Capitulo 1 - Exploremos el universo

DIÁLOGOS COSMOLÓGICOS
CONTEMPORÁNEOS
SERGIO TORRES ARZAYÚS
Capítulo 3
EL BIG BANG
Los científicos que estudian el origen del universo han llegado a un consenso sobre
esta pregunta fundamental basados en observaciones astronómicas y en sólidos conceptos
teóricos. La teoría científica sobre el universo estudiado como un todo, incorrectamente
llamada teoría de la “gran explosión” o big bang en inglés, no tiene nada que ver con una
explosión. Simplemente es un modelo del universo en el cual se propone que el espacio
está en expansión y que el universo tuvo un pasado muy denso y con altísimas
temperaturas que permitió la fusión de los átomos a partir de los cuales se formaron las
estrellas y galaxias que adornan el firmamento. La teoría del big-bang fue impulsada por
una docena de personajes, todos ellos aportando importantes elementos. Ahora bien si
hay alguien que pudiéramos llamar el padre del big-bang este es el físico nuclear ruso
George Gamow (1904 - 1968) o Geo para sus amigos. Fue él quien creó la verdadera
cosmología física uniendo la idea de la expansión del universo con la física nuclear y así
dotando la teoría con los pies que por primera vez le permitieron caminar. Comenzamos
la historia de Geo con la irresponsable aventura que emprende en el verano de 1932
cuando intenta escapar del régimen soviético cruzando el Mar Negro a punta de remo en
un frágil kayak1.
Geo no era de las personas que se iba a doblegar ante las limitaciones impuestas por
el sistema soviético y su filosofía oficial (el materialismo dialéctico) que censuraba las
teorías de la física que no se alineaban con esta ideología. Ya en varias ocasiones se había
metido en problemas con el sistema retando y hasta burlándose de las absurdas
exigencias de ese dogmatismo ideológico que rechazaba las nuevas teorías de la
relatividad de Einstein y la física cuántica que estudia lo que ocurre en el mundo de los
átomos. Durante una conferencia que dictaba al público sobre los avances de las teorías
atómicas, Gamow tuvo la osadía de mencionar el principio de incertidumbre de
Heisenber, el cual dice que en el mundo de los átomos no se puede predecir el futuro con
absoluta certeza. Como este concepto fue declarado anti materialista, uno de los guardias
de la ideología plantado ahí en la audiencia interrumpe la charla, manda a la gente a su
casa y acusa a Gamow de sembrar ideas peligrosas con sus desviaciones de la ideología
marxista. A los pocos días de este desafortunado encuentro con la verdad oficial, Gamow
recibe una carta de la universidad que lo emplea dando estrictas instrucciones de
abstenerse de hablar de estos temas. En otra ocasión recibió serias amenazas cuando junto
con su amigo Lev Landau, el Elvis Presley de la Física rusa, se burlan de la posición
oficial del materialismo dialéctico que seguía afirmando la existencia del “éter
luminífero”, una sustancia improbable más cercana a la magia que a la ciencia. Esta
sustancia de hadas no es el químico que se usa como disolvente orgánico, es un elemento
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de propiedades antagónicas que se invoca a finales del siglo XIX como el medio para
explicar la transmisión de las ondas de luz. El éter luminífero es ejemplo embarazoso de
lo que pasa cuando a los físicos teóricos se les deja solos sin el riguroso chequeo de los
laboratorios. Esta es una sustancia de atributos contradictorios pues por un lado tiene que
ser densa como un metal para poder transmitir la “vibraciones” de la luz, pero por el otro
es tan sutil como el aire para poder dejar pasar a los planetas como plumas que vuelan
inmersas en una atmósfera ligera. No era necesario esperar al experimento de los
americanos Michelson y Morley, que en 1887 muestran que el éter es una quimera, para
darse cuenta de que esta sustancia era una imposibilidad. Simplemente bastaba con
reconocer la contradicción del concepto mismo. A pesar de su imposibilidad física, la
noción mecánica del éter como medio por donde se propagan las ondas electromagnéticas
fue acogida por Frederick Engels lo cual fue suficiente para que el concepto quedara
firmemente empotrado en los alteares de la ideología comunista. Quien se atreviera a
retar su validez o cuestionar la existencia del éter automáticamente se convertía en
enemigo del sistema. Por haberse burlado del éter a Landau se le retiró su cátedra para
prevenir que sus alumnos se infectaran con ideas envenenadas.
El evento que acabó con su ínfima tolerancia por el sistema fue cuando se le negó la
visa para asistir al Simposio de Física Nuclear de octubre de 1931 en Roma al cual había
sido invitado por Guillermo Marconi, el famoso físico premio Nóbel de 1909 e inventor
de la telegrafía inalámbrica. A la negativa de su petición de los documentos para salir del
país Gamow y su nueva esposa de pocos meses, Lyubov Vokhminzeva apodada Rho,
deciden escapar. Basados en un rápido análisis del mapa de la Unión Soviética y sus
fronteras Gamow y Rho trazaron un plan que contemplaba cruzar el Mar Negro siguiendo
la línea recta de 273 kilómetros que une el punto más hacia el sur de la península de
Crimea con la costa norte de Turquía. Para completar su pueril plan se dotaron de un
bote inflable, huevos duros, brandy, barras de chocolate y una brújula. El plan comienza
con la visita que Geo organizó al observatorio de Simeis, 16 kilómetros al suroeste de
Yalta el sitio famoso por la Conferencia de Yalta de 1945 donde Stalin, Churchill y
Roosevelt deciden bajarle la temperatura a la guerra y así pasar a la guerra fría.
El día designado para la partida Rho y Geo se desplazan a las playas de Alupka 12
kilómetros al suroeste de Yalta, y muy temprano en la mañana comienzan la rutina que ya
habían practicado días antes y que consistía en remar una persona a la vez por turnos de
30 minutos cada uno. Impulsados por el deseo de salir de la URSS y con la ayuda de un
buen desayuno, ven en las aguas del Mar Negro un pequeño y amistoso lago al cual se
echan sin reparo alguno. El primer día, gracias a la cooperación de la calma marina, todo
salió de acuerdo con lo planeado pero al llegar la noche las cosas se complican cuando
sucumben al cansancio y se quedan dormidos justo al momento cuando las olas y el
viento comienzan a cobrar vigor. Antes del amanecer, la pareja se despierta a tiempo
justo para enfrentar el mar bravo que comienza a castigarlos. Todo el día hasta el
atardecer Geo apenas podía pelear con las olas para mantener el bote flotando. Si había
algo de desplazamiento, este sería debido al empuje del viento contra su espalda. Sólo
hasta el final de la tarde la tormenta se apacigua. Extenuados y con el poco aliento que les
queda siguen remando hasta que observan una orilla donde encallan, y quedan dormidos
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hasta que al amanecer unos pescadores de la localidad de Balaklava, 42 kilómetros al
oeste del punto de partida, los encuentran y los llevan a un hospital.
Rho y Geo salvaron sus vidas por la buena suerte de haber encontrado la tormenta
que los desvió hacia tierra firme. Una mirada al mapa nos revela que les hubiera tomado
8 días y 8 noches para alcanzar su meta al otro lado del Mar Negro. Se ve claramente que
dado el vigor de las olas y los vientos, el cansancio, el hambre y el frió acumulado
durante este tiempo, la probabilidad de éxito es muy cercana a cero. No sobra mencionar
que esta conclusión no está de acuerdo con la apreciación del mismo Gamow quien
afirma en su auto-biografía, fuente principal de estos relatos, que él hubiera podido
completar el viaje hasta el final de la meta en Turquía.
Los extremos de conducta irracional a la cual llegan Geo y Rho sólo se explican por
el desesperado rechazo que sentían contra el dogmatismo del sistema soviético. La
división artificial de la ciencia en proletaria y capitalista, y la subsiguiente prohibición de
hacer contacto con la ciencia capitalista del occidente y sus practicantes es algo que Geo
nunca podría aceptar.
La insólita historia de cómo Gamow salió de las garras de la URSS tiene un
desenlace surrealista que le llega a su casa, un año después de su fallido intento de fuga,
en forma de una carta oficial del estado informándole que su pasaporte junto con el
tiquete de tren a Bruselas están listos en la oficina de pasaportes de Moscú. La carta
indicaba que él había sido elegido como representante de la URSS ante el XIII Congreso
de Solvay a celebrarse en octubre (1933). ¿Cómo es posible que un personaje tildado con
sospecha y amenazado por el sistema recibiera un tratamiento favorable? La verdad es
que en esta ocasión no fueron vientos fortuitos ni mucho menos la generosidad y
entendimiento del sistema soviético los que lograron el milagro. Detrás de todo esto
estaba su gran amigo el danés Niels Bohr. Si Landau fue el Elvis Presley de la física
soviética, Bohr fue el Elvis de la física occidental. Einstein y Bohr fueron los físicos más
famosos del siglo XX, pero fue Bohr quien jugó el papel fundamental en el desarrollo de
la teoría atómica y la física cuántica por lo cual recibió el Nóbel en 1922. Niels Bohr
estableció un instituto de investigación en Copenhague que durante las primeras décadas
del siglo XX se convirtió en el centro de gravedad de la física. Él fue quien desarrolló el
hoy muy conocido modelo del átomo que suele ser representado con la caricatura de un
núcleo central siendo orbitado por pequeñas esferitas (los electrones) como si fuera un
sistema solar en miniatura. La dimensión histórica de este personaje fue recientemente
lanzada a un lugar de prominencia en el mundo del teatro y la historia con la pieza teatral
“Copenhague” de Michael Frayn en la cual se reconstruye la misteriosa visita de Werner
Heisenberg a Bohr en septiembre de 1941. Heisenberg, el del principio de incertidumbre
se queda en Alemania trabajando para los nazis y durante su viaje de 1941 a Copenhague,
que estaba ocupada por los nazis, se reunió con su mentor y amigo Niels Bohr con quien
trabajó por largos años desde su primer encuentro en 1922. Esta reunión quedó rodeada
en misterio por la abrupta forma en la que terminó y el giro que le dio a su relación hasta
ese momento amistosa. Los pocos documentos que quedan dan a entender que el
programa Nazi de la bomba atómica salió a flote en esa conversación. Qué pasó en esa
reunión y porqué el desenlace fue tan inesperado y turbulento han sido continua fuente de
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controversia y leña al fuego de la especulación histórica. La irremediable confluencia de
la física atómica con la historia de la II guerra mundial fue otro escenario en el que Bohr
jugó un papel decisivo. En enero de 1939 Gamow esperaba a Bohr en su casa en
Washington, al llegar a su casa después de un largo viaje trasatlántico Bohr le comunica a
Gamow la noticia que partió la historia de la guerra en dos: los alemanes habían logrado
la fisión nuclear. Esta visita de Bohr a Estados Unidos y su portentoso mensaje dio
comienzo al proyecto Manhattan, el resto está en los libros de historia.
Dejamos el paréntesis histórico en las turbias aguas de la física atómica y la guerra
para retomar el hilo del escape de Gamow. Al no aparecer al congreso de Roma ya sus
amigos sospechaban la difícil situación por la que estaba pasando y Bohr aprovechó la
ocasión del Congreso de Solvay para hacer que una invitación formal le fuera extendida a
Gamow. De nada serviría una invitación dirigida a Gamow. Para lograr el objetivo la
invitación tendría que ser dirigida de estado a estado. Así fue como Bohr convenció al
famoso físico francés Paul Langevin, miembro del comité organizador del Congreso de
Solvay y gerente del Comité de Cooperación Científica Franco-Rusa, para hacer la
invitación oficial. El Congreso de Solvay es como una especie de concierto de rock al
estilo Woodstock con la participación de los más famosos expositores con la excepción
de que quienes presentan no son roqueros sino físicos y lo que presentan no son
canciones sino teorías. Al sistema soviético le interesaba mandar emisarios a estos
eventos para que aprendieran los secretos de la ciencia capitalista sin revelar los secretos
de la ciencia del proletariado. Gamow asiste al congreso y no regresa a la Unión
Soviética.
Después del simposio que le abre las puertas al occidente, Gamow acepta una
invitación a un curso de verano en la Universidad de Michigan, y durante su estadía en
Ann Arbor recibe una oferta de trabajo de la Universidad de George Washington en la
capital de Estados Unidos. En las fotos que circulan de Gamow cuando trabajaba en
Washington aparece la cara de un personaje amigable que esconde algo de picardía. De
hecho entre sus colegas Gamow tenía fama de salir con bromas cada vez que se le
presentaba la oportunidad. Una de las más conocidas ocurre cuando le pide al físico
nuclear Hans Bethe si puede incluir su nombre en la lista de autores de un artículo que
escribió con su estudiante Ralph Alpher y que en ese momento preparaba para la
publicación. Con Bethe incluido, la lista de autores queda Alpher, Bethe, Gamow lo cual
rima con “alfa, beta, gama”, las tres primeras letras del alfabeto griego y apropiado para
el tema del artículo que era sobre el origen de los elementos químicos en el universo.
Gamow fue una figura de grandes proporciones, no solamente por su talla inusual
sino también por sus contribuciones significativas a tres de las más importantes áreas
científicas del siglo XX: la física nuclear, la cosmología y la genética. Gamow comienza
sus estudios en física en la Universidad de su ciudad natal de Odessa en Ucrania pero al
ver el precario estado de la universidad, decide trasladarse a San Petersburgo (Petrograd
en aquella época) en 1925 donde la física gozaba de mayor atención. Allá estudia con el
profesor Alexandre Friedmann y luego termina sus estudios de doctorado en física
nuclear en Gottingen. Niels Bohr, impresionado por su trabajo en Gottingen, lo invita a
su instituto en Copenhague en 1928 para una pasantía. Es allí donde aplica los conceptos
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de la naciente física cuántica para desarrollar una teoría del núcleo atómico explicando
por primera vez cómo es que ocurre un tipo de radiactividad natural llamada
radiactividad alfa. El fenómeno de la radiactividad sorprendió a los físicos mecanicistas
del siglo XIX quienes vivían bajo la ilusión de que todo lo podían explicar con palancas,
fuerzas, acciones y reacciones. Esta concepción determinista del mundo se desmorona
cuando el físico francés Henri Becquerel anuncia en 1896 que de los sólidos átomos de
los mecanicistas se desprenden emanaciones capaces de dejar impresiones en placas
fotográficas. Madame Curie descubre el elemento químico radio y observa que éste
produce mucha más radiación que las sales de uranio de Becquerel, hecho que motiva a
los esposos Curie para dar el nombre de radioactividad a este inesperado fenómeno.
La posibilidad teórica de un universo en expansión ya existía desde Sir Isaac
Newton en 1687 con su teoría de la gravedad universal. Sin embargo, rápidamente
Newton le puso freno a la idea postulando que el universo es infinito. Con esta idea
Newton no permite que la gravedad termine jalando toda la masa que hay en el universo
hacia un centro común, lo cual no era considerado cómodo de aceptar. Newton es el
personaje que suele ser representado reposando bajo un árbol quejándose del fuerte golpe
recibido por el impacto de una pesada fruta desprendida del árbol con su cráneo. Esta es
la imagen favorita para mostrar que la gravedad es la fuerza que lo jala a uno al centro de
la Tierra. Pero esta fuerza no solo afecta a las criaturas que deambulan la superficie del
planeta, los objetos astronómicos también sienten la atracción gravitacional. De hecho,
fue Newton quien se dio cuenta de que la gravedad actúa igual para la luna que para la
manzana. El científico y filósofo inglés también fue quien ideó las leyes de la mecánica
que hoy se enseñan en el bachillerato y en las universidades. Estas leyes publicadas en su
notable tomo, los Principia, siguen siendo usadas por ingenieros para construir edificios,
lanzar cohetes y calcular trayectorias. El tema de la dinámica del universo como un todo,
sin embargo, se aborda cuando Einstein formula la teoría general de la relatividad y la
aplica al universo.
Si uno es el jugador que mete el gol decisivo para ganar el mundial de futbol, uno
queda inmortalizado por la fama y colocado en el altar de los dioses del fútbol por los
aficionados. Si quisiéramos seguir con esta analogía, en física Einstein no metió solo el
gol de la victoria, Einstein superó toda marca metiendo cinco de esto goles ganadores.
Cabría explicar que su primer ocurre en el momento que atribuye el movimiento
desordenado de partículas muy finas en suspensión en un líquido al choque de estas con
las moléculas en el líquido. Estos estudios proveen una convincente prueba de la
existencia de átomos y moléculas. Su segundo gol se da cuando desarrolla la teoría de la
relatividad especial transformando radicalmente la noción clásica de espacio y tiempo.
Consecuencia extraordinaria de la relatividad es que la duración de un evento depende
del estado de movimiento del observador y que la masa de un objeto se puede convertir
en energía. En su tercero, desarrolla la teoría de la relatividad general según la cual la
gravedad es generada por los cambios en el espacio que produce la presencia de objetos
masivos como cuando un gordo se sienta a nuestro lado en un sofá muy acolchonado. Su
cuarto, encuentra las formulas que explican cómo la luz se puede organizar para producir
rayos láser. Y finalmente su quinto se da cuando dice que la luz se comporta como
corpúsculos sólidos que al chocar con una lámina de metal pueden arrancar electrones. El
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fenómeno estudiado en este último gol se llama efecto fotoeléctrico y fue por el cual se
ganó el premio Nóbel de física en 1921. Einstein murió en Princeton en 1955, de haber
sobrevivido unos pocos años más seguramente hubiera sido el recipiente de otros dos o
tres premios Nóbel. Este es un resumen muy corto de los cinco goles de Einstein, pero él
también es famoso por el gol que no metió (algo que definitivamente no ocurriría en el
futbol). Me refiero a la predicción más atrevida e impresionante en la historia de la
ciencia, una predicción que Einstein tenía en sus manos desde 1917 pero que no se dio
cuenta. Y si se dio cuenta, la suprimió por prejuicios teóricos. Einstein hubiera podido
anticipar la expansión del universo porque así lo reclaman sus mismas ecuaciones de la
relatividad general. Fue Friedmann, el profesor de Gamow en San Petersburgo, quien sí
metió ese gol. Friedmann usó la teoría de la gravedad de Einstein para estudiar al
universo en su totalidad y en 1922 encontró soluciones a las ecuaciones de la relatividad
general en las cuales el espacio en su totalidad sufre una expansión en el tiempo. El pobre
Friedmann muere tres años después de que sus cálculos fueron publicados sin saber que
su predicción de la expansión del espacio fue comprobada cuatro años más tarde cuando
Hubble y Humason observan el movimiento de recesión de las galaxias. Friedmann,
olvidado por todos muere enfermo de neumonía sin saborear la gloria de su monumental
contribución al avance de la cosmología. Einstein al comienzo rechazó la conclusión de
la expansión del universo y se desinteresó por estos cálculos. Luego viaja a Pasadena en
el invierno de 1930-1931 a ver los resultados de Hubble y se vuelve a interesar por la
cosmología.
La teoría de la gravedad que Einstein nos entregó no nos dice cómo exactamente es
el universo. Más bien es un formalismo que dice: si usted sabe cómo es la forma del
espacio-tiempo, yo le digo qué fuerzas resultan y cómo se mueven los cuerpos, sean estos
galaxias, planetas o trompos. El espacio-tiempo son las coordenadas donde los eventos
ocurren y Einstein encontró que la naturaleza es tal que la coordenada tiempo se le puede
dar el mismo tratamiento matemático que las tres coordenadas de espacio (largo, ancho,
alto). De forma muy compacta todo lo que dijo Einstein con respecto a la gravedad se
puede expresar en una ecuación tan sencilla que inclusive se puede escribir en un libro de
divulgación científica como este. He aquí la ecuación: G = T. Eso es todo. G representa la
forma o geometría del espacio-tiempo, T representa la distribución de masa y las fuerzas
resultantes. Como vemos, pueden existir tantas soluciones como queramos de acuerdo a
cómo modelamos G. La ecuación “G = T” es la materia prima de la cual los teóricos
pueden tallar sistemas solares, agujeros negros o completos universos. Si estamos
hablando de un agujero negro G toma una forma distinta que cuando el sistema bajo
estudio es el sol. En realidad la relatividad no es tan fácil como parece sugerir mi versión
simplista de las ecuaciones de Einstein. La expresión G = T no es una sola ecuación sino
diez ecuaciones en derivadas parciales. Para convencer al lector de que el asunto no es
para nada fácil, déjeme pronunciar la definición matemática de lo que realmente es G, a
condición de que el lector no espere que yo le explique los detalles: este término de la
ecuación de Einstein es el tensor curvatura del espacio-tiempo, un tensor simétrico de
segundo rango y divergencia nula resultante de la contracción del tensor de curvatura de
Riemman de cuarto rango. Y no se traumatice si no entendió la ecuación. La anécdota
obligatoria es que se decía que sólo dos personas entendían la relatividad, uno de estos
era Einstein por su puesto y el otro era el astrofísico inglés Arthur Eddington. La
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anécdota continúa. En 1919 Ludwig Silberstain, que se auto-estimaba conocedor de la
relatividad, le pregunta a Eddington si es cierto que él (es decir, Eddington) es una de las
tres personas que entienden la relatividad. Después de un prolongado silencio, Silberstain
le dice a Eddington que no sea tímido, a lo cual Eddington responde: ¡Ah, no! no es eso,
¡es que estaba pensando quién era el tercero!
Jugar con G y estudiar las formas que toma para diversos sistemas es en gran parte
el trabajo de los relativistas. Carreras completas se pueden realizar alrededor de G y
algunos han conquistado la fama hallando formas pertinentes de G a sistemas de interés.
Una vez que se tiene G las ecuaciones se pueden plantear y estudiar. Para ser rigurosos,
es preciso agregar que el término T a la derecha del signo igual también requiere mucho
trabajo. Una de las primeras soluciones de las ecuaciones de Einstein fue elaborada por el
físico alemán Karl Schwarzschild en 1916 quien explora la forma que debe tomar G para
los agujeros negros. Schwarzschild encontró que si una estrella que contiene 1.4 veces la
masa del sol se concentra en una bola de sólo 2 kilómetros de radio, la deformación del
espacio-tiempo es tan intensa que toda la luz que produce la estrella queda atrapada para
siempre dentro de este horizonte de 2 kilómetros. El trabajo de Friedmann fue explorar
qué forma debe tomar el termino G para un sistema gravitacional que contiene al
universo en su totalidad. Así fue como él encuentra que el universo admite un
comportamiento dinámico, que el espacio se puede expandir o compactar, y que tiene una
historia y por lo tanto podemos hablar de un tiempo cósmico. Con la teoría de la
relatividad Friedmann se encuentra con la expansión del universo. Mediante el uso de la
matemática, un simple cuaderno y un lápiz, Friedmann extrae de la materia prima “G =
T” un universo en expansión igual que Michelangelo extrae a Moisés del mármol. Un
concepto similar al de Friedmann fue desarrollado independientemente por un alumno de
Arthur Eddington, el sacerdote jesuita belga Georges Lemaitre2, quien inmediatamente
reconoce en el universo dinámico la atractiva posibilidad de reconciliar la narrativa
bíblica del origen del mundo con los avances más recientes de la física teórica. Si el
universo cambia en el tiempo y está en expansión, Lemaitre concluye que en el pasado el
universo estaba concentrado en un punto, o “átomo primigenio” como él lo llamó. Para
Lemaitre el origen del universo sugerido en las ecuaciones es consistente con la idea de la
creación. Lemaitre decide estudiar física después de pelear en la primera guerra mundial.
Termina con máximos honores su doctorado en física en la Universidad Católica de
Lovaina en 1920, el mismo año que entra al seminario. Luego estudia relatividad general
en Cambridge con Eddington y viaja a Estados Unidos para trabajar con Harlow Shapley
estudiando las nebulosas espirales, nombre dado a las galaxias antes de que fueran
identificadas como tales.
Como era de esperarse, dada la exuberancia del racionalismo que impregnaba las
primeras décadas del siglo XX, los teóricos recibieron fríamente el modelo del universo
de Friedmann y Lemaitre que, además de sus matices bíblicos, era rechazado por
Einstein, el científico que ejercía mayor influencia en el momento. Eddington, cuya
opinión también pesaba entre los astrofísicos, entendió y aceptó el trabajo de Friedmann
pero no estuvo de acuerdo con la implicación de que el universo tiene un comienzo en el
tiempo. Para él, existía una parte no explorada de las ecuaciones que algún día explicaría
la expansión sin necesidad de un punto de origen. Fue en Inglaterra donde se sintió la
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reacción más fuerte en contra de la indecorosa propuesta del cura Lemaitre, y fue Fred
Hoyle3 en quien el rechazo visceral a un universo en expansión se encarnó con máximo
vigor.
No puedo confirmar esto pero me atrevería a decir que la imagen del estereotipo
“nerd” fabricada en Hollywood fue inspirada por Hoyle. Es imposible no llegar a esta
conclusión cuando uno ve las fotos de los años 50 de Hoyle con su corte de cabello a raso
y de copete subido, sus gafas de marco ancho y vidrio grueso, pantalones holgados de
cintura y subidos a mitad de camino entre el tórax y el pelvis, y muchos estilógrafos y
reglitas saliendo del bolsillo de la camisa. Hoyle nació en 1915 en Yorkshire y fue un
brillante estudiante de matemáticas en Cambridge donde se gradó en 1936. Para su
doctorado trabajó con el profesor Paul Dirac, uno de los padres de la teoría cuántica, de
donde sale su primera contribución significativa a la astrofísica: desarrolla un modelo
estelar físico a partir del cual se puede calcular el brillo de una estrella como función de
su masa. Hoyle se convirtió en el astrónomo más famoso en Inglaterra. Escribió libros de
divulgación científica, aparecía en la radio y la televisión, y hasta una de sus novelas de
ciencia ficción fue usada para un programa de televisión. El editor de la revista científica
Nature dice que Hoyle tenía una imaginación descomunal y lo califica como el Leonardo
de Inglaterra4. Pero no sobra advertir que el editor de Nature también es inglés. Cuando
el ahora muy conocido astrofísico Stephen Hawking comenzó su doctorado en 1962,
eligió a Hoyle como director de tesis. Sin embargo Hoyle era muy popular, ya tenía
muchos estudiantes y no pudo recibir a Hawking en su grupo. Lástima, ¿No? ¡Hubiera
sido interesante ver las peleas entre Hoyle y Hawking!
Hoyle y sus colegas, igual que muchos otros físicos teóricos, admiraron en la teoría
de Einstein las simetrías que introduce pintando el espacio y el tiempo con el mismo
pincel, otorgando al tiempo el mismo lugar que a las coordenadas del espacio, formando
una teoría que estéticamente era un placer contemplar y admirar. Una teoría que al
estudiarla produce el mismo sentido de belleza que una sinfonía de Beethoven o una
escultura de Michelangelo. Sabemos que una sinfonía de Beethoven es perfecta y
acabada como obra de arte porque no la podemos imaginar si sacamos tan sólo una nota
de su lugar. En otras palabras, cuando vemos la obra acabada inmediatamente podemos
apreciar que no hubiera podido ser de otra forma. La teoría de la relatividad general de
Einstein inspira sentimientos similares. Esta se impone, coherente y completa, como un
hermoso templo donde no queda ni el más mínimo detalle por pulir. Para Hoyle, la
propuesta de Lemaitre irrumpe groseramente en ese templo quebrando la simetría en el
tiempo al imponer un tiempo cero donde aparece el universo. Es como si partiéramos la
5ª sinfonía de Beethoven por la mitad y le metiéramos una ranchera justo ahí en el medio
del segundo movimiento. Ahora el tiempo queda partido en dos, un antes y un después,
algo que no sucede con el espacio, es decir con el resto de las dimensiones de ese
continuo espacio-tiempo de Einstein. Las nociones irreverentes de Lemaitre no solamente
destruyen la simetría de la teoría sino también insertan la detestable idea de un tiempo
cero donde la teoría se rompe. Si uno escribe las ecuaciones que describen la dinámica
del universo y pone la variable tiempo igual a cero, cualquier cálculo que intentemos
hacer da un resultado igual a infinito. Los matemáticos no se molestan con esta situación
y la despachan tranquilamente insertando el rótulo de “singularidad” a lo que ocurre a
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tiempo igual a cero. Para los físicos, por el contrario, producir un resultado igual a
infinito es la peor pesadilla que puedan encontrar. Simplemente esto significa que la
teoría se rompe y hay que descartarla o encontrar un parche que repare su
comportamiento grosero a tiempo cero. Hoyle no permitió semejante insolencia y se negó
a aceptar un modelo del cosmos que tiene un comienzo en el tiempo y que no se puede
estudiar porque la teoría se rompe en ese momento. Para él, el hecho de que el origen
mismo del universo esté fuera del alcance científico es una fuerte razón para su rechazo.
La posición extrema de Hoyle nos sirve para ilustrar lo que ocurre cuando el teórico se
aferra con un carácter absolutista a una teoría. Hoyle adopta principios teóricos con la
misma intensidad que un activista se aferra a su ideología. El problema con posiciones
extremas es que se cierran a posibilidades correctivas. Bastaba con reconocer los límites
de la teoría y considerar que la relatividad no se puede aplicar a tiempo igual o cercano a
cero porque el tamaño del universo se reduce tanto que hay que tener en cuenta los
efectos de la física cuántica. El matrimonio de la física cuántica con la teoría de la
gravedad aún no se ha logrado, pero a escalas macroscópicas la relatividad general se
puede usar separadamente de la física cuántica sin ningún problema.
De acuerdo con los prejuicios del momento, era de esperarse que el universo fuera
estático. Y estático fue el universo que Einstein encontró cuando aplicó su teoría al
universo como un todo. Luego Friedmann descubre que en ese ejercicio Einstein cometió
un error algebraico derivando la solución que resultaba en un universo estático. Cuando
Einstein corrige el error y se da cuenta de que su propia teoría produce universos
dinámicos él los elimina por decreto cambiando la teoría. Einstein planta un término más
en sus ecuaciones que se encarga de prohibir al universo de andar inflándose sin permiso.
Modifica su ecuación así: G - Λ = T. El nuevo término Λ, representado con la letra griega
lambda, le da una chaperona al universo para que éste se quede quietito. Friedmann
muestra que introducir un punto cero en el tiempo y por lo tanto una historia dinámica del
universo a partir de ese instante no contradice la teoría de la gravedad de Einstein; por el
contrario, es consecuencia de la teoría. Al final el mismo Einstein termina aceptando el
trabajo de Friedmann con cierta reluctancia, pero Hoyle, sus colegas y sus estudiantes
continuaron con su posición dura en contra del concepto de un universo dinámico con un
origen en el tiempo. La respuesta de Hoyle a los modelos de Friedmann y Lemaitre fue el
desarrollo de una cosmología alternativa, el modelo de creación continua o “estado
estacionario” en la cual puede ocurrir la expansión pero no es necesario un comienzo en
el tiempo. En un programa de la radio BBC de Londres en 1952, cuando habla sobre el
modelo del universo en expansión a partir de un “átomo primordial”, Hoyle se refiere a
aquella propuesta en tono despectivo como la teoría del “big bang” o gran explosión.
Irónicamente big bang terminó siendo el nombre oficial de la teoría del origen y
evolución del cosmos hoy aceptada por la mayoría de la comunidad científica pero
rechazada hasta el final por Hoyle y su séquito.
La idea original de la alternativa al big bang se le ocurrió al científico austriaco
Thomas Gold5. Gold nació en Viena en 1920 pero su familia huyendo del nazismo se
refugia en Londres. Declarado sospechoso por su origen austriaco, los ingleses le dan el
tratamiento Guantánamo y lo mandan a un campo de detención de enemigos. Lo único
bueno que resultó de esa detención es que conoció al compatriota Herman Bondi, otro
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importante colaborador en sus futuras tareas de cosmólogo. Irónicamente más tarde el
gobierno de Inglaterra lo emplea para trabajar en el desarrollo del radar. En ello trabaja
con Hoyle y Bondi. Hoyle logra despertar en Gold y Bondi un gran interés en astrofísica
durante esos años y los tres regresan a Cambridge después de la guerra a trabajar juntos
en los problemas más salientes de la astrofísica. Uno de los cuales era el problema que
manifestaba el big bang con la edad del universo. De acuerdo con el big bang, los datos
disponibles antes de 1950 predecían que la edad del universo era menor que la edad de la
Tierra, una inconsistencia que automáticamente dejaba el big bang fuera de concurso.
Gold propone el mecanismo de creación continua de materia para poder tener un universo
en expansión y a la vez uniforme, con lo cual se elimina la abominable singularidad y se
resuelve el problema de la edad de la Tierra y del origen del tiempo. Un universo
dinámico y al mismo tiempo estacionario es como un río donde el flujo mantiene a sus
aguas en un movimiento perpetuo pero en cualquier momento el río se ve tranquilo y
estable: el río sigue siendo el mismo río de siempre. Esta idea es desarrollada
vigorosamente por el trío Hoyle, Bondi y Gold, y en 1948 publican los dos artículos6
donde se lanza oficialmente el modelo de “estado estacionario” al escrutinio de la
comunidad científica.
Para entender cómo trabaja el modelo estacionario del universo y cuál es la
diferencia con el big bang, vamos imaginar que el universo es un pan de pasas en el
horno. Las pasas representan las galaxias, la masa de pan es el espacio donde viven las
galaxias. A medida que el pan se hornea, éste crece y las pasitas se van alejando una de la
otra de forma análoga a la expansión del espacio observada por Hubble. Pues bien, aquí
está la diferencia: en el modelo de big bang la masa de pan es constante, el pan crece en
el horno de manera que la densidad disminuye a medida que el pan crece. En el modelo
de estado estacionario tenemos a un panadero neurótico que no le gusta ver que el pan
baje de densidad. Éste se parquea en frente al horno y le va inyectando masa y pasas
continuamente al pan para que éste se mantenga con una densidad constante. Como
vemos, el panadero del big bang puede decir que su pan tiene una historia en el tiempo: al
comienzo era denso y las pasitas estaban muy cerca una de la otra, pero al pasar del
tiempo las pasas se alejan y la densidad disminuye. El panadero del estado estacionario,
por el contrario, dice que no importa a qué hora se mire su pan en el horno, éste tiene la
misma densidad y las pasas en promedio mantienen la misma distancia entre ellas. La
producción espontánea de materia que requiere el modelo estacionario, en boca de Hoyle
es “aproximadamente un átomo por siglo en un volumen equivalente al ocupado por el
edificio del Empire State”. Hoyle y compañía argumentan que avanzar una teoría que
reposa en la suposición de generación espontánea de materia y requiriendo una rapidez de
generación moderadamente baja no es tan absurdo como el big bang con su imposible
exigencia donde toda la masa del universo aparece simultáneamente en un instante en el
tiempo.
Tenemos dos modelos del mundo: el de Gamow dinámico con un comienzo en el
tiempo, el de Hoyle invariante, estacionario, y eterno. Desde el punto de vista científico,
los dos son buenos modelos, por lo menos así lo considera el filósofo austriaco Karl
Popper (1902-1994). Para Popper, profesor en la Escuela de Economía de Londres, una
teoría es científica cuando ésta puede ser falsificada, es decir la teoría hace predicciones
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atrevidas de fenómenos nuevos y si las observaciones no son compatibles con la
predicción la teoría queda descartada. La ciencia, en forma análoga a la evolución
biológica, avanza gracias a un proceso de eliminación de teorías que no sobreviven. La
noción de falsificabilidad fue una contribución de mucha influencia en la filosofía de la
ciencia ya que provee un criterio de demarcación entre lo que es ciencia y seudociencia.
El modelo de Hoyle predice que el universo en el pasado se debe ver igual que en el
presente, la densidad de pasas en el pan es la misma independiente del tiempo cuando se
hace la observación del pan. Esta es una predicción clara que se ajusta a la receta de
Popper según la cual el modelo de Hoyle queda falsificado y por lo tanto rechazado si al
observar las pasas en el pan vemos que la densidad era mayor en el pasado y disminuye
con el tiempo. Ahora bien, si efectivamente se observa que la densidad de pasas en el
pasado es mayor, según lo predice el modelo de Gamow, es de suma importancia aclarar
que esto no implicaría que el modelo de Gamow quede confirmado. La máxima
afirmación que podemos lanzar con respecto al modelo de Gamow es que la observación
de una mayor densidad de pasas en el pasado por el momento no ha falsificado a este
modelo. Queda claro que no podemos decir que el modelo de Gamow queda confirmado
porque más adelante este modelo puede quedar rechazado cuando otra de sus
predicciones a su tiempo no pase el test de falsificabilidad. La discusión sobre
cosmología nos trae obligatoriamente al espinoso terreno de la filosofía de la ciencia no
solamente por el carácter fundamental de las preguntas que pertenecen a la cosmología
sino también por la importancia de considerar las implicaciones y el significado de lo que
es una concepción científica del universo. El criterio de Popper es útil y ha ejercido
mucha influencia entre los científicos pero también tiene sus críticos. Tomado en su
forma más estricta el criterio de Popper ya habría eliminado grandes áreas de la ciencia,
ya que subsisten numerosas teorías científicas que han sido muy exitosas excepto por una
esquina rota donde la teoría falla. De aplicarse el criterio de Popper rigurosamente la
teoría de la gravedad de Newton, por ejemplo, tendría que ser rechazada.
La producción científica de Hoyle se canaliza en tres líneas de trabajo: la
constitución química de las estrellas, la producción de energía en las estrellas y la
cosmología. Hoyle crea el Instituto de Astronomía Teórica en Cambridge, pero no sin
antes provocar una que otra pelea con la universidad y el Concejo Nacional para la
Ciencia del Reino Unido. La biografía de Hoyle es rica en extravagancias, incluyendo un
sinnúmero de insensateces, como la idea de que la evolución no existe y que nosotros
fuimos creados por otros habitantes del universo más inteligentes que los humanos.
También propone que los virus que causan epidemias de gripa vienen del espacio. Estas
excursiones de la razón junto con su impulso por discutir con todo el mundo hicieron que
otros científicos quisieran alejarse de él. Una ironía descomunal, que muestra
dramáticamente cómo la ciencia no progresa linealmente ni sigue un método aséptico, es
que el trabajo más importante de Hoyle es el haber resuelto el problema más grave del
big bang. Hoyle descubre una propiedad importante del elemento carbono que le permite
explicar la producción de los elementos químicos más allá del hidrógeno en reacciones
que ocurren en las estrellas. En su trabajo en física nuclear uno de los retos que Gamow
decide resolver es el de hallar el mecanismo que explique la abundancia relativa de los
elementos químicos en el universo, de hecho es ésta investigación la que lleva a Gamow
a interesarse por la cosmología. El concepto clave de Gamow es que el big bang es como
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un colosal horno donde se forman todos los elementos químicos, el problema es que ésta
idea trabaja bien para producir solo hidrógeno y helio que son los más livianos, pero de
ahí en adelante ningún elemento pesado puede salir directamente del big bang. La razón
de la incapacidad del modelo de big bang para dar cuenta de los elementos pesados es
que el universo se expande muy rápidamente haciendo que el horno cósmico se enfríe.
Este hecho fue anunciado como una falla del modelo, claro ¡hasta que vino Hoyle y lo
salvo! La idea de Hoyle de la producción de elementos pesados en las estrellas fue luego
extendida con sus colegas William Fowler, Margaret Burbidge y Geoffrey Burbidge con
quienes sacó el artículo definitivo sobre el tema en 1957. Por este trabajo le dieron el
premio Nóbel en 1983 a William Fowler, mas no a Hoyle.
Como científico, igual que Gamow, Hoyle tenía una imaginación desbordante pero
a diferencia de aquél Hoyle exhibía un fuerte apegamiento a sus teorías lo cual representó
un lastre para el avance de su carrera. El colega de Gamow en Washington, Edward
Teller, cuenta en su autobiografía7 cómo la rutina de un día de trabajo comenzaba a las
nueve de la mañana con una llamada telefónica de Gamow exponiendo una teoría nueva
que se le había ocurrido la noche anterior. Su trabajo era tratar de desbaratarla. La
mayoría, quedaban rechazadas ipso facto, otras florecían y se convertían en grandes
avances en los campos de astrofísica, cosmología, física nuclear y genética. Consistencia
lógica es una condición de una buena teoría, pero al final las teorías vienen a ser juzgadas
por la evidencia experimental. En este respecto es interesante contrastar la actitud de
Gamow y Hoyle ante sus propias teorías. Un buen científico debe estar listo a rechazar su
propia teoría cuando la evidencia experimental muestra clara y repetidamente que la
teoría ha sido falsificada (en el sentido popperiano) ya que sus predicciones no son
consistentes con los resultados experimentales. De no ser así, hoy se estaría enseñando en
la universidad la teoría del flogisto, una sustancia encantada y famosa entre los
alquimistas que se inventó para explicar el mecanismo de la combustión. Históricamente
se ha registrado en múltiples ocasiones que los experimentadores, en el afán de ser los
primeros, lanzan evidencia experimental incipiente a favor o en contra de un modelo y se
ven más tarde obligados a retirar la supuesta “evidencia” cuando descubren un defecto
con los datos originales. Por ejemplo el big bang no hubiera salido de la cuna si se
hubiera rechazado con los primeros datos de la expansión que implicaban una edad del
universo menor que la edad de la Tierra. En realidad, antes de descartar su teoría, el
teórico busca la manera de ajustarla para ver si se puede acomodar a los nuevos datos del
laboratorio. Sin embargo al final son los datos los que mandan. Gamow descartaba sus
teorías con facilidad, lo cual le sirvió para avanzar su trabajo como científico. Por el
contrario, Hoyle en su tesonera lucha por defender sus teorías, incluso ante la evidencia
experimental en su contra, se convirtió en un luchador generando controversia en todo
tema que tocaba, a veces pasando por pesado y detestado por un sector de la comunidad
científica. Con Martin Ryle, un radio astrónomo inglés que reportó observaciones que
contradecían su teoría del universo, se fraguó una batalla de más de 20 años que causó
mucho desprestigio en el campo de la cosmología no sólo entre los físicos sino también
en el público en general ya que la pelea despertó el interés de los medios de
comunicación. Las observaciones de Ryle consistían en mirar al universo en el pasado a
ver si las pasas en el pan, es decir las galaxias, se distribuían con la densidad esperada del
modelo de Hoyle. Los primeros datos de Ryle indicaban que la distribución de pasas en el
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pan contradecía las predicciones del modelo de Hoyle, lo cual fue suficiente para que
muchos le dieran el requiestcant in pace a dicho modelo. Resultó que esas primeras
observaciones de Ryle estaban plagadas de problemas y la conclusión por lo tanto no se
podía mantener. Luego vino otro intento, también con problemas, y luego otro. Por fin al
cuarto intento, los conteos de galaxias de Ryle en combinación con observaciones
independientes por John Bolton en California dieron resultados conclusivos en contra de
la teoría de Hoyle. Pero él nunca los aceptó y veía en Ryle la encarnación de un complot
diseñado para aniquilar su teoría. En cosmología Hoyle se aferró a una posición
ideológica que más se caracterizó por destruir el big bang que por avanzar su propia
teoría. Sobre el big bang decía Hoyle que éste es un proceso irracional que no puede ser
descrito en términos científicos ni retado acudiendo a observaciones. La posición
ideológica fuerte en contra del big bang, sumada a su personalidad dominante, hizo que
el debate cosmológico entre los años 1930 - 1960 se polarizara intensamente entre los
seguidores de los dos modelos cosmológicos. Gamow por el contrario era muy
pragmático y no se le pegó a ninguna ideología ni dejaba que alguna ideología
influenciara sus teorías. Tampoco se casaba con los temas o inclusive las áreas de
investigación. Con facilidad pasaba de la cosmología a la genética. Sabemos que desde el
punto de vista ideológico, Gamow rechazaba el dogmatismo del materialismo dialéctico
del sistema soviético, pero él no convirtió ese rechazo en un principio guía para
desarrollar sus teorías. El problema con Gamow es que era un tomador de pelo
desenfrenado y en medio de este debate entre el big bang y el estado estacionario salía
con unas bromas que para nada le ayudaban a ganarle respeto al big bang. Para burlarse
de Hoyle y de su teoría de estado estacionario, Gamow escribió una nota ridícula titulada
“el nuevo Génesis” donde expone el big bang al estilo Génesis8. “… Al comienzo Dios
creó la radiación y el golem. Y el golem no tenía forma ni número, y los núcleos
atómicos deambulaban aleatoriamente ante la profundidad del vacío. Y Dios dijo:
hagamos el elemento número dos. Y se hizo el elemento número dos. Y Dios vio el
deuterio, y le pareció bueno.…”. Y así, la nota continúa, Dios sigue creando los
elementos químicos hasta que llega al elemento número 5. Gamow escribe “y Dios dijo:
hagamos a Hoyle. Y Hoyle se hizo. Y Dios miró a Hoyle… y le pidió que hiciera
elementos más pesados de cualquier manera que se le ocurriera…”. Dada la polarización
ideológica en torno a la cosmología por esos años, este tipo de burla le caía a los ingleses
como un golpe bajo. El congreso de Solvay de 1958 dedicado al tema de la estructura y
evolución del universo fue organizado por los ingleses, pero Gamow, una de las figuras
más importantes en el tema del congreso, no fue invitado.
Hemos visto, como sucede a menudo con la actividad científica, que el desarrollo
de una teoría no es algo que sucede de una manera higiénica y lineal siguiendo los pasos
del proverbial “método científico” y terminando como cuento pueril en el triunfo por la
búsqueda de la verdad. La cosmología nos ofrece un ejemplo vivo de las complicaciones
y la confluencia de factores sociales que terminan dando forma a una teoría científica.
Personalidades fuertes, inclinaciones ideológicas, egos inflados, rivalidades, atracción a
la fama, intolerancia y manejo de los medios de comunicación son ejemplos del entorno
social que acompaña la actividad científica. La lección es que la ciencia es simplemente
otra actividad humana y por lo tanto no es inmune al empantanamiento característico de
las empresas humanas. A través de la cosmología exploraremos la importante pregunta
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sobre si la ciencia goza de ventajas epistémicas en comparación con otras aproximaciones
al universo.
(Este capítulo continúa con el desenlace de la historia de Gamow y con un resumen y
explicación de los resultados más recientes incluyendo los hallazgos del explorador
COBE de la NASA y de la sonda WMAP también de la NASA. Con esta introducción se
ofrecen el contexto y los conceptos fundamentales de la cosmología para hacer más
valioso y significativo el diálogo entre el panadero, el sociólogo y el astrofísico)
1
George Gamow, “My World Line” (Viking Press, N.Y. 1961);
James D. Watson, “Genes, Girls, Gamow: After the Double Helix” (A. Knopf, 2001);
Edward Teller, Judith Schoolery, “Memoirs: A Twentieth-Century Journey in Science and Politics”
(Perseus Books, 2002).
2
John Farrell , “The Day Without Yesterday” (Avalon:,NY, 2005).
3
Fred Hoyle, “Home is where the wind blows” (University Science Books: Mill Valley, 1994)
Helge Kragh, “Cosmology and Controversy” (Princeton University Press: Princeton, 1996)
F. Hoyle, G. Burbidge, J.V. Narlikar, “A different approach to cosmology” (Cambridge University Press:
Cambridge, 2001)
4
John Maddox, Nature, V413, p279, 2001
5
H. Bondi, T. Gold, F. Hoyle, “Origins of steady state theory”, Nature, V373, p.10, 1995
6
F. Hoyle, Mon. Not. R. astr. Soc. 108, 361 (1948); H. Bondi, T. Gold, Mon. Not. R. astr. Soc., 108, 252
(1948)
7
Edward Teller, Judith Schoolery, “Memoirs: A Twentieth-Century Journey in Science and Politics”
(Perseus Books, 2002).
8
George Gamow, “My World Line”, p. 127
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