Breve Guía de Cosmología Física moderna (II): la teoría del Big Bang clásica.

La teoría que explica la evolución del universo desde sus primeros momentos (no su origen) hasta la actualidad, es la teoría del Big Bang.

Esta teoría inicialmente estaba fundamentada sobre dos pilares principales, a los que luego se han ido añadiendo otros, reforzándose entre ellos. Hoy en día cuenta con muchísimo respaldo experimental. Por eso es una teoría por derecho propio, conforme al criterio que explicamos en la entrada anterior de esta serie.

El primer pilar es la Teoría de la Relatividad General (TRG, para abreviar), propuesta en 1915 por Albert Einstein. La TRG afirma que espacio y tiempo no son dos entidades distintas, eternas e inmutables, sino que los une en un concepto nuevo, el espaciotiempo, que es deformable. Y el espaciotiempo se deforma en presencia de energía. Y gracias a la Teoría de la Relatividad Especial (TRE) sabemos que la materia es equivalente a energía. Se suele decir, resumiendo, que el espaciotiempo le dice a la masa cómo moverse, y la masa le dice al espaciotiempo cómo curvarse (J. A. Wheeler).

Sobre estas líneas se puede ver a la izquierda la representación del espacio de Newton que es fijo e inmutable, ademas de independiente del tiempo, que es absoluto; mientras a la derecha vemos el concepto de espaciotiempo de Einstein, deformable y con el tiempo integrado en cada punto del mismo, de manera que el tiempo ya no es absoluto, sino que también es susceptible de deformación.

El segundo pilar son las observaciones de Edwin Hubble de 1929 que, fotografiando galaxias y analizando su espectro, pudo evidenciar que todas parecían alejarse de nosotros, y cuanto más lejos estaban, más rápido se alejaban: el universo se expandía. Hasta ese momento, el paradigma científico de la cosmología, la idea global vigente, había sido un universo estático, eterno e inmutable. Pero las soluciones a las ecuaciones de Einstein dadas por Friedman, Lemaître, Robertson y Walker entre 1922 y 1935, dejaron claro que el universo que describían esas ecuaciones no podía ser estático.

En un principio incluso Einstein rechazó estas soluciones, y para conseguir artificiosamente un universo “estático” (infinito y eterno) introdujo en sus ecuaciones una constante cosmológica. Pero ante las crecientes evidencias experimentales, no le quedó otra que descartar las ideas con las que había crecido y aceptar que el universo que habitamos se expandía. Por ello afirmó que introducir la constante cosmológica en las ecuaciones fue el “mayor error de su vida”.

Y es que en ciencia no hay lugar para el dogma. La realidad manda. El experimento “nunca se equivoca”.

A continuación os dejo el gráfico del artículo original de Hubble, donde pudo ver claramente la relación entre distancia y velocidad de recesión de las galaxias respecto de la Tierra.

El Universo se expande. Esa evidencia tiene dos consecuencias inmediatas en un marco “clásico”: el universo tuvo un principio en el tiempo (ya no podía ser eterno) y en el espacio (ya no podía ser infinito).

Luego en 1948 George Gamov junto con su estudiante de doctorado Ralph Alpher, añadieron otro pilar al describir la nucleosíntesis primordial, la formación de los primeros núcleos atómicos, como consecuencia del Big Bang.

También ese año Gamow, junto con Alpher y Robert Hermann, propusieron la existencia de un fondo de radiación, de una temperatura en la actualidad de unos 5 K, y “onmipresente” consecuencia del Big Bang. Encontrarla supondría un empujón definitivo a la teoría. Y en 1964, mientras los astrofísicos, Robert H. Dicke, David Wilkinson y Jim Peebles se esmeraban en refinar la búsqueda, los físicos Arno Penzias y Robert Wilson se toparon de casualidad con la dichosa radiación mientras desarrollaban una antena criogénica ultrasensible para detectar microondas, en los laboratorios Bell. De hecho, no supieron reconocerla. Pero gracias a otra casualidad (tener un amigo común con Jim Peebles) ataron cabos. Y finalmente se publicaron los dos artículos en 1965, en la misma revista, justo uno a continuación del otro. Dos casualidades y final feliz para Penzias y Wilson, que recibieron el premio Nobel de física en 1978 por la detección del Fondo Cósmico de Microondas.

Desde entonces, las evidencias no han hecho sino crecer en número y robustez: la estructura del universo a gran escala, la formación de las galaxias, la medición de distancias gracias a las supernovas tipo Ia, la correlación con el redshift que Sabela os explicaba en esta entrada, y mucho más.

En definitiva, la teoría del Big Bang clásica afirma que, si el universo se expande, entonces ayer era más pequeño que hoy, y hace una semana más pequeño aún, etc. Por tanto, las evidencias nos muestran que retrocediendo una cantidad finita de tiempo encontraríamos todo el contenido del universo, y el propio espaciotiempo, concentrados en un lugar muy, muy pequeño. Una idea sin duda sorprendente.