El notable estadista de las ciencias, Vannevar Bush, en su ensayo «Los Constructores», describía una comparación entre la investigación y los descubrimientos científicos comparándolos con excavar una cantera y disponer luego de las piedras extraídas para formar un edificio. Dado que las piedras utilizadas eran muy diversas el trabajo de construcción parecía sumamente desorganizado, al no contarse con un arquitecto o un constructor que supervise el proyecto. En el progreso científico, aparentemente sucede lo mismo, ya que no hay ningún plan general que lo presida. Bush escribe:
En estas circunstancias, nada tiene de extraño que los trabajadores actúen a veces de un modo incoherente. Hay quien se da por satisfecho con extraer, sirviéndose de unas cuantas herramientas, bloques irregulares, amontonarlos ante sus colegas y no preocuparse, en apariencia, de si encaja o no con alguna parte... Otros grupos no realizan ninguna extracción, sino que dedican todo su tiempo a discutir sobre la disposición precisa de una cornisa o un estribo. Otros consagran sus días a intentar echar abajo uno o dos bloques colocados por algún rival. Algunos ni escavan ni discuten: se limitan a seguir la corriente general, arañan aquí y allá, disfrutan del panorama. Otros están sentados y dan consejos, y otros simplemente están sentados. |
De esta metáfora se deduce que, a pesar de la carencia de un plan, el edificio se va construyendo y posiblemente algún día se alce como una completa estructura.
Sin embargo, si comparamos el desarrollo de la ciencia con la evolución de la vida en la Tierra, estaremos estableciendo una comparación con un proceso que no se acaba nunca. La investigación científica se asemeja a la evolución por su tendencia a modificar las condiciones ambientales, su oportunismo, su atención a los detalles y, sobre todo, su peculiar ceguera en cuanto a dónde se encamina. Para algunos, la cultura humana, de la que forma parte la ciencia, es sólo una continuación de la evolución de la vida en el reino de los símbolos y de las ideas; y las ideas, como las especies, pretenden sobrevivir en entornos que varían.
Un hecho que resulta sorprendente al considerar la evolución de las ciencias naturales, es la simbiosis de la astronomía y la física, disciplinas distintas que se potencian, sin embargo, recíprocamente. La astronomía, que es con mucho la ciencia más antigua, se inició hace milenios a partir de la cuidadosa observación del firmamento, actividad que continúa realizándose hoy. Pero en la actualidad complementan la tarea de los astrónomos de observación los astrofísicos, que elaboran detallados modelos matemáticos que pretenden dar razón de las observaciones.
Por su parte, la física es una ciencia relativamente joven que se ocupa de determinar las leyes de la materia, el espacio y el tiempo independientemente de si se aplican al movimiento de las estrella o a las moléculas de nuestros organismos. Las leyes de la física descubiertas aquí en la Tierra, pueden, en cierto modo, saltar al cielo y aplicarse a los quásares y a las galaxias más lejanos. Las leyes descubiertas hoy se aplican también al futuro y al pasado remoto. La ley física es universal y la observación jamás ha desmentido este hecho. Y, debido a esa universalidad, la astronomía, que estudia el firmamento, y la física, que se deriva de nuestra experiencia en la Tierra, desarrollaron una relación íntima y estrecha.
El hecho de que el universo esté regido por simples leyes naturales es un acontecimiento notable, profundo y, a su vez, absurdo a primera vista. ¿Cómo pueden la vasta variedad de la naturaleza, la multitud de objetos y procesos, estar todos sometidos a unas cuantas leyes simples y universales? Isaac Newton halló la respuesta. Supo hacer por vez primera, al formular su mecánica, una clara distinción conceptual entre las «condiciones iniciales» de un sistema físico y «las leyes del movimiento». Si se nos dan las condiciones de un sistema físico, como las condiciones y momentos de miles de millones de partículas, condiciones que podrían complicarse arbitrariamente, las leyes del movimiento determinan exactamente el desarrollo posterior del sistema en el tiempo. El mundo quedó así dividido en dos componentes: las condiciones iniciales, que representaban la complicada situación del mundo, y las simples leyes universales que determinaban su desarrollo posterior. Pocas veces ha tenido una idea consecuencias tan profundas y de tan largo alcance.
Tanto Newton como sus sucesores aplicaron con éxito creciente estas leyes del movimiento y de la gravedad a los movimientos de la Luna, los planetas y los cometas. El ámbito de la ley de la gravitación universal se extendió incluso a las estrellas lejanas, a través de los estudios de sistemas estelares binarios de William Herschel. Al ver que la física newtoniana describía el movimiento del firmamento, los físicos se convencieron de que los métodos matemáticos basados en leyes naturales y universales se convertirían en el instrumento conceptual más poderoso para la investigación del cosmos. Ese convencimiento quedó ratificado espectacularmente en 1846, al descubrirse un nuevo planeta, Neptuno, a partir de los estudios matemáticos de perturbaciones en la órbita de Urano que predecían su emplazamiento.
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Gustav Robert Kirchhoff
(1824 - 1887) |
La universalidad de las leyes naturales y la unidad del universo recibieron posteriormente una bella confirmación, cuando William Huggings desarrolló la espectroscopia estelar visual y cuando Henry Draper fotografió el espectro de absorción del hidrógeno de la estrella Alfa Lira (Vega), el 1 de agosto de 1872. Huggins, astrónomoaficionado inglés, inspirado por los descubrimientos espectroscópicos de Gustav Kirchhoff y la primera observación de un espectro de absorción estelar en 1823, debida a Fraunhofer, se dedicó a observar varios espectros estelares; pero esta tarea fue más un arte que una ciencia hasta la aparición de la fotografía. Draper era decano de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York y miembro de una distinguida familia de científicos. Dedicó varios años a proyectar y construir pacientemente un telescopio de reflexión de 28 pulgadas en su observatorio de Hastings-on-Hudson y a perfeccionar las incipientes técnicas fotográficas precisas para fotografiar espectros estelares tenues. Nadie lo había hecho hasta entonces. Estos trabajos decisivos de Huggins y Draper demostraron de forma concluyente que la materia estelar se compone de los mismos átomos que encontramos aquí en la Tierra. La astrofísica se convirtió en una ciencia madura.
La simbiosis de la astronomía y la física, aunque fecunda para ambas durante el período dominado por la física clásica newtoniana, experimentó un gran florecimiento durante el siglo XX, con la aparición, en 1927, de la nueva teoría cuántica de los átomos. La teoría cuántica, que revolucionaba el sistema newtoniano anterior, era una mecánica nueva, radical en sus consecuencias, de amplio ámbito y de una coherencia sublime y extraña. Los físicos pasaron a aplicar con éxito esta nueva teoría a la química, a la física nuclear, a la materia en estado sólido y al mundo subatómico de las partículas elementales. Descubrieron también que los nuevos conceptos cuánticos no eran sólo aplicables a los átomos terrestres; eran universales y se aplicaban también a las estrellas lejanas.
La nueva mecánica cuántica obtuvo algunos de sus mayores triunfos desentrañando los principales misterios con que se enfrentaban los astrofísicos. Utilizando las leyes de la nueva teoría cuántica, Chandrasekhar determinó por primera vez la materia extraña de la compañera densa de Sirio, exponiendo la teoría moderna de las enanas blancas. Hans Bethe, Carl von Weizsäcker y otros formaron la vanguardia de la astrofísica moderna trabajando en la teoría de la combustión nuclear en el interior de las estrellas. Las estrellas de neutrones, o púlsares, están compuestas de materia aún no detectada en la Tierra; para comprenderlas hay que estudiar las partículas subatómicas que se obtienen en laboratorios de física de alta energía.
Detengámonos aquí un instante y reflexionemos sobre los difíciles vericuetos que debe saltar la astrofísica para intentar determinar con la más absoluta confianza las propiedades de las estrellas (cómo nacen, evolucionan, se apagan y estallan), pese a que conocemos perfectamente las leyes básicas de la física. Ello, viene a ser como apelar a la biología que entregue una explicación sobre las propiedades de una célula a partir de las leyes de la química cuántica, lo que implicaría una tarea tan compleja que resultaría, prácticamente, inviable. Y esta complejidad es un problema básico, que se halla vinculado a la naturaleza misma del objeto de investigación.
Es, sin dudas, una materia compleja que se debe a una especie de «desagregación causal» entre los diferentes niveles organizativos cuando se pasa del microcosmos al macrocosmos. Por ejemplo, para entender la química hay que entender las normas que obedecen la valencia de los electrones en la parte externa de los átomos. Los detalles del núcleo atómico (los quarks, que están dentro de neutrones y protones) están «causalmente desagregados» de las propiedades químicas del átomo. Otro ejemplo de esta «desagregación causal» procedente de la biología molecular es el hecho de que las funciones biológicas de las proteínas estén desagregadas de su codificación en el material genético. En la ciencia, abundan los ejemplos de esta «desagregación causal», una separación importante entre los niveles materiales de la naturaleza que se refleja en la formación de disciplinas científicas separadas.
En consecuencia, podemos puntualizar que: una cosa es conocer las leyes físicas microscópicas básicas y otra, muy distinta, intuir las consecuencias de esas leyes en el sistema macroscópico que se requiere investigar. Lo anterior se da, pese al stock de conocimientos sobre las leyes de la física que generalmente comportan los astrofísicos, ya que la habilidad para formular las cuestiones precisas (por ejemplo, qué procesos son importantes, cuáles pueden desecharse, cuáles son las características básicas de un sistema concreto) viene a ser casi como un arte en donde aflora en propiedad un talento creador en sí.
Salvo unos pocos escépticos ritualizados, hoy existe casi pleno consenso que las leyes físicas, deducidas de experimentos terrestres, nos proporcionarán las bases de una teoría estelar completa. Esta seguridad se avala, en gran medida, en la íntima relación que han alcanzado la física y la astronomía durante las fases del desarrollo moderno de ambas. El motivo es que los astrónomos de observación están hoy investigando los quásares, los núcleos de las galaxias y la gran explosión, que se caracterizan por procesos de tal intensidad que los experimentos de la física terrestre no pueden igualarlos, pese a los grandes esfuerzos que se han hecho en contar con aceleradores de partículas cada vez más poderosos. Debido a ello, para poner a prueba las teorías de la alta energía, los físicos siguen teniendo como recurso principal el guiarse por la observación astronómica. En consecuencia, el universo entero pasa a convertirse en campo de experimentación único para comprobar las leyes de la física ya que, por ahora, no hay otro campo posible, porque lo que los físicos pretenden conocer es el universo en sus condiciones más extremas y primitivas.
La necesaria mancomunidad que se fue dando entre la física y la astronomía se hace claramente visible al aflorar teorías, como la del Big Bang, sobre el origen del universo. De acuerdo con la teoría del Big Bang si retrocediésemos en el tiempo, la temperatura del universo se incrementaría a límites casi inconmensurables. La temperatura expresa la energía cinética de las partículas, en este caso partículas cuánticas. ¿Cuáles son, pues, las leyes físicas que rigen la interacción de las partículas cuánticas con esas energías elevadísimas?
Nadie puede contestar con seguridad a esta pregunta. Sería fantástico que los físicos pudiesen comprobar sus teorías creando durante algunos milisegundos, en un laboratorio de aceleración de partículas, las condiciones que imperaban al iniciarse el Big Bang. Los aceleradores de partículas más potentes que existen logran llevarnos hasta la época en que el universo tenía sólo unas diez millonésima de segundo de antigüedad, lo cual constituye, sin duda, un enorme triunfo. Pero las soluciones a los importantes problemas relacionados con el universo que hoy formulan los físicos, dependen de las propiedades que comportaba el propio universo antes de que tuviese una diezmillonésima de segundo de vida. Es obvio que, por ahora, esos tiempos del inicio del cosmos quedan fuera del alcance de los experimentos prácticos con aceleradores de partículas. En consecuencia, para estudiar el universo primigenio y resolver los enigmas que envuelven su origen, los físicos y los demás investigadores han de adoptar una actitud distinta. En vez de buscar indicios con aceleradores de alta energía, el camino viable disponible es estudiar el «gran acelerador del cielo»: el Big Bang y sus consecuencias. En la práctica, es el universo en su conjunto el que es utilizado a la vez como «laboratorio y experimento» del que se pueden deducir las leyes básicas de la materia. Esta nueva disciplina de investigación íntegra la ciencia de los objetos más pequeños conocidos (los cuantos) con la de la de los más grandes (el cosmos).
Ahora bien, para poder desarrollar esa monumental investigación que representa intentar desentrañar los más recónditos misterios del universo primitivo, los cosmólogos y los físicos cuánticos empiezan por utilizar las teorías relativistas del campo cuántico aplicado a las partículas cuánticas, que explican los experimentos de alta energía que se realizan en los laboratorios de aceleración. Luego, proceden a extrapolar, con cierta dosis de audacia, esos modelos teóricos a la elevadísima energía del universo primigenio. Utilizan luego estos modelos para deducir ciertas características notables del universo, como por ejemplo, por qué está compuesto de materia y no de partes iguales de materia y antimateria, o la existencia de pequeñas fluctuaciones cuánticas en la ardiente sopa primordial, que acabarían formando galaxias, cúmulos de éstas y, también, supercúmulos galácticos.
Esta tarea de elaborar modelos matemáticos del universo primigenio no es una necesidad única de los científicos en sus investigaciones sobre los misterios que encierra el cosmos. En efecto, existen otras que se iniciaron con anterioridad, como la de elaborar modelos del interior de las estrellas basándose en la física nuclear, ya que parece más que obvio que nadie puede penetrar en el interior de una estrella para comprobar directamente la exactitud de esos modelos, como nadie puede viajar por el pasado hasta la bola de fuego del Big Bang para comprobar la autenticidad de los modelos de partículas cuánticas de alta energía. Pero esa analogía es lo único que equipara las dos tareas; las diferencias son significativas. En primer lugar, hay muchísimas estrellas, cada una con propiedades distintas y en distintas etapas de evolución, que proporcionan a los astrofísicos una multiplicidad de antecedentes que limitan enormemente los modelos matemáticos. En contraste con la multiplicidad de estrellas, sólo hay un universo primitivo, que no puede observarse directamente. Este período primigenio dejó esparcidos fósiles, pistas contemporáneas de sus propiedades; las galaxias, su distribución en el espacio, la radiación microondular de fondo, la relativa abundancia de elementos químicos. Pero la diferencia más profunda entre los modelos matemáticos de las estrellas y los del universo muy primitivo radica en que los físicos han investigado experimentalmente las leyes de la física nuclear aplicables al interior de las estrellas, mientras que no parece verosímil, por ahora, un experimento terrestre que permita comprobar las leyes que se aplican al universo antes de una millonésima de milisegundo de su existencia, ya que reproducir en laboratorios las temperaturas, para conocer el posible estado de la materia, que se debieron generar en el momento del «principio-principio» en un acelerador de partículas, parece ser, en nuestra opinión, por el momento una tarea difícil de lograr, ello pese a contar con aceleradores como el LHC y el Fermilab.
El estudio del universo primigenio encierra para los cosmólogos dificultades que parecen insuperables. ¡Es como si se pidiese a los astrofísicos que, en vez de utilizar las conocidas leyes de la física nuclear, las dedujesen de las propiedades observadas de las estrellas! Pero el caso no es tan dramático. El universo primigenio puede ser un objeto de estudio más simple que el interior de una estrella. Los físicos creen que en aquellos tórridos tiempos primigenios, las interacciones de las partículas cuánticas eran mucho más simétricas. Suponen que las complejidades desaparecen en ese primer período y que la situación física pasa a resultar manejable. Si es así, los cosmólogos tienen bastantes posibilidades de desentrañar los misterios del universo primigenio. Claro está, que en ello queda por demostrar su viabilidad y que no es algo más que un vano deseo, pero no hay duda que los supuestos teóricos actuales apoyan lo primero.
Pensar que ahora los físicos han podido llegar a conocer cómo podría haber sido el universo cuando tan solo contaba con una millonésima de segundos de vida, parece casi un sueño de ficción. Si ello hubiese sido propugnado hace unos sesenta años atrás, habría dado motivo para que se dieran conciertos de ácidas críticas y, posiblemente, el propugnador habría sido el hazmerreír de entre los integrantes del mundillo de la física y, ello, ni que hablar de los escépticos. Pero los datos derivados de la observación, como el de la relativa abundancia de elementos químicos y el de la temperatura de la radiación microondular de fondo, constituyeron factores importantísimos, cuya existencia no podía haberse previsto por entonces. Por otra parte, en las primeras décadas de este milenio, pueden descubrirse nuevos datos cosmológicos que nos ayuden a resolver el misterio del origen del universo.
Pero ¿Cómo llegaron a este punto en su investigación? ¿Qué les llevó a considerar estos problemas de esta nueva forma?
La primera propuesta moderna sobre el origen del universo se remonta a Georges Lemaître, que postuló un «átomo primigenio» como embrionante del principio del universo. Su «átomo» era similar a la recalentada bola gaseosa del Big Bang. Según su punto de vista, el «átomo» estalló en fragmentos y, éstos, en otros aún más pequeños, hasta que surgió el universo como lo apreciamos hoy. En 1951, Lemaître escribió lo siguiente: «La evolución del mundo puede compararse a una exhibición de fuegos artificiales que acaba de concluir: unas pocas brasas rojas, cenizas y humo. Situados sobre una pavesa fría, vemos cómo se van apagando lentamente los soles, e intentamos recordar el esfumado resplandor del origen de los mundos.»
 | George Gamow
(1904 - 1968) |
Aunque Lemaître, «el padre de la teoría del Big Bang», diese el primer paso, la versión moderna del Big Bang se debe a George Gamow y a sus alumnos Ralph Alpher y Robert Herman. En los años '40, calcularon la síntesis de los elementos químicos de la explosión primordial y, al hacerlo, trasladaron la idea del Big Bang del campo de las hipótesis al terreno de la ciencia de observación. Alpher y Herman estimaron que el espacio debería estar actualmente bañado por un mar de energía electromagnética que, en términos del cuerpo negro, y estimaron que ésta debía bordear los 5°K por encima del cero absoluto, lo que informaron en una carta enviada a la revista Nature en 1948. La estimación sobre la existencia de la energía electromagnética quedó confirmada cuando, dieciocho años después, Penzias y Wilson lograron identificarla, calculando que esta comportaba una temperatura de 2,7°K. La demostración hecha por Hubble, como la comprobación de la temperatura de la radiación de fondo que realizaron Penzias y Wilson, dieron cabida para que desde la década de los '50 , surgiera una aceptación mayoritariamente generalizada de la hipótesis de que el universo había tenido su comienzo en la explosión de un átomo primigenio (Big Bang); que las enormes densidades y las altas temperaturas al principio del tiempo y del espacio pudieron haber borrado la distinción entre materia y energía (Big Squeeze), y que de ese guiso materia energía se habría generado la energía radiante. Luego, mientras el universo comenzaba a expandirse y a enfriarse, la primera materia en emerger lo habría hecho en forma de partículas elementales: protones, neutrones y electrones constituyendo lo que se ha llamado «ylem», un término tomado de Aristóteles, para esta materia primordial. Posteriormente, a medida que se enfriaba y se hacía menos denso el «ylem» y se reducía la radiación de alta energía, los neutrones existentes empezaron a combinarse con protones, formándose los núcleos atómicos. Los protones solitarios atraían a los electrones para crear átomos de hidrógeno, y los núcleos más pesados reunían también sus complementos más grandes de electrones. El Big Squeeze pudo haber sido el crisol de todos los elementos observados hoy en el universo. En esto hay que consignar que diferentes investigaciones de laboratorio han concluido que lo inmediatamente anterior descrito ocurrió dentro de los primeros minutos de la expansión cósmica donde se constituyó un proceso igual que la alquimia: En el ylem, una sustancia era transformada en otra.
Aparece obvio que, al embrionarse la idea de un universo con principio, nace el interés por considerar el origen de los elementos químicos que dieron nacimiento al cosmos. Lo anterior, viene a ser una necesidad ineludible en la construcción de la teoría «del gran disparo». La búsqueda del origen de los elementos químicos llevó a los científicos a considerar la posibilidad de que la materia hubiese atravesado una fase densa y extremadamente caliente como para provocar reacciones nucleares que pudieran haber generado los elementos. Subrahmanyan Chandrasekhar , astrofísico norteamericano de origen hindú y premio Nobel, junto a su colaborador L.R. Henrich llegaron a la conclusión, en 1942, que si la materia ha alcanzado el equilibrio térmico a una densidad de ~10⁷ g/cm³ y a una temperatura de ~10¹º °K,y si las abundancias de elementos ligeros fueron congeladas en ese punto a causa de la rápida expansión y enfriamiento del universo, entonces las abundancias relativas de los elementos más ligeros (hidrógeno y helio) estarían en una razonable concordancia con las observaciones. También en la década de los cuarenta, George Gamow enfatizó que el modelo de equilibrio térmico de Chandrasekhar era cuestionable puesto que no consideraba la alta tasa de expansión y la variación de la eficiencia de las reacciones nucleares dentro de un material que se enfría continuamente. En otras palabras, lo cálculos de Chandraskhar no eran dinámicos. El primer paso en esta dirección lo dio el propio Gamow, junto a Ralph A. Alpher, al producir un monumental ensayo que contó como primicia con una carta un tanto extravagante que, por coincidencia, apareció el April Fools' Day (el primero de abril, el día de los inocentes en Estados Unidos) de 1948 en el pariódico Physical Review. Gamow, que era bastante reconocido como una persona bromista y de algunos excesos, añadió al artículo la firma del renombrado físico nuclear Hans Bethe, aunque éste no había tenido nada que ver con el proyecto. (Afortunadamente, Bethe tomó bien la broma.) La lista resultante de autores –Alpher, Bethe y Gamow– era un retruécano de las primeras tres letras del alfabeto griego, alfa, beta y gamma, lo que generó al final de cuentas que el ensayo fuera conocido como el artículo "αβγ".
La broma de Gamow en el Physical Review era apropiada, puesto que en la carta al periódico presentaba una hipótesis sobre la creación de los primeros elementos de la tabla periódica. Esbozaba el proceso según el cual los elementos fueron construidos mediante una rápida captura de neutrones que se convertían en protones mediante desintegración beta. Este análisis usó la sección eficaz de captura de neutrones de ~1 MeV de energía que se había dado a la publicidad al final de la Segunda Guerra Mundial, como un ejemplo del uso pacífico de las investigaciones que se llevaron a cabo en Los Alamos, dentro del proyecto Manhattan. Gamow y Alpher pensaron que ésta había sido la manera en la que habían sido creados todos los elementos químicos. El mecanismo que se daba consistía en que los neutrones y protones colisionaban, se aglomeraban y eran reconfigurados para formar, primero, hidrógeno pesado (un neutrón más un protón) y luego tritio (dos neutrones más un protón). En el siguiente paso, cuando uno de los neutrones del núcleo de tritio se descomponía en un protón y un electrón escapaba, el núcleo de tritio se convertía en un isótopo de helio llamado helio–3. Ahora, si al helio–3 se le añade otro neutrón se produce el isótopo helio–4. Lo anterior, se trata de una predicción teórica tan cierta que incluso su comprobación –en los diferentes pasos obligados y necesarios que da la ciencia en sus procesos de investigaciones- ha llegado a concluir experimentalmente que los enunciados que daban por cierta la liberación de los quarks, los componentes más pequeños de la materia, cuando los protones y neutrones se encuentran expuestos a elevadísimas temperaturas. Los quarks liberados, junto a los gluones que los mantienen unidos, forman el estado de la materia que debió existir inmediatamente después del Big Bang.
Lo que hemos descrito en el párrafo anterior corresponde a los primeros elementos de la tabla periódica que nos dio el nacimiento del universo. Los elementos químicos más pesados fueron formados más tarde, en el interior de las estrellas. Pero en su trabajo teórico-matemático a Gamow se le escapó un hecho importantísimo susceptible también de comprobación experimental: cálculos más afinados que los de Gamow, predicen la existencia de un campo de radiación que baña el universo que es equivalente al generado por un cuerpo en equilibrio térmico que se encontrara a una temperatura de unos 4° K. En 1948 Alpher y Robert Herman, colega de Alpher, corrigieron algunos errores en los cálculos de Gamow e hicieron la primera estimación matemática de la temperatura del campo de la radiación cósmica del fondo, de unos 5°K.
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La cantidad de elementos que predicen los cálculos de la nucleosíntesis primordial depende drásticamente de la densidad bariónica. El gráfico de la izquierda muestra las cantidades relativas de Helio, Deuterio y Litio. La banda amarilla muestra el rango que permiten las observaciones actuales. Ello, deja en evidencia el extraordinario hecho de las coincidencias que se dan entre la teoría y la observación. Esto implica –según la indeterminación de la constante de Hubble– una densidad bariónica en espacios del universo entre una centésima y seis centésimas de lo estimado para la densidad crítica. |
Pero esta cuestión del ylem ha resultado para los físicos cosmólogos una cuestión semejante a la alquimia: una sustancia es transformada sucesivamente en otra. Desde los acontecimientos descritos por Gamow y Alpher a las elaboraciones de otros investigadores han revelado que son acontecimientos consistentes con los que pudo haber sucedido en los primeros minutos de la expansión cósmica. Los procesos que se han llegado a esbozar son –casi sin duda alguna– los que posteriormente dieron origen a la abundancia de hidrógeno y helio que constituye un noventa y nueve por ciento de toda la materia del universo.
Gamow explicó también la distribución que puede observarse de las masas en el cielo. Durante el primer millón de años, expuso, la radiación gobernó el universo. En esa época cósmica se había formado suficiente materia para que se volviera preeminente, y alrededor de 240 millones de años más tarde grandes expansiones de gas empezaron a condensarse. La masa de estas nubes de gas, calculó, era más o menos equivalente a la de las galaxias de hoy.
Sin embargo, el proyecto de Gamow de calcular la relativa abundancia de elementos químicos creados en el Big Bang permaneció dormido durante dieciséis años. Luego, en 1964, fue retomado por Peebles en Princeton, por Zel’dovich en la antigua Unión Soviética (sin que ambos supieran que Gamow, Alpher y Herman habían trabajado sobre el mismo tema) y por Hoyle y R.J. Taylor en Inglatella. En 1967, William Fowler, Fred Hoyle, Robert Wagoner e investigadores posteriores, realizaron cálculos computacionales más precisos con los cuales demostraron que en el Big Bang podía haberse generado la cuantía precisa de helio y de deuterio (elemento que no puede haberse formado en el interior de las estrellas en la cantidades que se observan en el universo). Lo anterior, condujo a los físicos a considerar, basándose en estos cálculos, cuyos resultados dependen de las propiedades específicas del universo cuando sólo tenía segundos y minutos, a estar seguros de que conocen bastante bien el estado del universo en ese período.
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Sir Fred Hoyle
(1915 - 2001) |
Pero dominados por poder llegar a conocer el origen, algunos físicos quisieron retroceder aún más en el tiempo y adentrarse más en el Big Bang. John A. Wheeler (que luego estaría en la Universidad de Princeton) recorrió el país como conferenciante itinerante, recordando a sus colegas que el universo primitivo «plantea a la física su mayor crisis». En la antigua Unión Soviética, Zel'dovich y sus colaboradores se adentraron valerosamente en todo ese campo, subrayando que el último ámbito de experimentación de la teoría de las partículas cuánticas es el universo primigenio. Realizaron diversos cálculos para apoyar esta opinión. En Estados Unidos, relativistas, astrónomos y físicos, convencidos de la importancia creciente de la teoría de la relatividad, organizaron en 1973 la primera «Conferencia sobre astrofísica relativista de Texas», que inauguró una serie de conferencias que se prolongaron en el tiempo, centradas en las investigaciones relacionadas con el universo primitivo.
Mientras se producían estos acontecimientos, allá por principios de la década de 1970, la mayoría de los físicos de partículas cuánticas no se interesaban demasiado por el Big Bang. Como comentaba Steven Weinberg: «A los físicos les resultaba extraordinariamente difícil tomarse en serio cualquier teoría del universo primitivo.» Los físicos tenían la atención centrada, más bien, en los nuevos e interesantísimos modelos de las partículas elementales, como el modelo quark de la materia subatómica y la idea de que las interacciones electromagnéticas y débiles que solían considerarse distintas, no eran más que manifestaciones de un solo «campo unificado». No es sorprendente que los físicos de partículas no se interesasen por los problemas del universo primitivo, pudiendo jugar con estas ideas tan emocionantes. Irónicamente, el éxito obtenido con estas nuevas teorías del campo unificado, que explicaban los experimentos de la física de alta energía, empujaron a los físicos a llevar todavía más lejos la comparación entre sus teorías y la observación. Y así, se vieron empujados, por fuerza, a analizar las consecuencias de sus fórmulas en relación con el Big Bang.
Heinrich Hertz, físico alemán del siglo XIX, escribió una vez: «No puede uno evitar la sensación de que esas fórmulas matemáticas poseen una existencia independiente y una inteligencia autónoma, que son más inteligentes que nosotros, más inteligentes incluso que sus descubridores, que sacamos de ellas más de lo que se depositó en ellas en principio.» La aplicación de las nuevas teorías de las partículas cuánticas al universo primitivo ilustró espectacularmente esta capacidad de las ecuaciones de la física para iluminar lo desconocido. Weinberg, haciéndose eco de las ideas de Hertz, escribió: «En la física suele pasar lo siguiente: nuestro error no es que nos tomemos demasiado en serio nuestras teorías, sino que no nos las tomamos bastante en serio. Siempre resulta difícil asimilar la idea de que los números y ecuaciones con los que jugamos en nuestro escritorio tengan algo que ver con el mundo real.» Weinberg, uno de los primeros teóricos de las partículas cuánticas que se tomó en serio el universo primitivo, convenció a muchos de sus colegas de que debían hacer lo mismo, con su libro The First Three Minutes, que ejerció una gran influencia. Zel'dovich y su colaborador A. D. Doglov destacaban entonces en un artículo: «Muchos físicos deben su conocimiento de la cosmología moderna al libro The First Three Minutes, de F. Weinberg (1977).»
Pero algunos físicos adoptan el papel de críticos conservadores y opinan que los teóricos que investigan el universo primigenio han ido demasiado lejos. Consideran un procedimiento bastante dudoso extrapolar teorías que se cumplen en un campo de energías relativamente bajas, estudiado mediante aceleradores terrestres, a energías ultraelevadas. Es posible que estos críticos tengan razón. Sin embargo, la característica notable de esta tentativa de descifrar el origen del universo no es que sus descubrimientos sean verdaderos o falsos (aunque claro que eso es importante), sino que aceptar que el problema del origen del universo se está planteando en términos matemáticos y racionales. Desde que hizo su aparición la teoría relativista del campo cuántico unificado se han introducido nuevos conceptos en el repertorio de los teóricos, conceptos que tal vez logren dar razón del origen del universo. No es extraño que los físicos teóricos hayan procedido a aplicarlos. Si lograsen su objetivo constituiría una de las mayores hazañas de la ciencia. Mientras llega ese momento, podemos unirnos todos a las investigaciones y seguirlas atentamente compartiendo los éxitos y los desengaños como ha venido ocurriendo hasta ahora.
Lo indudable es que por mucho que nos adentremos en el Big Bang, hay siempre materia presente. ¿Cómo comprender, pues, el punto mismo del origen? ¿De dónde procede la materia del universo? ¿Fallan las leyes de la física y tenemos que renunciar a ellas y adoptar una actitud mística?
Pese a conocer experimentalmente el estado de la materia que pudo haber coexistido en la primera millonésima de segundo durante el nacimiento del cosmos, algunos físicos prescinden de toda precaución e insisten en su propósito de captar la chispa que encendió la mecha de donde surgió todo. Lo intentan invocando ideas sostenidas en sesudos ejercicios matemáticos, conceptos nuevos que ni contradicen los datos experimentales ni cuentan con pruebas en qué apoyarse. Estas ideas incluyen espacios de once o más dimensiones, «supersimetría» y teorías del gran campo unificado. Sólo algunos físicos creen que tales ideas sean totalmente válidas; no han sido probadas, desde luego. Sin embargo, sí de esas ideas surgiera un cuadro racional del origen del cosmos tal vez pusiera fin a uno de los grandes capítulos inconclusos de la ciencia de la física.
Por otra parte, no deja de resultar irónico que para comprender lo más grande que conocemos (el universo entero) tengamos que llegar a dominar las leyes que rigen las entidades más pequeñas (las partículas cuánticas). Estas ironías abundan en la ciencia. Los científicos, como la mayoría de las personas que piensan y sienten, son sensibles al misterio de la vida. Pero, irónicamente, a medida que avanzan en el estudio del universo, van comprobando de modo progresivo que éste se halla sometido a las leyes físicas como cualquier otra entidad material, aunque se trate, claro está, de una entidad única, que exige conceptos nuevos para su comprensión. El misterio de la existencia no reside tanto en el universo material observado como en nuestra capacidad de comprenderlo, en primer término. Y, posiblemente, con el tiempo eso también pueda llegar a ser menos misterioso.
Por otro lado no falta que, cada vez que los físicos especializados exponen los resultados de sus experimentaciones sobre sus teorías cosmológicas, aparezcan personas que se oponen al enfoque puramente científico, con frecuencia reduccionista, y se inclinen en favor de su intuición profunda de que el conjunto del universo es una unidad especial, con una ley propia. Consideran que el enfoque reduccionista niega cierto orden vital del ser. Pero tales actitudes preconcebidas les impiden experimentar la emoción auténtica de los descubrimientos científicos que se están produciendo. Esos descubrimientos permiten elaborar una visión nueva del mundo, que influirá poderosamente en toda nuestra cultura.
Los seres humanos crearon durante milenios sistemas culturales simbólicos que respondían a su necesidad de sentirse relacionados con la globalidad de la vida. Pero esas visiones holísticas del universo, aunque tengan una función importante, desde el punto de vista de las ciencias naturales son heurísticamente estériles y empíricamente vacuas. Lo que la ciencia de hoy está creando es una visión nueva del universo y del lugar de la humanidad en el mismo, una visión en la que no existen discrepancias entre holismo y reduccionismo, una visión para la que tal distinción carece de importancia. Puede que aún veamos el universo en un grano de arena.
Como mencionamos en el enunciado de este capítulo, para darnos una idea de cómo enfocan los físicos el universo primigenio nos introduciremos primero a conocer, en forma sucinta, «la teoría relativista del campo cuántico» y el mundo de las partículas elementales. A ello, le agregaremos algún otro ingrediente, como un poco de termodinámica. Con el conocimiento que alcancemos, podremos ya retroceder en el tiempo hasta el Big Bang y demostrar cómo influyeron las propiedades de las partículas en aquel acontecimiento memorable.
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