Lo que nunca le cuentan sobre el Big Bang

La semana pasada nos dejó Stephen Hawking, el físico más célebre de nuestros tiempos. Por su gran estatura intelectual y su inmensa popularidad, su nombre aparece asociado con un sinnúmero de predicciones teóricas, entre ellas el inicio del universo en el Big Bang. Pero pocas veces nos aclaran qué es eso del Big Bang y cómo es que Stephen Hawking encaja en esa aventura de la física moderna, que es intentar comprender el universo como un todo. Para entenderlo hay que visitar tres episodios claves en la historia de Stephen Hawking y de este fenómeno.

El Big Bang es un chiste

Es una idea que nació de la combinación de dos hitos de la física del siglo XX. Primero, en 1917 Albert Einstein culminó su titánico esfuerzo por demostrar teóricamente que el espacio-tiempo se distorsiona por la presencia de la materia: la teoría general de la relatividad. En ella tenemos la herramienta más poderosa para hacer modelos autoconsistentes del universo, las ecuaciones de campo de Einstein.

Segundo, en 1929 Edwin Hubble usó los hallazgos de Henrietta Swan Leavitt, una de las mujeres computadoras del Harvard College Observatory, y el telescopio más poderoso de su tiempo para demostrar que otras galaxias se están alejando de la nuestra, y mientras más lejos están, más rápido se alejan. Hubble había descubierto la expansión del universo.

Al juntar las observaciones de Hubble con la solución a las ecuaciones de campo que habían encontrado Alexander Friedmann, físico y aviador durante la Primera Guerra Mundial, y Georges Lemaître, físico y sacerdote católico, teníamos por primera vez un modelo autoconsistente: un universo lleno de materia que se había expandido desde un estado primigenio. En palabras del propio Lemaitre, el resultado de “la explosión de un huevo cósmico en el momento de la creación”. Pero la historia aún no estaba concluida.

Fred Hoyle, Thomas Gold y Hermann Bondi, tres brillantes físicos que habían trabajado en el sistema de radar utilizado para la defensa de Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial, coincidían con los cálculos de Lemaitre, pero estaban en profundo desacuerdo con su interpretación. Encontraban irracional la idea de que el universo tuviese un inicio que no puede describirse en términos científicos. Juntos desarrollaron la teoría del universo estacionario, un universo eterno e inmutable en donde las galaxias se separaban las unas de las otras.

Fue Hoyle quien en una emisión de la radio BBC, el 28 de marzo de 1949, se burló de la idea de la creación del universo en una gran explosión, en inglés, un Big Bang. Y ese es el nombre que aún le seguimos dando a esa teoría.

El Big Bang, ¿una buena idea?

Fred Hoyle es aún considerado uno de los físicos más brillantes (y controversiales) del siglo XX y fue precisamente con él con quien Stephen Hawking quiso trabajar cuando inició su doctorado en la Universidad de Cambridge, en octubre de 1962. Pero Hoyle era un hombre de muchas ocupaciones y Hawking fue asignado a trabajar con Dennis Sciama, una figura emergente en la física del Reino Unido. Luego de un primer año difícil, marcado por el diagnóstico de la enfermedad que eventualmente lo llevaría a la parálisis, Hawking volvió a trabajar, y bajo el estímulo de Sciama, desarrolló una reputación de genialidad e impertinencia que vieron su apogeo en un episodio que lo enfrentó al mismísimo Hoyle.

En 1964 Hoyle y su estudiante Jayant Narlikar presentaron en la Royal Society una teoría modificada de la gravedad que respaldaba sus ideas del universo estacionario. Hawking estaba presente y, al finalizar la charla, en la ronda de preguntas, señaló una falla en la teoría de Hoyle. Cuando Hoyle le preguntó por qué estaba seguro, Hawking respondió que lo había calculado. Todos en la audiencia estaban impresionados. Pensaron que Hawking había hecho ese complejo cálculo mentalmente durante la charla, pero en realidad había visto una versión anterior del trabajo de Narlikar, con quien compartía oficina. Hoyle estaba furioso, estaba intentando obtener la financiación para comenzar su propio instituto de investigación y pensó que todo el intercambio era una trampa para desprestigiarlo. Eventualmente consiguió los recursos e inició el Institute of Astronomy en Cambridge y le ofreció un trabajo allí a Stephen Hawking.

La teoría del universo estacionario de Hoyle no tenía un sustento teórico irrefutable, pero hacía predicciones claras que podían ser contrastadas directamente con las observaciones. La observación que la descartó de lleno se obtuvo en 1964, cuando Arno Penzias y Robert Wilson, quienes trabajaban para Bell Telephone Laboratories realizando experimentos de comunicación satelital, descubrieron una señal en frecuencia de microondas que provenía de todas partes del firmamento: la radiación de fondo de microondas.

La radiación de fondo probaba que el universo había tenido una etapa en la era mucho más caliente y mucho más densa, pero no probaba cuál era su origen. En su trabajo con Roger Penrose, Hawking demostró que las singularidades, los lugares del espacio-tiempo donde las leyes de la física se rompen, son una consecuencia natural de las ecuaciones de campo de Einstein y luego fue más allá proponiendo que el universo mismo pudo haberse creado en una singularidad. Expuso esa idea en su primer libro, La estructura del espacio-tiempo a gran escala”, un tratado técnico que escribió junto con Gary Gibbons. En él usaba la geometría diferencial para describir el origen del espacio-tiempo y la naturaleza de su expansión infinita, una teoría a la que aún no podemos responder con las observaciones.

El Big Bang no está concluido.

Muchas cosas han cambiado en la física desde que Stephen Hawking publicó Una breve historia del tiempo, en 1988. Y aunque ahora tenemos certezas sobre el origen del universo en un evento particular, tenemos nuevas preguntas.

En 1992, las observaciones del satélite COBE confirmaron que el espectro y la distribución de la radiación de fondo de microondas en el firmamento es consistente con la radiación fósil del joven universo (Premio Nobel de Física 2006). A COBE le siguieron experimentos en globo como Boomerang y satélites como WMAP y Planck, que confirmaron que las fluctuaciones de esa radiación son homogéneas a un nivel de 0,01 %. Lo mismo sucede con la distribución de las galaxias a gran escala, también es homogénea en el firmamento, como lo revelan nuevas observaciones hechas con telescopios robóticos. ¿Cómo es posible que el universo sea tan similar incluso en direcciones opuestas del firmamento? Claro, estaba conectado en el momento del Big Bang, pero si la expansión del universo fue uniforme en el tiempo, solamente pequeños parches seguían comunicados mientras se expandían. Para que todos los puntos del firmamento estuviesen conectados, la expansión tuvo que haber sido tremendamente rápida y luego reducirse drásticamente hasta los niveles que ahora observamos.

Una de las pistas que tenemos viene del desplazamiento de galaxias lejanas que indican que el universo no solamente se está expandiendo, sino que además se está expandiendo cada vez más rápido (Premio Nobel de Física 2011). Esto no contradice la idea del Big Bang, pero nos pone a pensar en que la expansión del universo puede cambiar en distintas épocas, aunque no tenemos la certeza de qué es lo que la controla. A eso es a lo que llamamos energía oscura, una presión que impulsa la expansión del universo y que hasta ahora solamente podemos explorar usando la teoría cuántica de campos y otras herramientas de la física teórica.

La expansión acelerada es uno de los eslabones perdidos del Big Bang y precisamente ese era el tema del último artículo que escribió Stephen Hawking. En colaboración con el astrofísico belga Thomas Hertog, discutían cómo, bajo ciertas conjeturas, la inflación, el período de expansión acelerada que explicaría la homogeneidad del universo, reduce el número de universos posibles y termina casi siempre en un universo homogéneo como el nuestro.

Stephen Hawking era el primero en reconocer las limitaciones de una teoría. En las primeras páginas de Una breve historia del tiempo advertía: “Cualquier teoría física es siempre provisional, en el sentido de que es sólo una hipótesis: nunca se puede probar. A pesar de que los resultados de los experimentos concuerden muchas veces con la teoría, nunca podremos estar seguros de que la próxima vez el resultado no vaya a contradecirla. Sin embargo, se puede rechazar una teoría en cuanto se encuentre una única observación que contradiga sus predicciones”.

Sabía perfectamente que en la frontera del conocimiento hay que dejar volar la imaginación, pero que en la física las ideas extraordinarias necesitan evidencias extraordinarias.

* Astrofísico colombiano.

La semana pasada nos dejó Stephen Hawking, el físico más célebre de nuestros tiempos. Por su gran estatura intelectual y su inmensa popularidad, su nombre aparece asociado con un sinnúmero de predicciones teóricas, entre ellas el inicio del universo en el Big Bang. Pero pocas veces nos aclaran qué es eso del Big Bang y cómo es que Stephen Hawking encaja en esa aventura de la física moderna, que es intentar comprender el universo como un todo. Para entenderlo hay que visitar tres episodios claves en la historia de Stephen Hawking y de este fenómeno.

El Big Bang es un chiste

Es una idea que nació de la combinación de dos hitos de la física del siglo XX. Primero, en 1917 Albert Einstein culminó su titánico esfuerzo por demostrar teóricamente que el espacio-tiempo se distorsiona por la presencia de la materia: la teoría general de la relatividad. En ella tenemos la herramienta más poderosa para hacer modelos autoconsistentes del universo, las ecuaciones de campo de Einstein.

Segundo, en 1929 Edwin Hubble usó los hallazgos de Henrietta Swan Leavitt, una de las mujeres computadoras del Harvard College Observatory, y el telescopio más poderoso de su tiempo para demostrar que otras galaxias se están alejando de la nuestra, y mientras más lejos están, más rápido se alejan. Hubble había descubierto la expansión del universo.

Al juntar las observaciones de Hubble con la solución a las ecuaciones de campo que habían encontrado Alexander Friedmann, físico y aviador durante la Primera Guerra Mundial, y Georges Lemaître, físico y sacerdote católico, teníamos por primera vez un modelo autoconsistente: un universo lleno de materia que se había expandido desde un estado primigenio. En palabras del propio Lemaitre, el resultado de “la explosión de un huevo cósmico en el momento de la creación”. Pero la historia aún no estaba concluida.

Fred Hoyle, Thomas Gold y Hermann Bondi, tres brillantes físicos que habían trabajado en el sistema de radar utilizado para la defensa de Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial, coincidían con los cálculos de Lemaitre, pero estaban en profundo desacuerdo con su interpretación. Encontraban irracional la idea de que el universo tuviese un inicio que no puede describirse en términos científicos. Juntos desarrollaron la teoría del universo estacionario, un universo eterno e inmutable en donde las galaxias se separaban las unas de las otras.

Fue Hoyle quien en una emisión de la radio BBC, el 28 de marzo de 1949, se burló de la idea de la creación del universo en una gran explosión, en inglés, un Big Bang. Y ese es el nombre que aún le seguimos dando a esa teoría.

El Big Bang, ¿una buena idea?

Fred Hoyle es aún considerado uno de los físicos más brillantes (y controversiales) del siglo XX y fue precisamente con él con quien Stephen Hawking quiso trabajar cuando inició su doctorado en la Universidad de Cambridge, en octubre de 1962. Pero Hoyle era un hombre de muchas ocupaciones y Hawking fue asignado a trabajar con Dennis Sciama, una figura emergente en la física del Reino Unido. Luego de un primer año difícil, marcado por el diagnóstico de la enfermedad que eventualmente lo llevaría a la parálisis, Hawking volvió a trabajar, y bajo el estímulo de Sciama, desarrolló una reputación de genialidad e impertinencia que vieron su apogeo en un episodio que lo enfrentó al mismísimo Hoyle.

En 1964 Hoyle y su estudiante Jayant Narlikar presentaron en la Royal Society una teoría modificada de la gravedad que respaldaba sus ideas del universo estacionario. Hawking estaba presente y, al finalizar la charla, en la ronda de preguntas, señaló una falla en la teoría de Hoyle. Cuando Hoyle le preguntó por qué estaba seguro, Hawking respondió que lo había calculado. Todos en la audiencia estaban impresionados. Pensaron que Hawking había hecho ese complejo cálculo mentalmente durante la charla, pero en realidad había visto una versión anterior del trabajo de Narlikar, con quien compartía oficina. Hoyle estaba furioso, estaba intentando obtener la financiación para comenzar su propio instituto de investigación y pensó que todo el intercambio era una trampa para desprestigiarlo. Eventualmente consiguió los recursos e inició el Institute of Astronomy en Cambridge y le ofreció un trabajo allí a Stephen Hawking.

La teoría del universo estacionario de Hoyle no tenía un sustento teórico irrefutable, pero hacía predicciones claras que podían ser contrastadas directamente con las observaciones. La observación que la descartó de lleno se obtuvo en 1964, cuando Arno Penzias y Robert Wilson, quienes trabajaban para Bell Telephone Laboratories realizando experimentos de comunicación satelital, descubrieron una señal en frecuencia de microondas que provenía de todas partes del firmamento: la radiación de fondo de microondas.

La radiación de fondo probaba que el universo había tenido una etapa en la era mucho más caliente y mucho más densa, pero no probaba cuál era su origen. En su trabajo con Roger Penrose, Hawking demostró que las singularidades, los lugares del espacio-tiempo donde las leyes de la física se rompen, son una consecuencia natural de las ecuaciones de campo de Einstein y luego fue más allá proponiendo que el universo mismo pudo haberse creado en una singularidad. Expuso esa idea en su primer libro, La estructura del espacio-tiempo a gran escala”, un tratado técnico que escribió junto con Gary Gibbons. En él usaba la geometría diferencial para describir el origen del espacio-tiempo y la naturaleza de su expansión infinita, una teoría a la que aún no podemos responder con las observaciones.

El Big Bang no está concluido.

Muchas cosas han cambiado en la física desde que Stephen Hawking publicó Una breve historia del tiempo, en 1988. Y aunque ahora tenemos certezas sobre el origen del universo en un evento particular, tenemos nuevas preguntas.

En 1992, las observaciones del satélite COBE confirmaron que el espectro y la distribución de la radiación de fondo de microondas en el firmamento es consistente con la radiación fósil del joven universo (Premio Nobel de Física 2006). A COBE le siguieron experimentos en globo como Boomerang y satélites como WMAP y Planck, que confirmaron que las fluctuaciones de esa radiación son homogéneas a un nivel de 0,01 %. Lo mismo sucede con la distribución de las galaxias a gran escala, también es homogénea en el firmamento, como lo revelan nuevas observaciones hechas con telescopios robóticos. ¿Cómo es posible que el universo sea tan similar incluso en direcciones opuestas del firmamento? Claro, estaba conectado en el momento del Big Bang, pero si la expansión del universo fue uniforme en el tiempo, solamente pequeños parches seguían comunicados mientras se expandían. Para que todos los puntos del firmamento estuviesen conectados, la expansión tuvo que haber sido tremendamente rápida y luego reducirse drásticamente hasta los niveles que ahora observamos.

Una de las pistas que tenemos viene del desplazamiento de galaxias lejanas que indican que el universo no solamente se está expandiendo, sino que además se está expandiendo cada vez más rápido (Premio Nobel de Física 2011). Esto no contradice la idea del Big Bang, pero nos pone a pensar en que la expansión del universo puede cambiar en distintas épocas, aunque no tenemos la certeza de qué es lo que la controla. A eso es a lo que llamamos energía oscura, una presión que impulsa la expansión del universo y que hasta ahora solamente podemos explorar usando la teoría cuántica de campos y otras herramientas de la física teórica.

La expansión acelerada es uno de los eslabones perdidos del Big Bang y precisamente ese era el tema del último artículo que escribió Stephen Hawking. En colaboración con el astrofísico belga Thomas Hertog, discutían cómo, bajo ciertas conjeturas, la inflación, el período de expansión acelerada que explicaría la homogeneidad del universo, reduce el número de universos posibles y termina casi siempre en un universo homogéneo como el nuestro.

Stephen Hawking era el primero en reconocer las limitaciones de una teoría. En las primeras páginas de Una breve historia del tiempo advertía: “Cualquier teoría física es siempre provisional, en el sentido de que es sólo una hipótesis: nunca se puede probar. A pesar de que los resultados de los experimentos concuerden muchas veces con la teoría, nunca podremos estar seguros de que la próxima vez el resultado no vaya a contradecirla. Sin embargo, se puede rechazar una teoría en cuanto se encuentre una única observación que contradiga sus predicciones”.

Sabía perfectamente que en la frontera del conocimiento hay que dejar volar la imaginación, pero que en la física las ideas extraordinarias necesitan evidencias extraordinarias.

* Astrofísico colombiano.