|
Es posible que bajo el Sol no encontremos nada nuevo; sin embargo, la historia del estudio del cosmos –en cada período de ella- deja constancia de la apabullante caja de sorpresa que representa el universo para sus investigadores. Hasta los años '20, los científicos preferían creer que el espacio era infinito y eterno. Se coincidía en la vaga noción de que éramos únicos en un universo hueco e insondable. Pero la historia empieza a cambiar, como ya lo mencionamos, cuando el matemático ruso Alexander Friedmann en 1922, desafiando las afirmaciones de Einstein de que el universo era estático, publicó un ensayo en el cual demostraba un error en los cálculos de Einstein y que las propias ecuaciones de éste permitían la descripción de un universo que evoluciona. En 1927, tal como ya lo vimos, el sacerdote belga y físico teórico George Lemaître aprecia los estudios de Friedmann y galvanizó a los cosmólogos con su propuesta de que un «átomo primigenio», denso y muy caliente estalló en forma similar a la bola de fuego del Big Bang para crear el actual universo. En los años '20, el astrónomo Edwin Hubble y otros colegas suyos con sus observaciones demostraron que el universo se estaba expandiendo; todas las galaxias se alejaban unas de otras, incrementando el espacio entre ellas y sus vecinas.
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 ~1010 °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 del 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 "abg".
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.
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.
Pese, como hemos dicho, 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, aparecen personas que se oponen al enfoque puramente científico, con frecuencia reduccionista, y se inclinan 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.
Para darnos una idea de cómo enfocan los físicos el universo primigenio nos introduciremos 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.
|
