citar a continuacioacuten algunas de las teoriacuteas cosmoloacutegicas rivales de la Gran Explosioacuten sentildealando cuando asiacute sea el caso las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente Algunas de estas teoriacuteas proponen premisas totalmente distintas de la teoriacutea de la Gran Explosioacuten mientras que otras son variaciones sobre este tema LA TEORIacuteA DEL ESTADO ESTACIONARIO Aquellos que rehuacutesan aceptar que el Universo tuvo un principio pueden encontrar una opcioacuten satisfactoria en la teoriacutea del estado estacionario Seguacuten eacutesta el Universo no soacutelo es uniforme en el espacio sino tambieacuten en el tiempo asiacute como a gran escala una regioacuten del Universo es semejante a otra del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier eacutepoca ya que el Universo existe desde tiempos infinitos Pero iquestcoacutemo reconciliar la expansioacuten del Universo con su apariencia eterna Si se expande su densidad debe de disminuir al paso del tiempo La hipoacutetesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansioacuten Para ello es necesario que se creen aproximadamente 10-24 gramos de materia por kiloacutemetro cuacutebico cada antildeo masa que equivale a apenas un aacutetomo de hidroacutegeno Evidentemente queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe Por otra parte la teoriacutea no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio podriacutea ser que nace en regiones muy especiacuteficas como por ejemplo en los nuacutecleos de las galaxias donde ocurren fenoacutemenos muy extrantildeos como veremos en el capiacutetulo X La teoriacutea del estado estacionario perdioacute su popularidad cuando se descubrioacute la radiacioacuten de fondo ya que no la explica de manera natural en contraste con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Ademaacutes la suposicioacuten de que se crea masa y justamente en la proporcioacuten necesaria para mantener constante la densidad del Universo es totalmente ad hoc y no estaacute sustentada en ninguna teoriacutea fiacutesica o hecho observado LA HIPOacuteTESIS DEL FOTOacuteN CANSADO Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las liacuteneas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler eacutesta es la uacutenica explicacioacuten en el marco de la fiacutesica contemporaacutenea Sin embargo no puede excluirse la posibilidad de que alguacuten fenoacutemeno desconocido y no la recesioacuten de las galaxias sea la causa del corrimiento El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto Siempre tuvo cuidado de sentildealar que el corrimiento al rojo se debe probablemente al efecto Doppler pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori La aprehensioacuten de Hubble se debiacutea a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra Cuando esta aparente contradiccioacuten se resolvioacute cobroacute nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros Si no se acepta que el Universo estaacute en expansioacuten sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia soacutelo se puede postular que los fotones pierden energiacutea mdashse cansanmdash al atravesar las distancias coacutesmicas por lo que nos llegan con menos energiacutea de la que disponiacutean al iniciar su travesiacutea mdasho sea corridos hacia el rojomdash Empero nuestros conocimientos de la fiacutesica no aportan ninguacuten sustento a esta hipoacutetesis Un fotoacuten no puede perder energiacutea a menos de que choque con otra partiacutecula pero esto provoca tambieacuten que la trayectoria del fotoacuten se desviacutee Despueacutes de un gran nuacutemero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desviacutean aleatoriamente volviendo borrosa la imagen Sin embargo nada de esto sucede con las galaxias sus imaacutegenes son niacutetidas sus liacuteneas espectrales estaacuten claramente localizadas y los objetos coacutesmicos maacutes lejanos no se ven como manchas borrosas La uacutenica otra circunstancia que se conoce en la que un fotoacuten pierde energiacutea es cuando tiene que escapar de la atraccioacuten gravitacional de un cuerpo masivo Sin embargo se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las liacuteneas espectrales se ensanchen notablemente lo cual no se ha detectado Ademaacutes una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensioacuten mientras que su masa estaacute concentrada en su nuacutecleo y por lo tanto su atraccioacuten gravitacional es maacutes intensa alliacute iquestES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACIOacuteN iquestDe queacute orden de magnitud es el tiempo caracteriacutestico de los procesos atoacutemicos Si combinamos la carga q de un electroacuten con su masa m y la velocidad de la luz c podemos formar la cantidad q2mc3 que tiene unidades de tiempo equivale a unos 10-23 segundos y es la unidad de tiempo maacutes apropiada para describir los fenoacutemenos atoacutemicos1

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Si medimos la edad del Universo en esa unidad atoacutemica obtenemos evidentemente un nuacutemero inmenso aproximadamente 1040 No habriacutea nada de queacute sorprendernos si no fuera por una curiosa coincidencia Hemos visto que la fuerza eleacutectrica entre un protoacuten y un electroacuten es unas 1040 veces maacutes intensa que la gravitacional iquestEs una casualidad que este nuacutemero tambieacuten sea aproximadamente la edad del Universo medida en unidades atoacutemicas No hay ninguna respuesta obvia podriacutea ser una casualidad sin ninguna consecuencia como podriacutea ser la clave de un problema cosmoloacutegico fundamental Hace algunas deacutecadas el fiacutesico britaacutenico Dirac formuloacute la hipoacutetesis de que la constante de la gravitacioacuten G no es en realidad constante sino que disminuye con el tiempo por lo que la fuerza gravitacional en el pasado era maacutes intensa Seguacuten Dirac la fuerza electromagneacutetica y la gravitacional entre un protoacuten y un electroacuten teniacutean la misma intensidad cuando nacioacute el Universo pero la constante gravitacional fue disminuyendo proporcionalmente con el tiempo en el presente es 1040 veces maacutes pequentildea que en el principio porque han transcurrido 1040 unidades atoacutemicas de tiempo La conjetura de Dirac ha inspirado diversas teoriacuteas gravitacionales y cosmoloacutegicas La uacutenica manera segura de comprobarlas o refutarlas es medir directamente una posible variacioacuten de G Por ejemplo si la gravitacioacuten disminuye con el tiempo la Tierra deberiacutea de inflarse lentamente lo cual tendriacutea implicaciones geoloacutegicas que merecen estudiarse Asimismo la Luna se encontrariacutea maacutes cercana a la Tierra en el pasado y el mes lunar habriacutea sido maacutes corto A partir de estas consideraciones se ha podido establecer que G no variacutea con el tiempo en maacutes de una parte en 1010cada antildeo mdashque corresponde a la precisioacuten de las medicionesmdash pero la hipoacutetesis de Dirac predice una variacioacuten auacuten menor por lo que todaviacutea no se puede afirmar nada definitivo sobre la constancia de G En cuanto al Universo una fuerza gravitacional maacutes intensa en el pasado habriacutea afectado la expansioacuten inicial y esto a su vez modificado la produccioacuten de helio primordial Desgraciadamente las teoriacuteas con G variable que han aparecido hasta ahora no son lo suficientemente precisas para predecir una abundancia especiacutefica de helio u otros elementos por lo que auacuten no se puede afirmar algo sobre la variacioacuten de G con base en la siacutentesis de los elementos primordiales EL UNIVERSO DE MATERIA Y ANTIMATERIA Cuando miramos el cielo y vemos estrellas y galaxias iquestpodemos estar seguros de que estaacuten hechos de materia y no de antimateria Una respuesta rigurosa seriacutea negativa las propiedades de la materia y la antimateria son las mismas excepto por un cambio global del signo de las cargas (y la pequentildea asimetriacutea que ya mencionamos pero que no tiene importancia para las consideraciones que siguen) Un antiaacutetomo estariacutea formado por un nuacutecleo (de carga negativa) de antiprotones y antineutrones rodeado de positrones (de carga positiva) pero la luz emitida por tal antiaacutetomo mdashy particularmente el espectromdash seriacutea ideacutentico a la emitida por un aacutetomo normal Por ello resulta imposible determinar si un objeto que se ve a lo lejos en el espacio estaacute constituido de materia o antimateria ya que el uacutenico conocimiento que tenemos de eacutel es a traveacutes de la luz que nos manda Quizaacutes la galaxia de Androacutemeda estaacute hecha de antimateria Y quizaacutes algunas de las estrellas que vemos en nuestra galaxia son antiestrellas La uacutenica manera de confirmarlo directamente es enviarles una sonda espacial y ver si al contacto con ellas se aniquila iacutentegramente Sin embargo no todo lo posible es real y no hay ninguna razoacuten perentoria de que la antimateria sea tan abundante como la materia Muy por el contrario el hecho de que el Universo esteacute en expansioacuten y que por lo tanto su densidad de masa haya sido alta en el pasado remoto descarta la posibilidad de que parte de la antimateria haya podido evitar el contacto con la materia y se haya salvado de la aniquilacioacuten (cuando la temperatura coacutesmica bajoacute a 109 grados Kelvin) En siacutentesis una abundancia comparable de materia y antimateria es incompatible con la teoriacutea de la Gran Explosioacuten Otra dificultad es que si las nubes interestelares fueran parcialmente de antimateria se estariacutean aniquilando y produciriacutean un flujo continuo de rayos gamma Los sateacutelites artificiales disentildeados especialmente para estudiar rayos coacutesmicos no han detectado nada que pueda corresponder a tal proceso Si existen antiestrellas o antigalaxias en el Universo podriacutean ocasionalmente entrar en contacto con estrellas o galaxias de materia y producir explosiones catastroacuteficas Algunos fiacutesicos han sugerido que eacuteste es el origen de la actividad en los nuacutecleos galaacutecticos y en los cuasares (veacutease el cap X) Por lo que respecta a la vida organizada esperemos que si existen seres de antimateria en alguacuten lugar del Universo no tengan la ocurrencia de visitarnos pues las consecuencias seriacutean fatales para ambos NOTAS 1 Como dato informativo equivale a 10 21 veces el tiempo de Plank

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IX LA EVOLUCIOacuteN COacuteSMICA EL ORIGEN DE LAS ESTRELLAS Y LAS GALAXIAS HASTA ahora hemos descrito la evolucioacuten del Universo como si su densidad fuera homogeacutenea en todo el espacio una suposicioacuten que es vaacutelida mientras se consideren regiones muy grandes con respecto a los cuacutemulos de galaxias Pero en una escala maacutes pequentildea la distribucioacuten de la materia en el Universo dista mucho de ser uniforme por el contrario se encuentra concentrada en estrellas que forman galaxias que a su vez se agrupan en cuacutemulos separados entre siacute por inmensas regiones casi totalmente vaciacuteas Una teoriacutea cosmoloacutegica no puede ser completa si no explica tambieacuten el origen de la estructura a pequentildea escala del Universo Vamos a considerar este problema a continuacioacuten Maacutes lejos se mira en el Universo y maacutes atraacutes se ve en el tiempo por la demora de la luz en recorrer las distancias coacutesmicas A medida que han ido mejorando las teacutecnicas de observacioacuten se han descubierto galaxias cada vez maacutes lejanas sin que su abundancia parezca disminuir Este hecho indica que las galaxias se formaron poco despueacutes de la Gran Explosioacuten seguramente antes de que transcurrieran unos cinco mil millones de antildeos Estamos seguros de que no han nacido galaxias recientemente porque nunca se ha encontrado alguna cercana en pleno proceso de formacioacuten Si pudieacuteramos ver suficientemente lejos en el Universo tendriacuteamos una visioacuten del momento mismo en que empezaron a surgir las galaxias desgraciadamente las observaciones astronoacutemicas se vuelven maacutes difiacuteciles al aumentar las distancias y se hacen necesarios telescopios cada vez maacutes potentes (En los uacuteltimos antildeos los astroacutenomos han detectado unos misteriosos objetos los cuasares que se encuentran en los confines del Universo visible y que podriacutean ser galaxias en plena formacioacuten volveremos a ellos maacutes adelante) El problema de explicar el origen de las galaxias es uno de los maacutes difiacuteciles de la astrofiacutesica moderna pues praacutecticamente no se cuenta con observaciones en las cuales basarse Por el momento la teoriacutea maacutes aceptada es que las galaxias tambieacuten se formaron por el mecanismo que se cree dio origen a las estrellas la contraccioacuten gravitacional1 Por lo tanto vamos a tratar primero del nacimiento de las estrellas La mayoriacutea de los astroacutenomos piensa que las estrellas se forman a partir de las llamadas nubes moleculares que son gigantescas nubes de gas denso y friacuteo Un pedazo de la nube se colapsariacutea sobre siacute misma por su propia fuerza gravitacional si no fuera porque el gas que lo forma se encuentra relativamente caliente y por lo tanto ejerce una presioacuten que compensa la atraccioacuten gravitacional Si la distribucioacuten del gas fuera perfectamente homogeacutenea la presioacuten y la gravedad mantendriacutean el equilibrio por tiempo indefinido Sin embargo en situaciones reales una parte de la nube puede ser ligeramente maacutes densa que otra y romper de este modo el delicado balance entre presioacuten y gravedad Esto sucede si la masa de un pedazo de la nube excede cierto valor criacutetico de modo tal que la fuerza de gravedad vence definitivamente y el pedazo empieza a contraerse aumentando su densidad Este proceso se llama colapso gravitacional Lo interesante es que no importa cuaacuten pequentildea haya sido la perturbacioacuten inicial de la densidad la contraccioacuten procederaacute inevitablemente A medida que se comprime el gas aumenta su presioacuten hasta llegar a compensar la fuerza gravitacional en ese momento se detiene la contraccioacuten La nueva configuracioacuten de equilibrio al que se llega despueacutes de una evolucioacuten complicada es una estrella (Figura 40) la nube de gas tambieacuten puede fragmentarse en varios pedazos maacutes pequentildeos durante el colapso y cada pedazo formar una estrella o un planeta

Figura 40 Una pequentildea perturbacioacuten de la densidad en un medio homogeacuteneo puede producir el colapso gravitacional de una regioacuten cuya masa contenida exceda un valor criacutetico Una estrella es una gigantesca bola de gas incandescente que se mantiene en equilibrio gracias a dos fuerzas que se compensan exactamente la presioacuten del gas caliente que tiende a expander la estrella y la gravitacioacuten de la misma masa estelar que tiende a contraerla (Figura 41) Una estrella obtiene energiacutea para brillar de las reacciones nucleares que se producen en su centro donde se dan temperaturas de varios millones de grados Kelvin En ese sentido una estrella es una gigantesca bomba atoacutemica que funciona continuamente El combustible principal es por lo general el hidroacutegeno que al fusionarse para formar helio libera grandes cantidades de energiacutea Otros procesos nucleares tambieacuten son posibles como veremos maacutes adelante

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Figura 41 En una estrella la presioacuten y la gravedad se compensan mutuamente El nacimiento de una estrella por el colapso gravitacional de una nube gaseosa es un fenoacutemeno en principio plausible En la versioacuten maacutes simple de esta teoriacutea una galaxia seriacutea originalmente una nube maacutes o menos homogeacutenea de gas a partir de la cual se formaron los miles de millones de estrellas que la componen Desgraciadamente el proceso de contraccioacuten queda fuera de las posibilidades actuales de observacioacuten y hasta ahora no se ha podido detectar una sola nube colapsaacutendose para formar estrellas Por esta razoacuten no se puede afirmar que el problema de la formacioacuten estelar haya sido resuelto en todos sus detalles El problema se agrava si tratamos de explicar el origen de las galaxias tambieacuten por un proceso de colapso gravitacional tal como lo acepta la mayoriacutea de los astroacutenomos modernos En principio podemos suponer que las galaxias se formaron porque la materia coacutesmica no era perfectamente homogeacutenea en los primeros instantes del Universo sino que habiacutea regiones ligeramente maacutes densas que el promedio inhomogeneidades o grumos coacutesmicos Estos grumos empezaron a contraerse por su propia gravedad y dieron lugar con el paso del tiempo a las galaxias mdashmaacutes precisamente a condensaciones gaseosas a partir de las cuales se formaron estrellasmdash El inconveniente de esta teoriacutea es que la expansioacuten coacutesmica retarda considerablemente la velocidad de contraccioacuten Se ha podido calcular que si una inhomogeneidad se formoacute un segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten toda la edad del Universo no le seriacutea suficiente para transformarse en algo parecido a una galaxia (por el contrario un grumo en una nube molecular siacute se podriacutea colapsar bajo ciertas condiciones en un tiempo razonable para formar una estrella) Sin embargo los partidarios del colapso gravitacional como origen de las galaxias sentildealan que la contraccioacuten de un grumo pudo iniciarse en principio en cualquier momento y si se quiere formar una galaxia se puede fijar el inicio de la contraccioacuten de eacutepocas tan remotas como las anteriores a la inflacioacuten De hecho las teoriacuteas modernas predicen que en esos instantes iniciales se generoacute todo un zooloacutegico de objetos raros cuerdas y paredes seguacuten la terminologiacutea moderna que despueacutes de la inflacioacuten pudieron sobrevivir y funcionar como semillas para formar galaxias Los fiacutesicos interpretan a estos extrantildeos objetos como pedazos inhomogeacuteneos del vaciacuteo cuaacutentico primordial auacuten es temprano para afirmar si realmente existen mdashlo cual tendriacutea repercusiones muy importantes en la fiacutesicamdash o si por el contrario seraacuten relegados al olvido Sea lo que fuere lo interesante de las conjeturas mencionadas es que se plantea el problema de buscar el origen de las galaxias en las propiedades de la materia a densidades y temperaturas extremadamente altas (muy superiores a las que se podriacutean alcanzar en un laboratorio terrestre) Existen otras teoriacuteas ademaacutes de la inestabilidad gravitacional sobre el origen de las galaxias Una muy interesante (formulada por el astrofiacutesico sovieacutetico L M Ozernoi) es la teoriacutea de la turbulencia coacutesmica seguacuten la cual el Universo primordial se encontraba en un estado caoacutetico lleno de gigantescos remolinos de materia tal como en un liacutequido turbulento Despueacutes del momento de la recombinacioacuten los remolinos sobrevivieron y se convirtieron en galaxias De ser correcta esta hipoacutetesis el hecho de que muchas galaxias tengan forma de rehilete no seriacutea casual Seguacuten otra hipoacutetesis formulada por el astroacutenomo armenio Victor Ambartzumian las galaxias se formaron no por condensacioacuten de materia sino por el proceso contrario una expansioacuten a partir de un nuacutecleo primordial extremadamente denso y compacto Tales nuacutecleos podriacutean ser pedazos del Universo que no participaron de la expansioacuten universal sino que quedaron rezagados durante un largo tiempo Hasta ahora no se le ha podido encontrar un fundamento teoacuterico a esta conjetura mdashpor lo menos dentro del marco de la fiacutesica contemporaacuteneamdash razoacuten por la cual no ha llegado a ser tan popular como otras teoriacuteas Sin embargo hay que reconocer que esta hipoacutetesis es perfectamente compatible con todas las observaciones astronoacutemicas de las que disponemos Como veremos en el capiacutetulo X el fenoacutemeno de eyeccioacuten de masa desde una regioacuten muy compacta es bastante comuacuten en el Universo y ocurre en condiciones y escalas muy variadas mientras que la contraccioacuten de una distribucioacuten de masa nunca se ha podido observar Ademaacutes Ambartzumian predijo con base en su hipoacutetesis que fenoacutemenos muy violentos debiacutean de ocurrir en regiones sumamente compactas en los nuacutecleos de las galaxias lo cual ha sido confirmado plenamente en los uacuteltimos antildeos

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LA COCINA COacuteSMICA Como vimos en el capiacutetulo VII la composicioacuten de la materia coacutesmica despueacutes de la formacioacuten del helio era de 75 de hidroacutegeno 25 de helio y una leve traza de otros elementos El lector seguramente habraacute notado que esa composicioacuten quiacutemica en nada se parece a la que se tiene en nuestro planeta Tierra Nosotros mismos estamos hechos de elementos como el carbono el oxiacutegeno el calcio y muchos maacutes respiramos una mezcla de oxiacutegeno y nitroacutegeno utilizamos metales como el hierro el aluminio el cobre y otros El hidroacutegeno se encuentra en las moleacuteculas del agua pero la presencia del helio en la Tierra es tan poco notoria que fue descubierto primero en el Sol iquestDe doacutende vino toda esta diversidad de elementos si la composicioacuten inicial del Universo consistiacutea praacutecticamente de hidroacutegeno y helio La respuesta estaacute en los astros Los alquimistas teniacutean razoacuten al pensar que los elementos pueden transmutarse unos en otros pero buscaron equivocadamente ese proceso en hornos y alambiques cuando necesitaban temperaturas de millones de grados La transmutacioacuten se produce naturalmente en el interior de las estrellas Veamos coacutemo evolucionan una vez que se formaron ya sea por contraccioacuten gravitacional o alguacuten otro mecanismo Una estrella empieza a brillar en el momento en que la temperatura en su interior llega a ser suficientemente alta para desencadenar reacciones nucleares estas temperaturas se producen por la presioacuten extremadamente elevada a la que se encuentra sometida la regioacuten central de la estrella a su vez la presioacuten es mayor mientras maacutes masiva es la estrella Los nuacutecleos de nuevos elementos se generan por fusioacuten nuclear tal como en los primeros minutos del Universo pero la diferencia fundamental es que una estrella dispone de miles o millones de antildeos para fabricar esos elementos mientras que el Universo se enfrioacute raacutepidamente al expandirse Inicialmente son los nuacutecleos de hidroacutegeno (protones) los que se fusionan entre siacute para producir nuacutecleos de helio (Figura 42) La masa de un nuacutecleo de helio es un poco menor que la masa por separado de los dos protones y dos neutrones que lo componen y la diferencia de masa es justamente la que se convierte en la energiacutea (seguacuten la foacutermula de Einstein E = mc2) que hace brillar a la estrella Eventualmente el hidroacutegeno en el nuacutecleo puede llegar a agotarse pero entonces aparecen nuevas reacciones Si la temperatura central excede de unos doscientos millones de grados los nuacutecleos de helio se fusionan entre siacute y terminan produciendo nuacutecleos de carbono y oxiacutegeno A temperaturas auacuten mayores el carbono produce oxiacutegeno neoacuten sodio y magnesio Y asiacute sucesivamente si la temperatura central excede de unos 3 x 109 grados se pueden formar todos los elementos quiacutemicos cuyo peso atoacutemico es menor que el del fierro Los elementos maacutes pesados que el fierro no pueden fabricarse por la fusioacuten de nuacutecleos maacutes ligeros si no se les suministra energiacutea adicional2 Despueacutes de un comportamiento bastante complicado la estrella agotaraacute su combustible disponible y se apagaraacute con cierta composicioacuten quiacutemica que depende esencialmente de su masa

Figura 42 El ciclo protoacuten-protoacuten La masa de una estrella es el paraacutemetro principal que determina sus propiedades fiacutesicas y su evolucioacuten De hecho no pueden existir estrellas con menos de una centeacutesima parte de la masa del Sol pues la temperatura y presioacuten centrales seriacutean insuficientes para iniciar reacciones nucleares maacutes que una estrella se tendriacutea un planeta En el otro extremo estrellas con maacutes de cien veces la masa del Sol seriacutean inestables y se desbaratariacutean raacutepidamente En contra de lo que podriacutea esperarse mientras maacutes masiva es una estrella menos tiempo brilla si bien dispone de maacutes combustible nuclear lo consume mucho maacutes raacutepidamente que una estrella con menos masa Los astrofiacutesicos han calculado que una estrella extremadamente masiva quema todo su combustible en unos 10 000 antildeos mientras que una estrella como el Sol puede brillar modestamente durante diez mil millones de antildeos (incidentalmente el Sol se encuentra a la mitad de su vida) En consecuencia de lo anterior podemos afirmar con certeza que las estrellas que vemos brillar en el cielo tuvieron fechas de nacimiento muy distintas y que en la actualidad siguen naciendo y muriendo Antes de apagarse definitivamente una estrella arroja al espacio parte de su masa que incluye los elementos que procesoacute Veamos coacutemo ocurre este fenoacutemeno Una estrella cuya masa no excede de unas seis veces la del Sol tiende a arrojar una pequentildea fraccioacuten de su material constitutivo en formas muy diversas La nebulosa que se ve en la figura 11 es un ejemplo de este

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LA COCINA COacuteSMICA Como vimos en el capiacutetulo VII la composicioacuten de la materia coacutesmica despueacutes de la formacioacuten del helio era de 75 de hidroacutegeno 25 de helio y una leve traza de otros elementos El lector seguramente habraacute notado que esa composicioacuten quiacutemica en nada se parece a la que se tiene en nuestro planeta Tierra Nosotros mismos estamos hechos de elementos como el carbono el oxiacutegeno el calcio y muchos maacutes respiramos una mezcla de oxiacutegeno y nitroacutegeno utilizamos metales como el hierro el aluminio el cobre y otros El hidroacutegeno se encuentra en las moleacuteculas del agua pero la presencia del helio en la Tierra es tan poco notoria que fue descubierto primero en el Sol iquestDe doacutende vino toda esta diversidad de elementos si la composicioacuten inicial del Universo consistiacutea praacutecticamente de hidroacutegeno y helio La respuesta estaacute en los astros Los alquimistas teniacutean razoacuten al pensar que los elementos pueden transmutarse unos en otros pero buscaron equivocadamente ese proceso en hornos y alambiques cuando necesitaban temperaturas de millones de grados La transmutacioacuten se produce naturalmente en el interior de las estrellas Veamos coacutemo evolucionan una vez que se formaron ya sea por contraccioacuten gravitacional o alguacuten otro mecanismo Una estrella empieza a brillar en el momento en que la temperatura en su interior llega a ser suficientemente alta para desencadenar reacciones nucleares estas temperaturas se producen por la presioacuten extremadamente elevada a la que se encuentra sometida la regioacuten central de la estrella a su vez la presioacuten es mayor mientras maacutes masiva es la estrella Los nuacutecleos de nuevos elementos se generan por fusioacuten nuclear tal como en los primeros minutos del Universo pero la diferencia fundamental es que una estrella dispone de miles o millones de antildeos para fabricar esos elementos mientras que el Universo se enfrioacute raacutepidamente al expandirse Inicialmente son los nuacutecleos de hidroacutegeno (protones) los que se fusionan entre siacute para producir nuacutecleos de helio (Figura 42) La masa de un nuacutecleo de helio es un poco menor que la masa por separado de los dos protones y dos neutrones que lo componen y la diferencia de masa es justamente la que se convierte en la energiacutea (seguacuten la foacutermula de Einstein E = mc2) que hace brillar a la estrella Eventualmente el hidroacutegeno en el nuacutecleo puede llegar a agotarse pero entonces aparecen nuevas reacciones Si la temperatura central excede de unos doscientos millones de grados los nuacutecleos de helio se fusionan entre siacute y terminan produciendo nuacutecleos de carbono y oxiacutegeno A temperaturas auacuten mayores el carbono produce oxiacutegeno neoacuten sodio y magnesio Y asiacute sucesivamente si la temperatura central excede de unos 3 x 109 grados se pueden formar todos los elementos quiacutemicos cuyo peso atoacutemico es menor que el del fierro Los elementos maacutes pesados que el fierro no pueden fabricarse por la fusioacuten de nuacutecleos maacutes ligeros si no se les suministra energiacutea adicional2 Despueacutes de un comportamiento bastante complicado la estrella agotaraacute su combustible disponible y se apagaraacute con cierta composicioacuten quiacutemica que depende esencialmente de su masa

Figura 42 El ciclo protoacuten-protoacuten La masa de una estrella es el paraacutemetro principal que determina sus propiedades fiacutesicas y su evolucioacuten De hecho no pueden existir estrellas con menos de una centeacutesima parte de la masa del Sol pues la temperatura y presioacuten centrales seriacutean insuficientes para iniciar reacciones nucleares maacutes que una estrella se tendriacutea un planeta En el otro extremo estrellas con maacutes de cien veces la masa del Sol seriacutean inestables y se desbaratariacutean raacutepidamente En contra de lo que podriacutea esperarse mientras maacutes masiva es una estrella menos tiempo brilla si bien dispone de maacutes combustible nuclear lo consume mucho maacutes raacutepidamente que una estrella con menos masa Los astrofiacutesicos han calculado que una estrella extremadamente masiva quema todo su combustible en unos 10 000 antildeos mientras que una estrella como el Sol puede brillar modestamente durante diez mil millones de antildeos (incidentalmente el Sol se encuentra a la mitad de su vida) En consecuencia de lo anterior podemos afirmar con certeza que las estrellas que vemos brillar en el cielo tuvieron fechas de nacimiento muy distintas y que en la actualidad siguen naciendo y muriendo Antes de apagarse definitivamente una estrella arroja al espacio parte de su masa que incluye los elementos que procesoacute Veamos coacutemo ocurre este fenoacutemeno Una estrella cuya masa no excede de unas seis veces la del Sol tiende a arrojar una pequentildea fraccioacuten de su material constitutivo en formas muy diversas La nebulosa que se ve en la figura 11 es un ejemplo de este

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proceso se cree que el Sol formaraacute una nebulosa semejante al final de su vida Despueacutes a medida que se enfriacutea la estrella por agotarse su combustible nuclear se iraacute comprimiendo por la fuerza de su propia gravitacioacuten Si la masa de la estrella no excede una vez y media la del Sol terminaraacute su evolucioacuten convirtieacutendose en una enana blanca una estrella unas cinco veces maacutes grande que la Tierra tan comprimida que una cucharada de su material pesa maacutes de cien kilogramos Si la masa es ligeramente superior a una vez y media la del Sol la estrella se contrae todaviacutea maacutes Los protones y electrones que la constituyen se comprimen tanto que se fusionan entre siacute para formar neutrones El resultado final es una estrella de neutrones cuyo radio no excede de unos 10 kiloacutemetros y es tan compacto que una cucharada de su material pesa miles de millones de toneladas Los llamados pulsares que fueron descubiertos hace algunos antildeos son estrellas de neutrones con un campo magneacutetico muy intenso y que giran como faros emitiendo pulsos en ondas de radio Si la masa de la estrella excede de unas seis veces la del Sol su destino final es completamente distinto Al teacutermino de su evolucioacuten la estrella sufre una explosioacuten catastroacutefica llamada supernova en unas cuantas horas se vuelve tan brillante como cien millones de Soles y puede verse aun si se encuentra en galaxias muy lejanas ese brillo dura varios diacuteas despueacutes de los cuales se va apagando paulatinamente La uacuteltima supernova observada en nuestra propia galaxia ocurrioacute en 1604 se cuenta que era visible de diacutea y alumbraba como la Luna llena durante la noche3 Otra ocurrioacute en 1054 seguacuten los registros de los astroacutenomos chinos y japoneses lo que queda de la estrella que explotoacute es actualmente la nebulosa del Cangrejo (Figura 43) Para los fines que nos interesan mencionemos solamente que una explosioacuten de supernova genera energiacutea suficiente para fabricar por fusioacuten nuclear todos los elementos maacutes pesados que el hierro y ademaacutes arrojarlos violentamente al espacio para enriquecer el gas interestelar con nuevo material Luego a partir de ese gas se formaraacuten nuevas estrellas y planetas como el Sol y la Tierra y quizaacutes tambieacuten otros seres vivos Los aacutetomos de nuestro cuerpo provienen de estrellas que dejaron de brillar hace maacutes de cinco mil millones de antildeos En palabras del poeta

Figura 43 La nebulosa del Cangrejo

Retrocede igualmente lo que antes fue de la tierra a las tierras y lo que se envioacute desde las playas del eacuteter de nuevo devuelto eso reciben los templos del cielo Y no acaba la muerte las cosas de modo tal que destruya de la materia los cuerpos [aacutetomos] pero su reunioacuten los disipa De alliacute uno a otros se junta y hace todas las cosas de modo que conviertan sus formas y muden colores y tomen sentidos y en un punto de tiempo los pierdan4

NOTAS 1 Sugerida por Isaac Newton y estudiada teoacutericamente por el astrofiacutesico ingleacutes James Jeans 2 Un nuacutecleo de uranio se puede fisionar en dos nuacutecleos maacutes ligeros y liberar energiacutea esa misma energiacutea es la que se debe antildeadir a los dos nuacutecleos producidos para volver a formar uno de uranio El proceso contrario fusioacuten con liberacioacuten de energiacutea se da entre los nuacutecleos ligeros como el hidroacutegeno y el helio 3 Tales supernovas han ocurrido en promedio dos o tres veces por milenio quizaacutes con un poco de suerte presenciemos una en nuestra eacutepoca 4 Lucrecio De rerum natura II 999-1006 traduccioacuten de Rubeacuten Bonifaz Nuntildeo X ESTRUCTURA ACTUAL DEL UNIVERSO GALAXIAS Y CUacuteMULOS DE GALAXIAS MILES de millones de antildeos despueacutes de la Gran Explosioacuten el Universo adquirioacute la estructura que ahora presenta galaxias grupos y cuacutemulos de galaxias Veamos con maacutes detalle estos constituyentes del Universo en el presente capiacutetulo Las galaxias son muy distintas entre siacute pero poseen algunas caracteriacutesticas que permiten clasificarlas esencialmente en cuatro categoriacuteas espirales eliacutepticas lenticulares e irregulares Como su nombre lo indica las galaxias espirales son aquellas que presentan brazos espirales y semejan rehiletes La mayoriacutea de las galaxias son de este tipo incluyendo la nuestra y su vecina Androacutemeda (Figura 19) Se distingue en ellas una parte central muy brillante en forma de esfera aplanada de la que surgen los brazos

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caracteriacutesticos las estrellas maacutes brillantes de estas galaxias se localizan en una regioacuten con forma de disco mientras que las estrellas poco luminosas y los cuacutemulos globulares forman un enorme halo esfeacuterico que envuelve al disco (Figura 44) Algunas galaxias espirales poseen una barra central (Figura 45)

Figura 44 Esquema de una galaxia eliacuteptica

Figura 45 Galaxia con barra En las galaxias eliacutepticas la parte central es por lo general maacutes brillante (Figura 46) Estas galaxias casi no poseen gas ni polvo a diferencia de las espirales y las estrellas que las componen son relativamente viejas El tamantildeo de las galaxias eliacutepticas es muy variable las maacutes grandes pueden llegar a poseer hasta diez millones de millones de estrellas

Figura 46 Galaxia eliacuteptica Las galaxias lenticulares son de un tipo intermedio entre las galaxias espirales y las eliacutepticas Como estas uacuteltimas poseen una regioacuten central abultada y un disco de estrellas brillantes pero carecen de brazos por otra parte casi no poseen gas interestelar ni polvo (Figura 47)

Figura 47 Galaxia lenticular Finalmente existe un pequentildeo nuacutemero de galaxias cuya forma es completamente irregular Suelen estar constituidas de estrellas brillantes Las nubes de Magallanes sateacutelites de nuestra galaxia son de este tipo (Figura 48)

Figura 48 La nube mayor de Magallanes

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Hasta la fecha no disponemos de una teoriacutea enteramente satisfactoria que explique la morfologiacutea de las galaxias iquestSon las espirales y las eliacutepticas dos fases distintas de la evolucioacuten de una galaxia en cuyo caso iquestcuaacutel precede a cuaacutel iquesto tuvieron los dos tipos de galaxias oriacutegenes distintos Eacutestas son algunas de las incoacutegnitas que la astrofiacutesica trata de resolver Las galaxias tienden a agruparse ya sea en grupos poco numerosos o en cuacutemulos de cientos o miles de galaxias Nosotros vivimos en el llamado Grupo Local que consta de nuestra galaxia las nubes de Magallanes la galaxia de Androacutemeda y varias galaxias enanas Eacuteste es un conjunto bastante modesto sobre todo si se compara con el cuacutemulo de Virgo (Figura 49) relativamente cercano a unos 30 millones de antildeos luz que contiene alrededor de mil galaxias de todos los tipos y tamantildeos Estudiando la distribucioacuten de las galaxias los astroacutenomos han logrado identificar cerca de 2 500 cuacutemulos de galaxias en todo el Universo accesible a las observaciones astroacutenomicas

Figura 49 Porcioacuten del cuacutemulo de Virgo en la que pueden observarse algunas de sus galaxias iquestExisten a su vez supercuacutemulos de galaxias cuacutemulos de cuacutemulos Eacutesta es una pregunta muy interesante que soacutelo en los uacuteltimos antildeos se ha intentado contestar El problema se asemeja al de descubrir la estructura de un bosque sin salir de eacutel lo uacutenico que se puede hacer es medir cuidadosamente la posicioacuten de cada aacuterbol y construir un mapa del bosque que revele su forma Lo mismo se puede hacer con los cuacutemulos galaacutecticos cuyas distancias se han podido determinar con suficiente precisioacuten (utilizando la ley de Hubble que relaciona la velocidad de recesioacuten medida por el desplazamiento de las liacuteneas espectrales con la distancia) Seguacuten los resultados maacutes recientes de este tipo de estudios los cuacutemulos de galaxias parecen agruparse en supercuacutemulos que tienen formas de filamentos y miden cientos de millones de antildeos luz Entre los filamentos se localizan enormes huecos en los que no se encuentra ni una sola galaxia por ejemplo se ha localizado un hueco en direccioacuten de la constelacioacuten del Boyero que mide unos 250 millones de antildeos luz de diaacutemetro Por lo que respecta al Grupo Local en el que vivimos podriacutea ser una pequentildea componente de un supercuacutemulo que mide maacutes de 70 millones de antildeos luz y que comprende entre otros el gigantesco cuacutemulo de Virgo Si pudieacuteramos tener una visioacuten a gran escala del Universo veriacuteamos una estructura filamentaria que recuerda un encaje (Figura 50) Algunos astrofiacutesicos piensan que originalmente los cuacutemulos galaacutecticos estaban distribuidos al azar pero debido a sus mutuas atracciones gravitacionales con el tiempo llegaron a agruparse en filamentos unidos gravitacionalmente Se ha intentado reproducir por medio de computadoras la evolucioacuten de un conjunto muy grande de puntos interactuando entre siacute gravitacionalmente y distribuidos inicialmente al azar despueacutes de cierto tiempo los puntos tienden a agruparse en estructuras que recuerdan los supercuacutemulos galaacutecticos aunque por supuesto los caacutelculos se refieren a situaciones idealizadas y muy simplificadas con respecto al Universo real

Figura 50 Mapa del Universo en el que cada punto blanco tiene un tamantildeo proporcional al nuacutemero de galaxias en la regioacuten correspondiente (de un grado por un grado) (Elaborado por M Seldner BL Siebers E J Groth y P J E Peebles con datos del observatorio de Lick) La otra posibilidad es que se hayan formado inicialmente distribuciones filamentarias de gas que posteriormente se colapsaron gravitacionalmente fragmentaacutendose y dando origen a los cuacutemulos galaacutecticos Por ahora todaviacutea no podemos afirmar si los cuacutemulos precedieron a los supercuacutemulos o viceversa LOS CUASARES La luz que perciben nuestros ojos ocupa un rango muy estrecho en el espectro electromagneacutetico (veacutease la figura 3) y no todos los cuerpos coacutesmicos emiten la mayor parte de su radiacioacuten en forma de luz visible Con el estudio de las ondas de radio que empezoacute a desarrollarse despueacutes de la segunda Guerra Mundial se abrieron

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nuevas ventanas para la astronomiacutea Los radioastroacutenomos empezaron a localizar fuentes muy potentes de radio en el cielo que no siempre correspondiacutean a alguacuten objeto visible particularmente conspicuo El caso de los cuasares es un ejemplo ilustrativo 3C 273 era una fuente de radio1 bastante potente cuya posicioacuten exacta se logroacute determinar en 1962 en luz visible resultoacute ser una modestiacutesima estrella azul (de magnitud 13) que hasta entonces habiacutea pasado inadvertida la uacutenica particularidad que mostraba esa supuesta estrella en las fotografiacuteas era una emisioacuten de gas en forma de chorro (Figura 51) Pero el espectro de 3C 273 fue una sorpresa pues ninguna liacutenea espectral pareciacutea corresponder a nada conocido Finalmente en 1963 el astroacutenomo Maarten Schmidt resolvioacute el problema al descubrir que las liacuteneas espectrales de 3C 273 eran las del hidroacutegeno pero notablemente corridas hacia al rojo Si este corrimiento se debiacutea al efecto Doppler entonces 3C 273 se estariacutea alejando de nosotros a la velocidad de 50 000 kiloacutemetros por segundo iexclun sexto de la velocidad de la luz Y si esa velocidad de recesioacuten se debiacutea a la expansioacuten del Universo 3C 273 se encontrariacutea seguacuten la ley de Hubble a la distancia de dos mil millones de antildeos luz nunca antes se habiacutea observado un objeto tan lejano

Figura 51 El cuasar 3C 273 (a la izquierda) Noacutetese el chorro emitido A la derecha se ve una estrella comuacuten Posteriormente se descubrieron muchos maacutes cuasares mdashse conocen ya maacutes de 2 000mdash de los cuales 3C 273 resultoacute ser el maacutes cercano El nombre cuasar es una abreviacioacuten del ingleacutes quasi-stellar object objeto casi estelar Los maacutes lejanos detectados hasta ahora tienen velocidades de recesioacuten cercanas a la velocidad de la luz lo cual los situacutea muy cerca del horizonte coacutesmico2 En las placas fotograacuteficas todos los cuasares aparecen como deacutebiles estrellas azules Emiten intensamente en el infrarrojo y el ultravioleta algunos tambieacuten en longitudes de onda de radio y otros son poderosas fuentes de rayos X Si nuestros ojos fueran sensibles a esas longitudes de onda extremas los cuasares nos seriacutean objetos tan comunes como las estrellas Lo sorprendente de los cuasares no es tanto su lejaniacutea sino el hecho de que puedan ser visibles Un cuasar deber ser intriacutensecamente tan brillante (en luz visible) como 1 000 galaxias juntas para que pueda aparecer como una deacutebil estrella si realmente se encuentra a varios miles de millones de antildeos luz Y los cuasares que son radioemisores deben ser millones de veces maacutes potentes que la Viacutea Laacutectea en su conjunto Pero auacuten maacutes sorprendente es el hecho de que esa enorme energiacutea proviene de una regioacuten cuyo tamantildeo no excede un antildeo luz mdashmenos de una cienmileacutesima parte del tamantildeo de una galaxia normalmdash En efecto el brillo de los cuasares oscila con periodos tiacutepicamente de meses Para que un objeto coordine todas sus partes en unos cuantos meses su tamantildeo debe ser menor que la distancia a que viaja la luz en ese tiempo pues ninguna sentildeal es maacutes raacutepida que la luminosa Al principio los astroacutenomos no veiacutean ninguna relacioacuten entre los cuasares y las galaxias pero la brecha entre estos dos tipos de objetos coacutesmicos se ha ido llenando poco a poco al descubrirse galaxias cuyos nuacutecleos presentan semejanzas con los cuasares Hoy en diacutea se piensa que los cuasares son los nuacutecleos de galaxias muy joacutevenes y que la actividad en el nuacutecleo de una galaxia disminuye con el tiempo aunque no desaparece del todo como veremos a continuacioacuten LAS RADIOGALAXIAS Otro de los descubrimientos de la radioastronomiacutea fue la existencia de las llamadas radiogalaxias Eacutestas son gigantescas distribuciones de gas ionizado asociadas a una galaxia visible y que son potentes emisores radio El prototipo de estos objetos es Centauro A la radiogalaxia maacutes cercana Veamos sus caracteriacutesticas Centauro A estaacute asociado a una galaxia eliacuteptica en las fotografiacuteas esta galaxia se ve rodeada de un anillo de polvo (Figura 52) lo cual es de por siacute bastante intrigante pues las galaxias eliacutepticas no suelen contener polvo o gas La emisioacuten de radio proviene de dos gigantescos loacutebulos situados simeacutetricamente de cada lado de la galaxia visible cada uno mide 2 12 millones de antildeos luz casi veinte veces el diaacutemetro de la galaxia eliacuteptica

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Hasta la fecha no disponemos de una teoriacutea enteramente satisfactoria que explique la morfologiacutea de las galaxias iquestSon las espirales y las eliacutepticas dos fases distintas de la evolucioacuten de una galaxia en cuyo caso iquestcuaacutel precede a cuaacutel iquesto tuvieron los dos tipos de galaxias oriacutegenes distintos Eacutestas son algunas de las incoacutegnitas que la astrofiacutesica trata de resolver Las galaxias tienden a agruparse ya sea en grupos poco numerosos o en cuacutemulos de cientos o miles de galaxias Nosotros vivimos en el llamado Grupo Local que consta de nuestra galaxia las nubes de Magallanes la galaxia de Androacutemeda y varias galaxias enanas Eacuteste es un conjunto bastante modesto sobre todo si se compara con el cuacutemulo de Virgo (Figura 49) relativamente cercano a unos 30 millones de antildeos luz que contiene alrededor de mil galaxias de todos los tipos y tamantildeos Estudiando la distribucioacuten de las galaxias los astroacutenomos han logrado identificar cerca de 2 500 cuacutemulos de galaxias en todo el Universo accesible a las observaciones astroacutenomicas

Figura 49 Porcioacuten del cuacutemulo de Virgo en la que pueden observarse algunas de sus galaxias iquestExisten a su vez supercuacutemulos de galaxias cuacutemulos de cuacutemulos Eacutesta es una pregunta muy interesante que soacutelo en los uacuteltimos antildeos se ha intentado contestar El problema se asemeja al de descubrir la estructura de un bosque sin salir de eacutel lo uacutenico que se puede hacer es medir cuidadosamente la posicioacuten de cada aacuterbol y construir un mapa del bosque que revele su forma Lo mismo se puede hacer con los cuacutemulos galaacutecticos cuyas distancias se han podido determinar con suficiente precisioacuten (utilizando la ley de Hubble que relaciona la velocidad de recesioacuten medida por el desplazamiento de las liacuteneas espectrales con la distancia) Seguacuten los resultados maacutes recientes de este tipo de estudios los cuacutemulos de galaxias parecen agruparse en supercuacutemulos que tienen formas de filamentos y miden cientos de millones de antildeos luz Entre los filamentos se localizan enormes huecos en los que no se encuentra ni una sola galaxia por ejemplo se ha localizado un hueco en direccioacuten de la constelacioacuten del Boyero que mide unos 250 millones de antildeos luz de diaacutemetro Por lo que respecta al Grupo Local en el que vivimos podriacutea ser una pequentildea componente de un supercuacutemulo que mide maacutes de 70 millones de antildeos luz y que comprende entre otros el gigantesco cuacutemulo de Virgo Si pudieacuteramos tener una visioacuten a gran escala del Universo veriacuteamos una estructura filamentaria que recuerda un encaje (Figura 50) Algunos astrofiacutesicos piensan que originalmente los cuacutemulos galaacutecticos estaban distribuidos al azar pero debido a sus mutuas atracciones gravitacionales con el tiempo llegaron a agruparse en filamentos unidos gravitacionalmente Se ha intentado reproducir por medio de computadoras la evolucioacuten de un conjunto muy grande de puntos interactuando entre siacute gravitacionalmente y distribuidos inicialmente al azar despueacutes de cierto tiempo los puntos tienden a agruparse en estructuras que recuerdan los supercuacutemulos galaacutecticos aunque por supuesto los caacutelculos se refieren a situaciones idealizadas y muy simplificadas con respecto al Universo real

Figura 50 Mapa del Universo en el que cada punto blanco tiene un tamantildeo proporcional al nuacutemero de galaxias en la regioacuten correspondiente (de un grado por un grado) (Elaborado por M Seldner BL Siebers E J Groth y P J E Peebles con datos del observatorio de Lick) La otra posibilidad es que se hayan formado inicialmente distribuciones filamentarias de gas que posteriormente se colapsaron gravitacionalmente fragmentaacutendose y dando origen a los cuacutemulos galaacutecticos Por ahora todaviacutea no podemos afirmar si los cuacutemulos precedieron a los supercuacutemulos o viceversa LOS CUASARES La luz que perciben nuestros ojos ocupa un rango muy estrecho en el espectro electromagneacutetico (veacutease la figura 3) y no todos los cuerpos coacutesmicos emiten la mayor parte de su radiacioacuten en forma de luz visible Con el estudio de las ondas de radio que empezoacute a desarrollarse despueacutes de la segunda Guerra Mundial se abrieron

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nuevas ventanas para la astronomiacutea Los radioastroacutenomos empezaron a localizar fuentes muy potentes de radio en el cielo que no siempre correspondiacutean a alguacuten objeto visible particularmente conspicuo El caso de los cuasares es un ejemplo ilustrativo 3C 273 era una fuente de radio1 bastante potente cuya posicioacuten exacta se logroacute determinar en 1962 en luz visible resultoacute ser una modestiacutesima estrella azul (de magnitud 13) que hasta entonces habiacutea pasado inadvertida la uacutenica particularidad que mostraba esa supuesta estrella en las fotografiacuteas era una emisioacuten de gas en forma de chorro (Figura 51) Pero el espectro de 3C 273 fue una sorpresa pues ninguna liacutenea espectral pareciacutea corresponder a nada conocido Finalmente en 1963 el astroacutenomo Maarten Schmidt resolvioacute el problema al descubrir que las liacuteneas espectrales de 3C 273 eran las del hidroacutegeno pero notablemente corridas hacia al rojo Si este corrimiento se debiacutea al efecto Doppler entonces 3C 273 se estariacutea alejando de nosotros a la velocidad de 50 000 kiloacutemetros por segundo iexclun sexto de la velocidad de la luz Y si esa velocidad de recesioacuten se debiacutea a la expansioacuten del Universo 3C 273 se encontrariacutea seguacuten la ley de Hubble a la distancia de dos mil millones de antildeos luz nunca antes se habiacutea observado un objeto tan lejano

Figura 51 El cuasar 3C 273 (a la izquierda) Noacutetese el chorro emitido A la derecha se ve una estrella comuacuten Posteriormente se descubrieron muchos maacutes cuasares mdashse conocen ya maacutes de 2 000mdash de los cuales 3C 273 resultoacute ser el maacutes cercano El nombre cuasar es una abreviacioacuten del ingleacutes quasi-stellar object objeto casi estelar Los maacutes lejanos detectados hasta ahora tienen velocidades de recesioacuten cercanas a la velocidad de la luz lo cual los situacutea muy cerca del horizonte coacutesmico2 En las placas fotograacuteficas todos los cuasares aparecen como deacutebiles estrellas azules Emiten intensamente en el infrarrojo y el ultravioleta algunos tambieacuten en longitudes de onda de radio y otros son poderosas fuentes de rayos X Si nuestros ojos fueran sensibles a esas longitudes de onda extremas los cuasares nos seriacutean objetos tan comunes como las estrellas Lo sorprendente de los cuasares no es tanto su lejaniacutea sino el hecho de que puedan ser visibles Un cuasar deber ser intriacutensecamente tan brillante (en luz visible) como 1 000 galaxias juntas para que pueda aparecer como una deacutebil estrella si realmente se encuentra a varios miles de millones de antildeos luz Y los cuasares que son radioemisores deben ser millones de veces maacutes potentes que la Viacutea Laacutectea en su conjunto Pero auacuten maacutes sorprendente es el hecho de que esa enorme energiacutea proviene de una regioacuten cuyo tamantildeo no excede un antildeo luz mdashmenos de una cienmileacutesima parte del tamantildeo de una galaxia normalmdash En efecto el brillo de los cuasares oscila con periodos tiacutepicamente de meses Para que un objeto coordine todas sus partes en unos cuantos meses su tamantildeo debe ser menor que la distancia a que viaja la luz en ese tiempo pues ninguna sentildeal es maacutes raacutepida que la luminosa Al principio los astroacutenomos no veiacutean ninguna relacioacuten entre los cuasares y las galaxias pero la brecha entre estos dos tipos de objetos coacutesmicos se ha ido llenando poco a poco al descubrirse galaxias cuyos nuacutecleos presentan semejanzas con los cuasares Hoy en diacutea se piensa que los cuasares son los nuacutecleos de galaxias muy joacutevenes y que la actividad en el nuacutecleo de una galaxia disminuye con el tiempo aunque no desaparece del todo como veremos a continuacioacuten LAS RADIOGALAXIAS Otro de los descubrimientos de la radioastronomiacutea fue la existencia de las llamadas radiogalaxias Eacutestas son gigantescas distribuciones de gas ionizado asociadas a una galaxia visible y que son potentes emisores radio El prototipo de estos objetos es Centauro A la radiogalaxia maacutes cercana Veamos sus caracteriacutesticas Centauro A estaacute asociado a una galaxia eliacuteptica en las fotografiacuteas esta galaxia se ve rodeada de un anillo de polvo (Figura 52) lo cual es de por siacute bastante intrigante pues las galaxias eliacutepticas no suelen contener polvo o gas La emisioacuten de radio proviene de dos gigantescos loacutebulos situados simeacutetricamente de cada lado de la galaxia visible cada uno mide 2 12 millones de antildeos luz casi veinte veces el diaacutemetro de la galaxia eliacuteptica

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nuevas ventanas para la astronomiacutea Los radioastroacutenomos empezaron a localizar fuentes muy potentes de radio en el cielo que no siempre correspondiacutean a alguacuten objeto visible particularmente conspicuo El caso de los cuasares es un ejemplo ilustrativo 3C 273 era una fuente de radio1 bastante potente cuya posicioacuten exacta se logroacute determinar en 1962 en luz visible resultoacute ser una modestiacutesima estrella azul (de magnitud 13) que hasta entonces habiacutea pasado inadvertida la uacutenica particularidad que mostraba esa supuesta estrella en las fotografiacuteas era una emisioacuten de gas en forma de chorro (Figura 51) Pero el espectro de 3C 273 fue una sorpresa pues ninguna liacutenea espectral pareciacutea corresponder a nada conocido Finalmente en 1963 el astroacutenomo Maarten Schmidt resolvioacute el problema al descubrir que las liacuteneas espectrales de 3C 273 eran las del hidroacutegeno pero notablemente corridas hacia al rojo Si este corrimiento se debiacutea al efecto Doppler entonces 3C 273 se estariacutea alejando de nosotros a la velocidad de 50 000 kiloacutemetros por segundo iexclun sexto de la velocidad de la luz Y si esa velocidad de recesioacuten se debiacutea a la expansioacuten del Universo 3C 273 se encontrariacutea seguacuten la ley de Hubble a la distancia de dos mil millones de antildeos luz nunca antes se habiacutea observado un objeto tan lejano

Figura 51 El cuasar 3C 273 (a la izquierda) Noacutetese el chorro emitido A la derecha se ve una estrella comuacuten Posteriormente se descubrieron muchos maacutes cuasares mdashse conocen ya maacutes de 2 000mdash de los cuales 3C 273 resultoacute ser el maacutes cercano El nombre cuasar es una abreviacioacuten del ingleacutes quasi-stellar object objeto casi estelar Los maacutes lejanos detectados hasta ahora tienen velocidades de recesioacuten cercanas a la velocidad de la luz lo cual los situacutea muy cerca del horizonte coacutesmico2 En las placas fotograacuteficas todos los cuasares aparecen como deacutebiles estrellas azules Emiten intensamente en el infrarrojo y el ultravioleta algunos tambieacuten en longitudes de onda de radio y otros son poderosas fuentes de rayos X Si nuestros ojos fueran sensibles a esas longitudes de onda extremas los cuasares nos seriacutean objetos tan comunes como las estrellas Lo sorprendente de los cuasares no es tanto su lejaniacutea sino el hecho de que puedan ser visibles Un cuasar deber ser intriacutensecamente tan brillante (en luz visible) como 1 000 galaxias juntas para que pueda aparecer como una deacutebil estrella si realmente se encuentra a varios miles de millones de antildeos luz Y los cuasares que son radioemisores deben ser millones de veces maacutes potentes que la Viacutea Laacutectea en su conjunto Pero auacuten maacutes sorprendente es el hecho de que esa enorme energiacutea proviene de una regioacuten cuyo tamantildeo no excede un antildeo luz mdashmenos de una cienmileacutesima parte del tamantildeo de una galaxia normalmdash En efecto el brillo de los cuasares oscila con periodos tiacutepicamente de meses Para que un objeto coordine todas sus partes en unos cuantos meses su tamantildeo debe ser menor que la distancia a que viaja la luz en ese tiempo pues ninguna sentildeal es maacutes raacutepida que la luminosa Al principio los astroacutenomos no veiacutean ninguna relacioacuten entre los cuasares y las galaxias pero la brecha entre estos dos tipos de objetos coacutesmicos se ha ido llenando poco a poco al descubrirse galaxias cuyos nuacutecleos presentan semejanzas con los cuasares Hoy en diacutea se piensa que los cuasares son los nuacutecleos de galaxias muy joacutevenes y que la actividad en el nuacutecleo de una galaxia disminuye con el tiempo aunque no desaparece del todo como veremos a continuacioacuten LAS RADIOGALAXIAS Otro de los descubrimientos de la radioastronomiacutea fue la existencia de las llamadas radiogalaxias Eacutestas son gigantescas distribuciones de gas ionizado asociadas a una galaxia visible y que son potentes emisores radio El prototipo de estos objetos es Centauro A la radiogalaxia maacutes cercana Veamos sus caracteriacutesticas Centauro A estaacute asociado a una galaxia eliacuteptica en las fotografiacuteas esta galaxia se ve rodeada de un anillo de polvo (Figura 52) lo cual es de por siacute bastante intrigante pues las galaxias eliacutepticas no suelen contener polvo o gas La emisioacuten de radio proviene de dos gigantescos loacutebulos situados simeacutetricamente de cada lado de la galaxia visible cada uno mide 2 12 millones de antildeos luz casi veinte veces el diaacutemetro de la galaxia eliacuteptica

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Figura 52 Mapa en radio de la radiogalaxia Centauro A junto con la fotografiacutea a escala maacutes grande de su galaxia central La emisioacuten en radio proviene de los dos grandes loacutebulos Los loacutebulos estaacuten constituidos de plasma gas ionizado con un campo magneacutetico En un plasma los electrones que se han desligado de los aacutetomos se mueven girando a lo largo de las liacuteneas del campo magneacutetico y emiten radiacioacuten en praacutecticamente todas las longitudes de onda pero muy particularmente ondas de radio e infrarrojas Este proceso se llama emisioacuten sincrotroacutenica cuando la velocidad de los electrones es cercana a la de la luz mdashcomo es el caso de Centauro A El plasma de los loacutebulos es eyectado de una pequentildeiacutesima regioacuten en el nuacutecleo de la galaxia visible (Figura 53) El brillo de esa regioacuten variacutea en unos cuantos meses por lo que su tamantildeo no puede exceder de una deacutecima parte de un antildeo luz Maacutes auacuten emite rayos X con una variacioacuten de diacuteas lo cual indica que el nuacutecleo posee una parte central que se encuentra a varios millones de grados y cuyo tamantildeo es comparable al del Sistema Solar Asiacute tenemos el fenoacutemeno notable de que de un lugar extremadamente pequentildeo en comparacioacuten con la galaxia fluye la materia en dos direcciones bien definidas llegando a abarcar una extensioacuten de 2 12 millones de antildeos luz (distancia comparable a la que hay entre la Viacutea Laacutectea y la galaxia de Androacutemeda) El mismo comportamiento se observa en todas las otras radiogalaxias conocidas pares de gigantescos loacutebulos de plasma emergen de una diminuta regioacuten en el nuacutecleo de una galaxia visible iquestCuaacutel es la naturaleza de esa misteriosa maacutequina central en el nuacutecleo de las galaxias Eacutesta es quizaacutes la pregunta maacutes importante de la astrofiacutesica moderna que podriacutea dar la clave del origen de las galaxias y de muchos otros fenoacutemenos coacutesmicos Por ahora es un problema abierto a la investigacioacuten (mencionaremos maacutes adelante una posible explicacioacuten)

Figura 53 Imagen de la galaxia NCG 6251 en 3 escalas distintas construida a partir de observaciones radioastronoacutemicas Se ve el nacimiento de uno de los dos chorros que originan los loacutebulos de una radiogalaxia (Adaptado de Readhed Cohen y Blandford Nature 272 1972) EL NUacuteCLEO DE LAS GALAXIAS En los antildeos cuarentas el astroacutenomo Seyfert descubrioacute un tipo de galaxias espirales cuyos nuacutecleos son excepcionalmente brillantes el anaacutelisis espectroscoacutepico reveloacute la presencia en el centro de ellas de gas ionizado extremadamente caliente y animado de velocidades muy altas Lo maacutes interesante es que el espectro del nuacutecleo de estas galaxias tiene la misma apariencia que el de los cuasares excepto por el brillo intriacutenseco menos intenso y un corrimiento al rojo mucho menor Tal parece que las galaxias de Seyfert son el eslaboacuten entre los cuasares y las galaxias espirales normales Pero aun las galaxias normales parecen poseer alguacuten objeto misterioso en sus centros En los uacuteltimos antildeos se ha detectado indirectamente la presencia de objetos muy masivos y compactos en los nuacutecleos de algunas galaxias Por ejemplo las estrellas en la parte central de la galaxia M87 (Figura 54) se encuentran sumamente

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concentradas y giran alrededor del centro galaacutectico a muy altas velocidades esto es posible soacutelo si existe en el nuacutecleo un cuerpo muy compacto y con una masa equivalente a unos 5 000 millones de soles que mantenga unidas gravitacionalmente a estas estrellas Como veremos maacutes adelante podriacutea tratarse de un gigantesco agujero negro

Figura 54 Galaxia M87 Incluso nuestra propia galaxia muestra cierta extrantildea actividad en su centro Las observaciones maacutes recientes en luz infrarroja y en radio han revelado la presencia de gas emitido a grandes velocidades desde una regioacuten central sumamente compacta Ademaacutes el movimiento de las estrellas cerca del centro galaacutectico tambieacuten parece indicar la presencia de un objeto compacto con una masa de varios millones de soles Con base en las observaciones modernas no cabe duda de que fenoacutemenos auacuten inexplicables suceden en los nuacutecleos galaacutecticos En algunas galaxias la actividad es muy notoria mientras que en otras no se manifiesta directamente Muchos astroacutenomos estaacuten convencidos de que los cuasares son los nuacutecleos de galaxias en proceso de formacioacuten en efecto se ha detectado la presencia de nebulosidades alrededor de ellos mucho menos brillantes que el cuasar mismo pero asociadas a eacuteste En cuanto a las galaxias de Seyfert podriacutean ser cuasares maacutes evolucionados que ya han tomado la forma de galaxias Finalmente y dentro de este esquema evolutivo la actividad nuclear en una galaxia se apagariacutea con el tiempo y quedariacutea una galaxia normal como la nuestra La maacutequina central permaneceraacute oculta en la regioacuten central de la galaxia donde la densidad de estrellas es muy alta Tambieacuten existe un viacutenculo entre las radiogalaxias y los cuasares el espectro de la galaxia central suele ser muy parecido al de ciertos cuasares Otra caracteriacutestica en comuacuten es la eyeccioacuten desde una regioacuten central muy pequentildea de un chorro de plasma sumamente energeacutetico En el caso de las radiogalaxias este chorro es doble mientras que los cuasares soacutelo exhiben uno sin ninguacuten loacutebulo radioemisor Ese chorro de materia podriacutea ser una clave para entender queacute sucede en los nuacutecleos galaacutecticos y en los cuasares En la Figura 51 se ve claramente el chorro emitido por el cuasar 3C 273 quizaacutes tiene una contraparte del otro lado del cuasar que no vemos por ser menos intensa De hecho el plasma emitido hacia nosotros radia luz que por el efecto Doppler nos llega corrida hacia el azul (o sea maacutes energeacutetica) mientras que si hay plasma emitido en sentido contrario se veriacutea maacutes deacutebil o no se veriacutea por emitir luz que recibimos corrida al rojo Otro ejemplo notable por su relativa cercaniacutea es la galaxia gigante M87 que ya mencionamos anteriormente y que se ve en la figura 54 con su correspondiente chorro de unos 5 000 antildeos luz de longitud La galaxia y su chorro emiten ondas de radio y rayos X M87 se encuentra a untildeos 50 millones de antildeos luz pero si estuviera maacutes lejos la veriacuteamos como un cuasar bastante tiacutepico Los radioastroacutenomos han desarrollado una teacutecnica de observacioacuten radioastronoacutemica que consiste en conectar entre siacute varios radiotelescopios y utilizar un principio llamado interferometriacutea para producir imaacutegenes muy precisas de cuerpos celestes radioemisores Esta teacutecnica permite ver en ondas de radio lo que los telescopios normales no pueden discernir En la Figura 55 se ve una serie de imaacutegenes en radio del nuacutecleo del cuasar 3C 147 tomadas a intervalos de algunos meses en los que se advierte claramente un chorro de plasma eyectado desde una pequentildea regioacuten Seguacuten estas imaacutegenes el chorro aumentoacute 25 antildeos luz su tamantildeo en soacutelo tres antildeos iexcllo cual implica una velocidad ocho veces superior a la de la luz Aparentemente esto viola el principio de que nada puede moverse maacutes raacutepidamente que la luz Sin embargo se puede explicar esta velocidad superluminosa si el chorro estaacute dirigido casi hacia nosotros y se mueve a una velocidad muy cercana mdashiexclpero inferiormdash a la luminosa la luz emitida por la parte delantera del chorro nos llega antes que la emitida simultaacuteneamente por la parte trasera la cual se ve rezagada el efecto neto es una aparente expansioacuten maacutes raacutepida que la luz

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Figura 55 Imaacutegenes del Nuacutecleo del cuasar 3C 273 construidas a partir de observaciones radioastronoacutemicas Noacutetese la eyeccioacuten de materia (De Pearson et al Nature 290 1981) Como el caso de 3C 273 no es el uacutenico que se ha encontrado en que se ve una expansioacuten superluminosa los astroacutenomos sospechan que los chorros soacutelo son visibles si son emitidos casi exactamente hacia nosotros como sentildealamos maacutes arriba el efecto Doppler produce un aumento de la energiacutea radiada por el plasma y recibida en la Tierra iquestAGUJEROS NEGROS EN LOS NUacuteCLEOS GALAacuteCTICOS Un gigantesco agujero negro que succione la materia a su alrededor podriacutea causar en principio algunos de los fenoacutemenos que se observan en el centro de las galaxias Eacutesta es la explicacioacuten maacutes popular en la actualidad Hay que sentildealar sin embargo que auacuten faltan muchas observaciones y estudios teoacutericos para confirmar esta hipoacutetesis Un agujero negro es una concentracioacuten de masa cuyo campo gravitacional es tan intenso que no deja escapar la luz La teoriacutea de la Relatividad General predice la existencia de tales objetos y los interpreta como regiones del espacio-tiempo extremadamente curvadas La materia puede penetrar a un agujero negro pero nunca salir de eacutel Muchos astroacutenomos aceptan la idea de que las estrellas muy masivas terminan su evolucioacuten volvieacutendose agujeros negros (despueacutes de haberse desembarazado de parte de su masa por una explosioacuten de supernova) Tambieacuten podriacutean existir agujeros negros gigantescos de varios miles de millones de veces la masa del Sol en los nuacutecleos de las galaxias aunque el origen de ellos es maacutes incierto Un agujero negro aislado en el espacio soacutelo puede detectarse por su atraccioacuten gravitacional pero si se encuentra rodeado de materia es capaz de calentar por friccioacuten el material que cae en eacutel Un agujero negro gigantesco que se encuentre en el centro de una galaxia formaraacute a su alrededor un enorme disco de gas proveniente de las estrellas cercanas o del material interestelar A medida que este material se acerca al agujero se calienta por su friccioacuten interna y libera enormes cantidades de energiacutea en forma de radiacioacuten3 Se ha sugerido incluso que se forman de cada lado del agujero dos remolinos paralelos al eje de rotacioacuten del gas estos remolinos pueden funcionar como cantildeones por donde se arroja la materia que no llega a penetrar al agujero y producir asiacute los misteriosos chorros de plasma que se observan en los cuasares y las radiogalaxias (Figura 56)

Figura 56 Posible mecanismo para producir chorros un disco grueso forma dos remolinos y la presioacuten de la radiacioacuten cerca del agujero negro empuja el material que no penetra al agujero a lo largo de los remolinos iquestCuaacutel es el origen de los hoyos negros gigantescos Se ha especulado que en los primeros instantes del Universo se pudieron formar agujeros negros con masas muy variables como resultado del colapso gravitacional de las inhomogeneidades o grumos que describimos en el capiacutetulo anterior Una vez formados esos agujeros negros primordiales atrajeron gravitacionalmente a la materia a su alrededor parte de esta materia fue absorbida por el agujero aumentando su masa y otra parte se quedoacute girando alrededor del agujero sin caer en eacutel formando una enorme nube de gas que finalmente se transformoacute en una galaxia Lo atractivo de esta hipoacutetesis es que explica en forma natural por queacute deben encontrarse agujeros negros en el nuacutecleo de las galaxias NOTAS 1 La nomenclatura significa que esa fuente aparece con el nuacutemero 273 en el Tercer Cataacutelogo de Cambridge de radiofuentes 2 Es importante notar que la ley de Hubble tal como se da en la paacutegina 69 es vaacutelida soacutelo para velocidades pequentildeas con respecto a la de la luz Para objetos tan distantes como los cuasares se deben de tomar en cuenta correcciones relativistas y cosmoloacutegicas 3 Tal fenoacutemeno puede suceder tambieacuten en un sistema estelar doble en el que una estrella se ha vuelto agujero negro y succiona el gas de su compantildeera Antes de penetrar el agujero el gas alcanza temperaturas de varios millones de grados y emite en rayos X Se cree que la fuente de rayos X llamada Cygnus X-1 es un ejemplo de este mecanismo

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concentradas y giran alrededor del centro galaacutectico a muy altas velocidades esto es posible soacutelo si existe en el nuacutecleo un cuerpo muy compacto y con una masa equivalente a unos 5 000 millones de soles que mantenga unidas gravitacionalmente a estas estrellas Como veremos maacutes adelante podriacutea tratarse de un gigantesco agujero negro

Figura 54 Galaxia M87 Incluso nuestra propia galaxia muestra cierta extrantildea actividad en su centro Las observaciones maacutes recientes en luz infrarroja y en radio han revelado la presencia de gas emitido a grandes velocidades desde una regioacuten central sumamente compacta Ademaacutes el movimiento de las estrellas cerca del centro galaacutectico tambieacuten parece indicar la presencia de un objeto compacto con una masa de varios millones de soles Con base en las observaciones modernas no cabe duda de que fenoacutemenos auacuten inexplicables suceden en los nuacutecleos galaacutecticos En algunas galaxias la actividad es muy notoria mientras que en otras no se manifiesta directamente Muchos astroacutenomos estaacuten convencidos de que los cuasares son los nuacutecleos de galaxias en proceso de formacioacuten en efecto se ha detectado la presencia de nebulosidades alrededor de ellos mucho menos brillantes que el cuasar mismo pero asociadas a eacuteste En cuanto a las galaxias de Seyfert podriacutean ser cuasares maacutes evolucionados que ya han tomado la forma de galaxias Finalmente y dentro de este esquema evolutivo la actividad nuclear en una galaxia se apagariacutea con el tiempo y quedariacutea una galaxia normal como la nuestra La maacutequina central permaneceraacute oculta en la regioacuten central de la galaxia donde la densidad de estrellas es muy alta Tambieacuten existe un viacutenculo entre las radiogalaxias y los cuasares el espectro de la galaxia central suele ser muy parecido al de ciertos cuasares Otra caracteriacutestica en comuacuten es la eyeccioacuten desde una regioacuten central muy pequentildea de un chorro de plasma sumamente energeacutetico En el caso de las radiogalaxias este chorro es doble mientras que los cuasares soacutelo exhiben uno sin ninguacuten loacutebulo radioemisor Ese chorro de materia podriacutea ser una clave para entender queacute sucede en los nuacutecleos galaacutecticos y en los cuasares En la Figura 51 se ve claramente el chorro emitido por el cuasar 3C 273 quizaacutes tiene una contraparte del otro lado del cuasar que no vemos por ser menos intensa De hecho el plasma emitido hacia nosotros radia luz que por el efecto Doppler nos llega corrida hacia el azul (o sea maacutes energeacutetica) mientras que si hay plasma emitido en sentido contrario se veriacutea maacutes deacutebil o no se veriacutea por emitir luz que recibimos corrida al rojo Otro ejemplo notable por su relativa cercaniacutea es la galaxia gigante M87 que ya mencionamos anteriormente y que se ve en la figura 54 con su correspondiente chorro de unos 5 000 antildeos luz de longitud La galaxia y su chorro emiten ondas de radio y rayos X M87 se encuentra a untildeos 50 millones de antildeos luz pero si estuviera maacutes lejos la veriacuteamos como un cuasar bastante tiacutepico Los radioastroacutenomos han desarrollado una teacutecnica de observacioacuten radioastronoacutemica que consiste en conectar entre siacute varios radiotelescopios y utilizar un principio llamado interferometriacutea para producir imaacutegenes muy precisas de cuerpos celestes radioemisores Esta teacutecnica permite ver en ondas de radio lo que los telescopios normales no pueden discernir En la Figura 55 se ve una serie de imaacutegenes en radio del nuacutecleo del cuasar 3C 147 tomadas a intervalos de algunos meses en los que se advierte claramente un chorro de plasma eyectado desde una pequentildea regioacuten Seguacuten estas imaacutegenes el chorro aumentoacute 25 antildeos luz su tamantildeo en soacutelo tres antildeos iexcllo cual implica una velocidad ocho veces superior a la de la luz Aparentemente esto viola el principio de que nada puede moverse maacutes raacutepidamente que la luz Sin embargo se puede explicar esta velocidad superluminosa si el chorro estaacute dirigido casi hacia nosotros y se mueve a una velocidad muy cercana mdashiexclpero inferiormdash a la luminosa la luz emitida por la parte delantera del chorro nos llega antes que la emitida simultaacuteneamente por la parte trasera la cual se ve rezagada el efecto neto es una aparente expansioacuten maacutes raacutepida que la luz

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Figura 55 Imaacutegenes del Nuacutecleo del cuasar 3C 273 construidas a partir de observaciones radioastronoacutemicas Noacutetese la eyeccioacuten de materia (De Pearson et al Nature 290 1981) Como el caso de 3C 273 no es el uacutenico que se ha encontrado en que se ve una expansioacuten superluminosa los astroacutenomos sospechan que los chorros soacutelo son visibles si son emitidos casi exactamente hacia nosotros como sentildealamos maacutes arriba el efecto Doppler produce un aumento de la energiacutea radiada por el plasma y recibida en la Tierra iquestAGUJEROS NEGROS EN LOS NUacuteCLEOS GALAacuteCTICOS Un gigantesco agujero negro que succione la materia a su alrededor podriacutea causar en principio algunos de los fenoacutemenos que se observan en el centro de las galaxias Eacutesta es la explicacioacuten maacutes popular en la actualidad Hay que sentildealar sin embargo que auacuten faltan muchas observaciones y estudios teoacutericos para confirmar esta hipoacutetesis Un agujero negro es una concentracioacuten de masa cuyo campo gravitacional es tan intenso que no deja escapar la luz La teoriacutea de la Relatividad General predice la existencia de tales objetos y los interpreta como regiones del espacio-tiempo extremadamente curvadas La materia puede penetrar a un agujero negro pero nunca salir de eacutel Muchos astroacutenomos aceptan la idea de que las estrellas muy masivas terminan su evolucioacuten volvieacutendose agujeros negros (despueacutes de haberse desembarazado de parte de su masa por una explosioacuten de supernova) Tambieacuten podriacutean existir agujeros negros gigantescos de varios miles de millones de veces la masa del Sol en los nuacutecleos de las galaxias aunque el origen de ellos es maacutes incierto Un agujero negro aislado en el espacio soacutelo puede detectarse por su atraccioacuten gravitacional pero si se encuentra rodeado de materia es capaz de calentar por friccioacuten el material que cae en eacutel Un agujero negro gigantesco que se encuentre en el centro de una galaxia formaraacute a su alrededor un enorme disco de gas proveniente de las estrellas cercanas o del material interestelar A medida que este material se acerca al agujero se calienta por su friccioacuten interna y libera enormes cantidades de energiacutea en forma de radiacioacuten3 Se ha sugerido incluso que se forman de cada lado del agujero dos remolinos paralelos al eje de rotacioacuten del gas estos remolinos pueden funcionar como cantildeones por donde se arroja la materia que no llega a penetrar al agujero y producir asiacute los misteriosos chorros de plasma que se observan en los cuasares y las radiogalaxias (Figura 56)

Figura 56 Posible mecanismo para producir chorros un disco grueso forma dos remolinos y la presioacuten de la radiacioacuten cerca del agujero negro empuja el material que no penetra al agujero a lo largo de los remolinos iquestCuaacutel es el origen de los hoyos negros gigantescos Se ha especulado que en los primeros instantes del Universo se pudieron formar agujeros negros con masas muy variables como resultado del colapso gravitacional de las inhomogeneidades o grumos que describimos en el capiacutetulo anterior Una vez formados esos agujeros negros primordiales atrajeron gravitacionalmente a la materia a su alrededor parte de esta materia fue absorbida por el agujero aumentando su masa y otra parte se quedoacute girando alrededor del agujero sin caer en eacutel formando una enorme nube de gas que finalmente se transformoacute en una galaxia Lo atractivo de esta hipoacutetesis es que explica en forma natural por queacute deben encontrarse agujeros negros en el nuacutecleo de las galaxias NOTAS 1 La nomenclatura significa que esa fuente aparece con el nuacutemero 273 en el Tercer Cataacutelogo de Cambridge de radiofuentes 2 Es importante notar que la ley de Hubble tal como se da en la paacutegina 69 es vaacutelida soacutelo para velocidades pequentildeas con respecto a la de la luz Para objetos tan distantes como los cuasares se deben de tomar en cuenta correcciones relativistas y cosmoloacutegicas 3 Tal fenoacutemeno puede suceder tambieacuten en un sistema estelar doble en el que una estrella se ha vuelto agujero negro y succiona el gas de su compantildeera Antes de penetrar el agujero el gas alcanza temperaturas de varios millones de grados y emite en rayos X Se cree que la fuente de rayos X llamada Cygnus X-1 es un ejemplo de este mecanismo

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Figura 55 Imaacutegenes del Nuacutecleo del cuasar 3C 273 construidas a partir de observaciones radioastronoacutemicas Noacutetese la eyeccioacuten de materia (De Pearson et al Nature 290 1981) Como el caso de 3C 273 no es el uacutenico que se ha encontrado en que se ve una expansioacuten superluminosa los astroacutenomos sospechan que los chorros soacutelo son visibles si son emitidos casi exactamente hacia nosotros como sentildealamos maacutes arriba el efecto Doppler produce un aumento de la energiacutea radiada por el plasma y recibida en la Tierra iquestAGUJEROS NEGROS EN LOS NUacuteCLEOS GALAacuteCTICOS Un gigantesco agujero negro que succione la materia a su alrededor podriacutea causar en principio algunos de los fenoacutemenos que se observan en el centro de las galaxias Eacutesta es la explicacioacuten maacutes popular en la actualidad Hay que sentildealar sin embargo que auacuten faltan muchas observaciones y estudios teoacutericos para confirmar esta hipoacutetesis Un agujero negro es una concentracioacuten de masa cuyo campo gravitacional es tan intenso que no deja escapar la luz La teoriacutea de la Relatividad General predice la existencia de tales objetos y los interpreta como regiones del espacio-tiempo extremadamente curvadas La materia puede penetrar a un agujero negro pero nunca salir de eacutel Muchos astroacutenomos aceptan la idea de que las estrellas muy masivas terminan su evolucioacuten volvieacutendose agujeros negros (despueacutes de haberse desembarazado de parte de su masa por una explosioacuten de supernova) Tambieacuten podriacutean existir agujeros negros gigantescos de varios miles de millones de veces la masa del Sol en los nuacutecleos de las galaxias aunque el origen de ellos es maacutes incierto Un agujero negro aislado en el espacio soacutelo puede detectarse por su atraccioacuten gravitacional pero si se encuentra rodeado de materia es capaz de calentar por friccioacuten el material que cae en eacutel Un agujero negro gigantesco que se encuentre en el centro de una galaxia formaraacute a su alrededor un enorme disco de gas proveniente de las estrellas cercanas o del material interestelar A medida que este material se acerca al agujero se calienta por su friccioacuten interna y libera enormes cantidades de energiacutea en forma de radiacioacuten3 Se ha sugerido incluso que se forman de cada lado del agujero dos remolinos paralelos al eje de rotacioacuten del gas estos remolinos pueden funcionar como cantildeones por donde se arroja la materia que no llega a penetrar al agujero y producir asiacute los misteriosos chorros de plasma que se observan en los cuasares y las radiogalaxias (Figura 56)

Figura 56 Posible mecanismo para producir chorros un disco grueso forma dos remolinos y la presioacuten de la radiacioacuten cerca del agujero negro empuja el material que no penetra al agujero a lo largo de los remolinos iquestCuaacutel es el origen de los hoyos negros gigantescos Se ha especulado que en los primeros instantes del Universo se pudieron formar agujeros negros con masas muy variables como resultado del colapso gravitacional de las inhomogeneidades o grumos que describimos en el capiacutetulo anterior Una vez formados esos agujeros negros primordiales atrajeron gravitacionalmente a la materia a su alrededor parte de esta materia fue absorbida por el agujero aumentando su masa y otra parte se quedoacute girando alrededor del agujero sin caer en eacutel formando una enorme nube de gas que finalmente se transformoacute en una galaxia Lo atractivo de esta hipoacutetesis es que explica en forma natural por queacute deben encontrarse agujeros negros en el nuacutecleo de las galaxias NOTAS 1 La nomenclatura significa que esa fuente aparece con el nuacutemero 273 en el Tercer Cataacutelogo de Cambridge de radiofuentes 2 Es importante notar que la ley de Hubble tal como se da en la paacutegina 69 es vaacutelida soacutelo para velocidades pequentildeas con respecto a la de la luz Para objetos tan distantes como los cuasares se deben de tomar en cuenta correcciones relativistas y cosmoloacutegicas 3 Tal fenoacutemeno puede suceder tambieacuten en un sistema estelar doble en el que una estrella se ha vuelto agujero negro y succiona el gas de su compantildeera Antes de penetrar el agujero el gas alcanza temperaturas de varios millones de grados y emite en rayos X Se cree que la fuente de rayos X llamada Cygnus X-1 es un ejemplo de este mecanismo

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XI EPIacuteLOGO EL FUTURO DE LA COSMOLOGIacuteA NUESTRA comprensioacuten del Universo dio un salto cuantitativo y cualitativo a principios del siglo XX gracias a la conjuncioacuten de dos importantes factores la revolucioacuten cientiacutefica producida por el surgimiento de la relatividad y la mecaacutenica cuaacutentica y una visioacuten maacutes amplia del Universo a traveacutes de los grandes telescopios que se construyeron en esa eacutepoca Es posible que presenciemos otro espectacular avance de la cosmologiacutea en los finales del siglo XX mdashsi la humanidad no se ha destruido para entoncesmdash Por una parte la fiacutesica ha progresado considerablemente en los uacuteltimos antildeos y en particular la fiacutesica del mundo subatoacutemico y si bien auacuten falta mucho por comprender ya no parece un suentildeo irrealizable una teoriacutea unificada de las fuerzas de la naturaleza en el espiacuteritu buscado por Einstein o por los menos una mejor comprensioacuten del origen cuaacutentico de la gravitacioacuten Por otra parte las observaciones astronoacutemicas han avanzado espectacularmente en los antildeos recientes gracias al desarrollo de sistemas electroacutenicos para detectar y analizar fuentes muy deacutebiles de luz al uso de sateacutelites artificiales y a las nuevas teacutecnicas radioastronoacutemicas ademaacutes estaacute programada para el futuro cercano la construccioacuten de gigantescos telescopios auacuten mayores que los ya existentes Todo progreso cientiacutefico ha sido estimulado por el descubrimiento de nuevos fenoacutemenos naturales En el campo de la cosmologiacutea los avances de la astronomiacutea observacional apenas empiezan a rendir frutos Con las observaciones en longitudes de onda hasta ahora inaccesibles tendremos una visioacuten mucho maacutes precisa de los fenoacutemenos coacutesmicos y la posibilidad de desarrollar y confirmar nuestras teoriacuteas La actividad en el nuacutecleo de un cuasar o una galaxia activa es seguramente uno de los fenoacutemenos maacutes interesantes a los que los astroacutenomos y astrofiacutesicos tendraacuten que enfrentarse Quizaacutes sea necesario reconsiderar las leyes de la fiacutesica tal como las conocemos o quizaacutes nuestras teoriacuteas llevadas hasta liacutemites extremos de validez sean suficientes para explicar lo que ocurre en un nuacutecleo galaacutectico El origen de las galaxias y en general de la estructura a gran escala del Universo es otro problema pendiente de resolverse en forma clara e integral iquestRealmente se forman las galaxias por la condensacioacuten de materia difusa o es su origen maacutes violento y debe buscarse en los primeros milloneacutesimos de segundo despueacutes de la Gran Explosioacuten Otro de los aspectos maacutes interesantes de la cosmologiacutea moderna es su interaccioacuten con la fiacutesica de partiacuteculas elementales una rama de la fiacutesica que parece ser a primera vista diametralmente alejada de la cosmologiacutea pues las dos disciplinas estudian dos extremos opuestos de la escala del mundo Y sin embargo empieza a surgir la posibilidad de entender los inicios del Universo gracias a la fiacutesica del micromundo e inversamente de probar las teoriacuteas de partiacuteculas elementales por las implicaciones cosmoacutelogicas que tendriacutean De hecho algunos aspectos de las teoriacuteas modernas del mundo subatoacutemico soacutelo podraacuten confirmarse a traveacutes de la cosmologiacutea pues no se dispone en la Tierra de las energiacuteas para realizar los experimentos necesarios Podemos afirmar ahora que la astronomiacutea y la cosmologiacutea han cesado de ser ciencias contemplativas mdashcuyas existencias pareciacutean justificarse soacutelo por motivos esteacuteticosmdash para pasar a ocupar un lugar fundamental entre las ciencias de la naturaleza

Fs 2 ndashDOCUMENTO 02 43

• PRIMER DIacuteA INICIOS DE LA COSMOLOGIacuteA Y LA COSMOGONIacuteA
• SEGUNDO DIacuteA III EL REINO DE LAS NEBULOSAS
• TERCER DIacuteA VI EN EL PRINCIPIO ERA
• CUARTO DIacuteA IX LA EVOLUCIOacuteN COacuteSMICA