modelando el universo en tu mente

MODELANDO EL UNIVERSO EN TU MENTE
¿Desea construir un modelo del universo a escala?
(Olvídese de las esferitas y los palitos)
Hugh Downs
Sky & Telescope, October 1993, page 24.
Cuando niño me preguntaba por qué no se exhibían en los museos o planetarios, modelos
a escala del universo. Mas tarde comprendí que eso es imposible de construir y también imposible
de imaginar. Cuando las distancias incomprensiblemente grandes son escaladas para imaginarlas,
las distancias moderadas se vuelven incomprensiblemente pequeñas.
Para mostrar lo que quiero decir, usemos una escala en que todas las cosas (sus
dimensiones) son disminuidas en un factor de un billón (109, un uno seguido de nueve ceros, mil
millones). La tierra sería una esfera de unos 1,3 cm de diámetro y la luna se encontraría a solo 38
cm de ella. El sol seria una pelota de playa de 1.4 m de diámetro que estaría a una distancia de 150
m de la tierra.
Estas medidas y distancias hacen imposible el poder albergarlas en un edificio. Podemos
imaginar construir un modelo del sistema solar completo a esta escala, sin embargo, los cuerpos
menores como los núcleos de cometas y los asteroides serían reducidos al tamaño de una partícula
de polvo. Necesitaríamos un taxi para poder llegar a Plutón, el cual orbitaría a unos 6 km del sol.
A esta escala, sin embargo, el modelo construido no podría incluir ningún objeto que
permaneciera en las afueras del sistema solar. A esta escala de 1 a 1 billón (109 , mil millones), una
pelota de basketball que representaría a próxima centauro, la estrella más cercana al sol estaría
ubicada a unos 40.000 km de distancia!! o a la décima parte de la distancia real a la luna. Para
poder observar las lunas de Marte en este modelo, necesitaríamos una gran lupa, encontraríamos
que todas las estrellas estarían tan lejos que no podríamos visitarlas. Las distancias serían tan
astronómicas que el modelo no aportaría nada a nuestra curiosidad por viajar por el universo.
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MODELOS EN EL ESPACIO
La estrategia en este caso parece ser una reducción de escala en un millón de veces a
nuestro modelo primitivo. Ahora la órbita de Plutón es un anillo de 6 milímetros (mm) de radio, y el
sol es un punto microscópico (que sin embargo todavía brilla) y se encontraría cerca del centro.
Pero si esperamos encontrar otros puntos luminosos cerca, nuevamente el gigantesco vacío del
espacio se nos interpone.
Aun a esta escala Próxima Centauro estaría a unos 40 m de distancia. Otros puntos
luminosos brillarían en la lejanía desde todas las direcciones, pero lejísimos. Tan lejos que nuestra
visión binocular no proporcionaría ni siquiera un paralaje para apreciar su distancia
real.
Vega (otra estrella) estaría a un cuarto de km, la mayoría de las estrellas brillantes de Orión
estarían a unos 15 km y el disco de la Vía Láctea se desparramaría en unos 1000 km. Tendría una
extensión de aproximadamente la distancia de Santiago - Puerto Montt. La super gigante roja
Betelguese, de 800 veces el diámetro solar, sería un punto naranjo y caliente de 1 mm. El cúmulo
globular M13 de la constelación de Hércules, yacería a unos 200 km de nuestro sistema solar. Sus
100.000 estrellas formarían una nube de alredor de 750 m de diámetro.
Nuevamente resulta demasiado grande. Vamos a hacer un modelo de nuestro modelo,
reduciremos todo otra vez en un millón de veces, resultando una escala de 1 a 1021 (un uno seguido
de 21 ceros!). Ahora nuestra galaxia llega a ser una pequeña rueda suavemente brillante de 1 m de
diámetro. Aquí la idea de modelar individualmente las estrellas, los planetas y las lunas no tiene
significado, al escalar en un factor 1021, estos objetos adquieren las dimensiones de un átomo. Sólo
podemos discernir los brazos espirales de la vía láctea. El bulbo central de la galaxia se vería como
una pelota de algodón brillante y el halo esferoidal de cúmulos globulares es reducido a un par de
cientos de granos de sal esparcidos.
Como podemos ver, las distancias entre estrellas en la galaxia son enormes comparado con
las dimensiones de éstas, así la vía láctea parece casi vacía. En contraste, las galaxias están más
cerca una de otra. En nuestro modelo, la gran rueda de Andrómeda, M13, sería otro disco de 1 m
de diámetro a sólo 20 m de otro que representaría nuestra galaxia. No más de treinta galaxias, la
mayoría de ellas bien representadas por grandes pelotas de algodón, estarían sumergidas entre las
dos galaxias espirales. Así el grupo local de galaxias podrían mantenerse, en este modelo, dentro
de un gimnasio.
Otros modelos de grupos de galaxias aparecerían en todas direcciones. Algunos similares a
nuestro grupo local del tamaño de un gimnasio, otros más grandes, que alcanzarían el tamaño de
una villa que contendría cientos o incluso miles de galaxias-miembros. Éstos se ordenarían en
patrones que asemejan una gran esponja. Dentro de esta esponja hay lugares vacíos, sin galaxias,
del tamaño de kilómetros, rodeados de estructuras con galaxias que parecen paredes. Para incluir
hasta los cuasares más remotos conocidos, nuestro modelo del universo se debe extender por lo
menos 100 km en todas las direcciones.
Incluso con nuestra imaginación no podemos asegurar como se vería el modelo en sus
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partes externas. Como somos criaturas de un espacio tridimensional hemos forzado una visión de
nuestro modelo considerando solo tres dimensiones, pero no tenemos garantía que la relación que
existe entre estas dimensiones haya sido la misma en el universo que observamos ahora donde las
galaxias y los cuasares son vistos como eran hace billones de años, pero sin embargo hay todavía
otra complicación.
Cada paso incluye un aumento de escala en mil veces. La última representa el universo, los
cúmulos de galaxias y la estructura esponjosa con paredes de galaxias encerrando espacios
vacíos.
Hemos considerado nuestro modelo estático y sin cambios, pero el universo real es
dinámico, las lunas orbitan planetas, los planetas orbitan estrellas y las estrellas galaxias. Y
superpuesto al movimiento de las galaxias orbitando sus cúmulos aparece la expansión global del
universo. Esta expansión global es tal que, ubicado en cualquier galaxia, las otras tienden a
alejarse, mientras mas lejos, mas rápido viajan.
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MODELOS EN EL TIEMPO
Antes de que nos demos por vencidos en la construcción de un modelo del universo,
hagamos un ajuste en el tiempo transcurrido, de la misma forma como lo hicimos con el espacio.
Acordémonos que para el modelo en el espacio usamos una escala de 1 a 1021. Usemos la
misma reducción de tiempo y veamos cuanto perduran las cosas. Suponemos que el universo se
creó en un estado de densidad extrema: el big-bang. Así que primero comprimamos todo el
universo en un punto.
Tomamos la última foto de la expansión espacial y comprimimos todo a un punto. No
especificamos el tamaño del punto porque, cualquiera sea, no lo podremos ver en el escenario del
universo.
Imagen incorrecta de la gran explosión
El Big-Bang (gran explosión)
NO es la
expansión de un punto en el espacio tiempo
vacío. El espacio y el tiempo se van creando a
medida que el universo se expande.
El espacio-tiempo comenzó muy pequeño y
después nosotros lo dejamos expandirse. (Este
es el verdadero significado del Big-Bang: es el
espacio tiempo que se va creando. No se
expande en otro espacio tiempo!
Si pestañeamos nos vamos a perder de todo, porque si aceleramos el tiempo en un factor
1021, 15 billones de años pasarían en solo 0.0005 seg. La historia entera del universo -su evolución
desde el big-bang hasta su estado actual- no la alcanzaríamos a notar. Podemos evitarnos el
perder toda la acción en nuestro modelo del universo cambiando la escala del tiempo.
Pero primero consideremos el significado de hacer esto. El espacio y el tiempo están
íntimamente conectados por la velocidad de la luz, los separamos por convención; se demanda que
la continuidad del espacio-tiempo se separe: el espacio en una mano y el tiempo en otra. Sólo
haciendo esto obtenemos un espacio tridimensional familiar en el cual parecemos estar en medio
un pasado-recordado y un futuro anticipado.
Espacio y tiempo terrestre son un fragmento muy chico del espacio y tiempo cósmico,
difieren incluso en magnitud uno del otro. Desde nuestra perspectiva, la vida ocupa una gran
cantidad de tiempo mientras que se necesitan espacios relativamente pequeños. Muchas personas
pasan su vida a unas pocas decenas de kilómetros de su lugar de nacimiento. Nadie (excepto unos
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pocos astronautas) llegan a mas de 13.000 km. de casa, apenas la distancia de 0.043 seg-luz. Para
el resto de las componentes del universo es generalmente al revés, en un tiempo de vida humano
un fotón viaja 70 u 80 años-luz, o 700 u 800 trillones de kms!!
Así el tiempo corre demasiado rápido para nosotros, si al reducir la inmensidad del espacio
a nuestra escala, reducimos el tiempo por el mismo factor.
Volviendo a nuestro modelo del universo, cambiemos nuestra reducción en la escala del
tiempo a 5´1013. Ahora toda la historia del universo hasta el presente llevaría alrededor de 2:30 hrs.
Asumiremos que empezó instantáneamente en el big-bang . Desde el punto de vista de un
físico, mucho pasó en el primer momento. No podemos visualizar sensiblemente esta etapa porque
no tenemos ninguna materia reconocible. Así como el tiempo es la medida de los eventos y el
tiempo sin eventos no tiene sentido, así también no tiene sentido el espacio sin materia.
Antes de que nos demos cuenta de que el reloj ha partido, nuestro modelo del universo se
ha expandido enormemente convirtiéndose en un casi perfecto mar de Hidrógeno (H) y Helio (He)
transparente a la luz. Es como lo vemos si observamos el fondo de radiación cósmica de
microondas. (Ver foto). Ha pasado casi 1 s de nuestra simulación del tiempo, en la realidad son
entre 300.000 y 400.000 años.
Foto del universo cuando
habían transcurrido
aproximadamente 350.000
años desde el Big-Bang.
El cosmos sigue expandiéndose, enfriándose y diluyéndose. En alrededor de 10 min la
primera generación de estrellas se ha formado, los elementos más pesados que el H y el He
sintetizados en el núcleo de las estrellas y expulsados al espacio por medio de explosiones de
supernovas se incorporan a las siguientes generaciones de estrellas.
Galaxias, o nubes que eventualmente se convierten en galaxias, empiezan a aparecer antes
de la media hora. Pronto el universo está lleno de ellas y las estructuras esponjosas que
modelamos empiezan a hacerse distinguibles.
En el punto medio de nuestro drama cósmico, no hemos encontrado nada familiar aún,
nuestro sistema solar no se formará hasta 1:40 hrs después del comienzo. Incluso la forma de vida
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más primitiva no aparecerá hasta la última media hora, los reptiles gigantes de la era mesozoica
aparecen en los últimos minutos y mueren 35 seg. antes del final. El primer humano aparece
alrededor del último segundo, las últimas cuatro eras glaciales ocurren en 0.5 seg y la historia
desde Babilonia ocurre en solo 0.003 seg.
El gran científico inglés James Jeans comento que los humanos han estado estudiando los
cielos por sólo un "tic" del reloj astronómico. Al ritmo que va el reloj en nuestro modelo, la
astronomía moderna tiene menos de 0.00005 s.
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MÁS ALLÁ DEL LÍMITE
Los modelos que hemos construido no pueden coexistir todos al mismo tiempo, ni siquiera
pueden existir en un espacio euclidiano cualquiera, y su estructura y detalles temporales no se
mantienen vigentes bajo la presión a la que avanza la cosmología. Vemos aquí que la construcción
del modelo no resiste muchos cambios. Sin embargo, podemos apreciar que los modelos, aun
cuando son de utilidad limitada, nos dan una perspectiva de la magnitud de tiempos y distancias
que van mucho más allá de la limitada experiencia humana. Aunque debamos mirar con humildad
la inmensidad del espacio cósmico y del tiempo, también nos debemos permitir mirar con algo de
satisfacción nuestros modelos.
Pese a que nuestro cerebro ocupa sólo 1400 cc y madura en menos de 20 años, es capaz
de modelar un universo que se expande 100 billones de trillones de kilómetros y 15 billones de
años. Nosotros somos, como diría el apóstol Pablo, ciudadanos de ninguna ciudad.
Tareas:
1.- Averiguar qué es el paralaje y para qué se ocupa. ¿Quién fue el primero que lo propuso? ¿Tuvo
éxito? ¿Se utiliza hoy? ¿Qué medio utiliza para desarrollar estas medidas?
2.- ¿Qué son los cúmulos de Galaxias? ¿Qué son los cúmulos de estrellas? Puede ilustrar su
respuesta con una figura. ¿Qué interés tienen los cúmulos estrellas con respecto a la edad del
universo?
3.- Puede averiguar el significado de esta foto. ¿Cómo se relaciona con el último cuadro del
escalamientos espacial? Se pueden identificar murallas, vacíos u otras estructuras?
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