El origen y el destino del universo

Con la teoría de la relatividad general de Einstein se predijo que el espacio-tiempo comenzó en el Big Bang y que va hacia un final, o bien el Big Crunch o bien hacia dentro de un agujero negro.

Cualquier materia que cayese en el agujero sería destruida en la singularidad y solamente el efecto gravitatorio de su masa continuaría sintiendose afuera. Aunque, teniendo en cuenta los efectos cuánticos, la masa o la energía de la materia tendría que ser devuelta finalmente al resto del universo, y el agujero junto con cualquier singularidad dentro de el se evaporía y desaparecería.

Las investigaciones recientes estudian acerca de cómo la mecánica cuántica puede afectar al origen y destino del universo. Para ello es necesario entender la história generalmente aceptada del universo conocida como “modelo del big bang caliente”. Se propone la idea de que a medida que el universo se expande la temperatura que hay en el se reduce. Las partículas que hay en el universo dependen de la temperatura. A temperaturas altas, las partículas tendrían mucha energía y por lo tanto cada vez que colisionasen se producirían muchos pares de partícula/antipartícula diferentes, y aunque algunas de estas partículas se aniquilarían al chocar con antipartículas, se producirían más rápidamente de lo que podrían aniquilarse. Pero, a temperaturas bajas, cuando las partículas que colisionasen tuvieran menos energía, los pares de partícula/antipartícula se producirían menos rápidamente, y la aniquilación sería más rápida que la produción.

Se piensa que en el big bang el tamaño del universo era nulo y tenía una temperatura infinitamente caliente, pero a medida que el universo se expandía, la temperatura disminuía. Un segundo después del big bang, la temperatura habría descencido al rededor de diez millones de grados. En ese momento el universo habría contenido fundamentalmente fotones, electrones, neutrinos y sus antipartículas junto con algunos protones y electrones. A medida que el universo se expandía y la temperatura descendía, el ritmo al que los pares electrón/antielectrón estaban siendo producidos en las colisiones habría descendido por debajo del ritmo al que estaban siendo destruidos por aniquilación. Los electrones y antielectrones se habían aniquilado mutuamente para producir más fotones, quedando solamente unos pocos electrones. Sin embargo los neutrinos y los antineutrinos debido a que interaccionan entre ellos y con otras partículas muy débilmente. Por lo que hoy todavía deberían estar allí, pero sus energías serían demasiado bajas para que los pudiésemos ver directamente. Pero podríamos detectarlos indirectamente ya que podrían ser formas de materia oscura con suficiente atracción gravitatoria como para detener la expansión del universo y provocar que se colapsase de nuevo.

Alrededor de cien segundos después del big bang, la temperatura habría descendido a mil millones de grados, que es la temperatura interior de las estrellas más calientes. A esta temperatura protones y neutrones no tendrían energía suficiente para vencer la atracción de la interacción nuclear fuerte, y habrían comenzado a combinarse juntos para producir los núcleor de átomos de deuterio, estos se habrían combinado entonces con más protones y neutrones para fprmar los núcleos de helio y también pequeñas cantidades de litio y berilio. Puede calcularse que alrededor de una cuarta parte de los protones y los neutrones se habría convertido en núcleos de helio, una pequeña cantidad de hidrógeno pesado y otros elementos.

Los restantes neutrones se habrían desintegrado en protones, que son núcleos de los átomos de hidrógeno ordinarios.

Unas horas después del big bang la producción de helio y de otros elementos se habría detenido.

Durante el siguiente millón de años, el universo continuó expandiéndose sin que ocurriera mucho más.

Una vez que la temperatura hubiese descendido unos pocos miles de grados y los electrones y los núcleos no tubiesen ya suficiente energía para vencer la atracción electromagnética entre ellos, estos habrían comenzado a combinarse para formar átomos. El universo en conjunto habría seguido expandiéndose y enfriándose, pero en regiones que fuesen ligeramente más densas que la media, la expansión habría sido retardada por la acción gravitatoria extra.

Esta habría detenido finalmente la expansión en algunas regiones, y habría provocado que comenzasen a colapsar de nuevo. Conforme se estuviesen colapsando, el tirón gravitatorio debido a la materia fuera de estas regiones podría empezar a hacerlos girar lentamente.

A medida que la región colapsante se hiciese más pequeña, estaría girando cada vez más deprisa sobre si misma forma que los patinadores dando vueltas sobre el hielo, giran más deprisa cuando encogen sus brazos. Finalmente, cuando la región se hiciera suficientemente pequeña, estaría girando lo suficientemente deprisa para compensar la atracción de la gracedad, y de este modo habrían nacido galaxias giratorias en forma de disco. Otras regiones, que por algún azar no hubieran adquirido rotación, se convertirían en objetos obalados llamados galaxias elipticas. En estas, la región dejaría de colapsarse porque partes individuales de la galaxia estarían girando de forma estable alrededor de su centro, aunque la galaxia en su conjunto no tendría rotación.

A medida que el tiempo transcurriese, el gas hidrógeno y helio de las galaxias se disgregaría en nuves más pequeñas que comenzarían a colapsarse a consecuencia de su propia gravedad. Según se iban contrayendo estas galaxias y los átomos dentro de ellas colisionaban unos con otros, la temperatura del universo aumentaba, hasta que estubo lo suficientemente caliente para iniciar las reacciones de fisión nuclear, estas convertirían el hidrógeno en más helio y el calor desprendido aumentaría la presión, por lo que las nubes no pudieron seguir contrayéndose. Estas nubes permanecerían estables mucho tiempo, quemando hidrógeno para formar helio e irradiendo la energía resultante en forma de luz y calor, como es el caso de nuestro Sol. En las estrellas con una masa mayor las reacciones de fusión nuclear se producirían mucho más deprisa, debido a que necesitan estar más calientes para compensar su atracción gravitatoria más intensa, entonces consumirían hidrógeno en períodos de tiempo muy cortos, se contraerían, se calentarían más empezarían a combertir el helio en elementos más pesados como carbono y oxígeno, pero esto no liberaría mucha más energía. No se sabe con exactitud lo que ocurrió a continuación, pero es probable que las regiones centrales alcanzara un estado muy denso, tal como una estrella de neutrones o un agujero negro, tal como una estrella de neutrones o un agujero negro, se pudo producir una tremenda explosión, llamada supernova en la que salió despedido el exterior de la estrella. Esta explosión superaría en brillo a todas las demás estrellas juntas de la galaxia. Algunos de los elementos más pesados producidos hacia el final de la vida de la estrella serían arrojados de nuevo al gas de la galaxia, y proporcionarían parte de la materia prima para la próxima generación de estrellas.

Nuestro propio sol contiene alrededor de un dos por ciento de esos elementos, ya que es una estrella de la segunda o la tercera generación, formada hace unos cinco mil millones de años a partir de una nube giratoria de gas que contenía los restos de las supernovas anteriores. La mayor parte del gas de esa nube o bien sirvió para formar el sol o bien fue arrojada fuera, pero una pequeña cantidad de los elementos más pesados se acumularon juntos para formar los cuerpos que ahora giran alrededor de la Tierra.

La Tierra en su estado inicial, tenía unas temperaturas elevadas y no tenía atmósfera, a medida que pasaba el tiempo se fue enfriando y adquirió una atmósfera mediante la emisión de gases de las rocas. Las condiciones primitivas de esta atmósfera habrían hecho imposible la vida, no contenía oxógeno, sino unos gases venenosos como sulfuro de hidrógeno. Aunque, se piensa que hay otras formas de vida primitivas que si podrían sobrevivir en estas condiciones. Se piensa que estas se desarrollaron en los océanos, posiblemente al azar de átomos en grandes estruturas, las macromoléculas, estas eran capaces de reunir otros átomos del océano para formar estruturas similares. Entonces, estas se habrían reproducido o multiplicado. Hubo algunos casos con errores en la reprodución, lo que hizo que la macromolécula no pudiera reproducirse a si misma, por esto con el tiempo fue destruida, aunque algunos de estos errores habrían producido muchas macromoléculas que serían mejores para reproducirse a si mismas, estas tenían ventaja y tendían a reemplazar las macromoléculas originales, se inició un proceso de evolución que conduciría al desarrollo de organismos autoreprodutores cada vez más complicados. Las primeras formas primitivas de vida consumían los “gases venenosos” y emitían oxígeno. Esto hizo que la atmósfera cambiara gradualmente hasta llegar a la composición que tiene hoy en día y permitió el desarrollo de formas de vida superiores, como peces, mamíferos, y por último el género humano.

Esta visión de un universo con una alta temperatura que conforme se expandía la temperatura disminuía, está de acuerdo con la evidencia de las observaciones que poseemos en la actualidad, sin embargo hay varias cuestiones a las que deja sin contestar:

  • La causa de una alta temperatura en el universo inicial.
  • La causa de la uniformidad del universo a gran escala.
  • La causa de que el universo se expanda a una velocidad crítica.
  • Las causas de las irregularidades que contiene el universo.

La teoría de la relatividad general, por si misma, no puede explicar estas características o responder a estas preguntas, porque parte de que el universo comenzó con una densidad infinita en la singularidad del big bang. En la singularidad, la relatividad general y todas las demás leyes de la física fallarían. Nosotros no podemos observar los sucesos anteriores al big bang ya que es el comienzo del espacio-tiempo. Hay una frontera en el espacio-tiempo, ya que este comienza en el big bang. La ciencia ha descubierto un conjunto de leyes que, dentro de los límites establecidos por el principio de incertidumbre predicen como evolucionará.

La configuración inicial del universo es incompresible, para nosotros, pero las leyes que obedece al evolucionar son comprensibles. La história de la ciencia se basa en que los sucesos no ocurren arbitrariamente, sino que obedecen a un orden. Este orden no debería aplicarse sólo a las leyes, sino también a las condiciones en la frontera espacio-tiempo que especificarían el estado inicial del universo. Se podrían proponer muchos modelos de universos que obedecieran a las mismas leyes. Se busca un principio que escogiera un estado inicial, para representar nuestro universo.

Una posibilidad es lo que se conoce como condiciones de contorno caóticas que dice que o el universo es especialmente finito o que hay infinitos universos. Dice que el universo en su estado inicial tenía unas condiciones caóticas e irregulares que evolucionaron a las actuales condiciones uniformes y regulares, algo que es dificil de entender como ocurrió.

Si el universo fuese infinito espacialmente o hubiese infinitos universos, se podría pensar que la zona donde habitamos nosotros fuese regular y uniforme pero, que el resto del universo no lo fuera. A primera vista, esto podría ser improbable, porque tales regiones suaves serían superadas en gran número por regiones caóticas e irregulares. Aunque si suponemos que en las zonas lisas del universo se formaron las galazias y las estrellas y en ellas nosotros, aparece una pregunta ¿Por qué el universo es tan liso? Esto es un ejemplo de aplicación de lo que se conoce como principio antrópico, que puede expresarse de la siguiente forma: “Vemos el universo en la forma que es porque nosotros existimos”. De este principio hay dos versiones: La débil y la fuerte.

  • Principio antrópico débil: En un universo que es grande o finito en el espacio y/o en el tiempo, las condiciones necesarias para el desarrollo de vida inteligente se darán solamente en ciertas regiones que están limitadas en el espacio y en el tiempo. Los seres inteligentes de estas regiones no deben, por lo tanto, sorprenderse si observan que su localización en el universo satisface las condiciones necesarias para su existencia.
  • Principio antrópico fuerte: De acuerdo con esta teoría, o hay muchos universos diferentes, o muchas regiones de un único universo, cada uno con su propia configuración inicial y, tal vez, con su propio conjunto de leyes de la ciencia. En la mayoría de estos universos, las condiciones no serían apropiadas para el desarrollo de organismos complicados; solamente en los pocos universos que son como el nuestro se desarrollarían seres inteligentes que se harían la siguiente pregunta: ¿Por qué vemos el universo como lo vemos? La respuesta es simple: si hubiese sido diferente, ¡Nosotros no estaríamos aquí!

Todas las cantidades que están presentes en las leyes de la ciencia, como las cargas eléctricas del protón y el electrón no se pueden reproducir teóricamente, por lo que hay que hallarlos mediante la observación.

A pesar de la posibilidad de encontrar en un futuro una teoría unificada que prediga estas condiciones, puede que estas varíen de un universo a otro o incluso dentro de uno mismo, ya que puede haber organismos que necesiten unas condiciones completamente diferentes. Aunque hay pocas gamas de valores para las cantidades citadas, que permitirían el desarrollo de cualquier forma de vida inteligente.

Puede que exista un universo bello sin nadie que pueda admirar esa belleza. Esto puede tomarse o bien como prueba de un propósito divino en la creación y elección de las leyes de la ciencia, o bien como el sostén del principio antrópico fuerte.

Pueden oponerse varias objeciones a este principio:

Si existen varios universos diferentes, que están separadas entre sí lo que ocurra en un universo no tiene consecuencias en el nuestro, por lo que hay que eliminarlos de nuestra teoría.

Si hay diferentes regiones en un mismo universo, todas ellas obedecerían a las mismas leyes, las únicas diferencias entre las regiones estarían en sus configuraciones iniciales y, por lo tanto el principio antrópico fuerte reduciría al débil.

Una segunda objeción al principio antrópico fuerte es que va a contra corriente de toda la historia de la ciencia ya que dice que el universo sólo existe para nosotros y esto es muy dificil de creer ya que es el requisito de nuestra existencia.

Uno podría sentirse más satisfecho con el principio antrópico del universo, ya qye su hubo unas configuraciones iniciales que evolucionaron hasta el universo actual, si fuera asi, que se desarrolló a partir de unas condiciones aleatorias, debería contener regiones suaves y uniformes adecuadas para la vida.

Pero si el estado inicial del universo fue elegido para conducir una situación como la que vemos a nuestro alrededor, sería imposible que el universo contuviese alguna región en la que apareciese la vida.

Si el modelo del big bang caliente fuese correcto desde el principio del tiempo, el estado inicial del universo tendría que haber sido elegido desde el principio con mucho cuidado. Sería muy difícil explicar por qué el universo debería haber comenzado justamente de esa manera, excepto si lo consideramos como el acto de un Dios que pretendiese crear seres como nosotros.

Existe la teoría de que conforme el universo se expande, se alisa, esta teoría fue propuesta por Guth, dice que ese estado actual suave y uniforme del universo podría haberse desarrollado a partir de muchos estados no uniformes diferentes.

En un universo tal, en el que la expansión fuese acelerada por una constante cosmológica, habría habido tiempo suficiente para que la luz viajase de una región a otra en el universo primitivo. Esta podría ser la respuesta a la pregunta de por qué diferentes regiones del universo primitivo tendrían las mismas propiedades. Se cree que hay una relación entre la que la densidad del universo y la velocidad de expansión de este.

No se sabe tampoco de donde salieron las partículas que hay en el universo, la respuesta es que, en la teoría cuántica, las partículas pueden ser creadas a partir de la energía en forma de pares de partícula/antipartícula. Esto plantea la cuesti, ¿De dónde salió la energía? La respuesta es que la energía total del universo es totalmente cero y la materia del universo está hecha de energía positiva. Sin embargo, toda la materia está atrayéndose a si misma mediante la gravedad, para mantener atraída toda esa energía, el campo gravitatorio debería ser negativo.

Energía positiva + energía negativa = 0

Durante la expansión normal del universo la densidad de energía de la materia disminuye a medida que el universo se hace más grande.

En la fase conocida como fase inflacionaria, el universo aumenta muchísimo su tamaño. Actualmente e universo no está en esa fase, y tiene que haber algún mecanismo que la active. Una vez que esto ocurra, el universo se expandirá muy rápido y se enfriará.

El modelo inflacionario fue un beun intento para explicar por qué el universo es como es. De todos modos se cree  que en su forma original predecía variaciones en la temperatura de la radiación de fondo mucho mayores de las que se observan. También hay dudas sobre si pudo ocurrir una transición de fase del tipo requerido en el universo primitivo, este modelo ha sido sustituido por el modelo inflacionario caótico propuesto por Linde en 1983, en el que no se produce ninguna transición de fase o sobreenfriamiento. En el, la energía del campo sería una constante cosmológica, a medida que se expandiese el universo, la energía del campo decrecería lentamente, hasta que la expansión inflacionaria cambiase a una expansión como la del modelo del big bang caliente. Una de estas regiones se transformaría en lo que actualmente vemos como universo observable. Este modelo es bastante aceptado porque no depende dela transición de fase.

En los modelos inflacionarios se muestra que estado natural del universo puede haberse originado a partir de diversas configuraciones iniciales diferentes, el estado inicial del universo no tubo que ser escogido con gran cuidado.

Se pueden usar las leyes de la ciencia para remontar el universo hacia atrás en el tiempo, y determinar su configuración en tiempos anteriores.

Si se desarrollase un universo cómo el actual, de acuerdo con las leyes de la ciencia, si se hiciera ir hacia alante, se podría llegar al estado grumoso e irregular del que partió. Para poder predecir cómo debió haber empezado el universo, se necesitan leyes que sean válidas desde el principio del tiempo. Si la teoría de la relatividad general fuese correcta, los teoremas de Stephen Hawhing y Roger Penrose probarían que el principio del tiempo habría sido un punto de densidad infinita y de curvatura del espacio tiempo infinita, todas las leyes de la cienia fallarían en un punto como ese. En tal punto sería dificil proponer unas leyes.

Se puede probar que el campo gravitatorio se hace tan fuerte que los efectos gravitatorios cuánticos se hacen importantes.

No existe ninguna teoría completa que combine la mecánica cuántica y la gravedad.

La teoría de Feyneman trata de unificar la mecánica cuántica y la gravedad, dece que hay que medir el tiempo usando números imaginarios: Haciendo esto, dejaría de existir la distinción entre el espacio y el tiempo. De modo que sería muy similar al espacio-tiempo de Euclides, pero en vez de en 2 dimensiones, en 4 dimensiones, esto no es más que un truco para obtener un espacio tiempo real.

Una segunda característica que debe formar parte de cualquier teoría definitiva es que las partículas se mueven en un espacio – tiempo curvo, pero tratan de moverse en línea recta, como el espacio – tiempo no es plano, sus caminos parecen doblarse, como si fuera por efecto de campo gravitatorio.

Según la teoría clásica de la gravedad, basada en un espacio – tiempo real, hay solamente dos maneras en las que puede comportarse el universo: o ha existido durante un tiempo infinito, o tuvo un principio en una singularidad dentro de algún tiempo finito en el pasado. En la teoría  cuántica de la gravedad, surge una tercera posibilidad: El espacio tiempo es finito, pero ilimitado.

Pero seguimos sin saber como comenzó el universo: “Dios puede saber como comenzó el universo, pero nosotros no podemos dar ninguna razón particular para pensar que empezó de una forma o de otra”.

Si el universo es finito pero ilimitado, no existiría ninguna singularidad en la que las leyes de la ciencia fallasen y ningún borde del espacio – tiempo en el cual tuviese que recurrir a Dios o a alguna nueva ley que estableciese las condiciones de contorno del espacio – tiempo. Se podría decir: “La condición de contorno del universo es que no tiene ninguna frontera”. El universo no se vería afectado por nada que estuviese fuera de él. No sería creado ni destruido, simplemente sería.

No se sabe la verdadera historia del universo, se dice que esta podría se una suma de todas las historias que se han propuesto. Hay histórias que son más probables que otras. Estas pueden imaginarse mentalmente como si fuesen la superficie de la Tierra, donde la distancia desde el polo norte se representaría el tiempo imaginario, y el tamaño de un círculo a distancia constante del polo norte como único punto. A medida que uno se mueve hacia el sur, los círculos de latitud, a distancia constante del polo norte, se hacen más grandes, y corresponden al universo expandiéndose en el tiempo imaginario. El universo alcanzaría un tamaño máximo en el Ecuador, y se contraería con el tiempo imaginario creciente hasta un único punto en el polo sur. A pesar del tamaño nulo de los polos, estos puntos no serían singularidades, no serían más singulares de lo que son los polos norte y sur, estos puntos no serían singularidades, no serían mñas singulares de lo que son los polos norte y sur sobre la Tierra. Las leyes de la ciencia serían válidas en ellos, exactamente igual a como lo son en la Tierra.

Tanto el tiempo real como el imaginario son producto de nuestra mente. ¿Qué es lo real el tiempo “real” o el “imaginario”?: Esta pregunta no tiene sentido. Dependerá simplemente de cual sea la descripción más útil.

También puede utilizarse la suma sobre historias, junto con la propuesta de ninguna frontera, para averiguar qué propiedades del universo es probable que se den juntas. Puede calcularse la probabilidad de que el universo se esté expandiendo aproximadamente a la misma velocidad en todas las direcciones en un momento en el que la densidad del universo tenga su valor actual. La probabilidad de que esto sea cierto es alta: Es extremadamente probable que la velocidad actual de expansión del universo sea casi la misma en todas las direcciones. Esto está probado en la radiación de fondo, que muestra la misma intensidad en cualquier dirección, si el universo estuviese expandiéndose más rápidamente en unas direcciones  que en otras, la intensidad de la radiación de esas direcciones estaría reducida por su desplazamiento adicional hacia el rojo.

Si usamos la idea de que no haya una frontera, encontramos que el universo tuvo que empezar en una no uniformidad. El universo pasó una étapa en la que hubo una expansión rápida. Durante esa étapa, las no uniformidades iniciales se habrían ampliado hasta hacerse lo suficientemente grandes como para explicar el origen de las estruturas que observamos a nuestro alrededor. En un universo en expansión en el cual la densidad de materia variase de un lugar a otro, la gravedad habría provocado que las regiones más densas frenasen su expansión y comenzasen a contraerse. Ello conduciría a la formación de galaxias, estrellas, y finalmente de criaturas como nosotros. La idea de que espacio y tiempo puedan formar una superficie cerrada tiene también profundas implicaciones sobre el papel de Dios en los asuntos del universo.

No se sabe el aspecto que tenía el universo en sus orígenes; todavia dependerá de Dios dar cuerda al reloj y elegir la forma de ponerlo en marcha. En cuanto el universo tuviera un principio, podríamos suponer que tuvo un creador. Si el universo es realmente autocontenido, si no tiene ninguna  frontera o borde, no tendría ni principio ni final: simplemente sería. ¿Qué lugar queda, entonces, para un creador?

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