Modelos del Universo - IES Al

Modelos del Universo
El espacio se prolonga indefinidamente. Este hecho ha sido confirmado mediante
modernos instrumentos como el telescopio Hubble.
Hay miles de millones de galaxias y en cada una de ellas incontables estrellas,
muchas de las cuales están rodeadas de planetas. Las galaxias están distribuidas en el
espacio de manera aproximadamente uniforme con algunas concentraciones y vacíos
locales. La densidad de las galaxias parece decrecer a distancias muy grandes, pero
puede ser que al estar tan lejanas no estén siendo bien observadas.
Hoy el Universo parece tener el mismo aspecto casi por todas partes, pero cambia
con el tiempo. El hecho de que el cielo nocturno sea oscuro es signo de que el Universo
no ha existido siempre en el estado que lo vemos. Si hubiera sido así, las estrellas
habrían estado radiando durante un tiempo infinito y habrían calentado todo el Universo
hasta su propia temperatura. Incluso de noche, el Universo sería tan brillante como el
Sol. Algo debió ocurrir en un tiempo finito que encendiera las estrellas. El comienzo del
Universo no se produjo hace unos pocos miles de años porque nos está llegando ahora
la luz de las estrellas que ha necesitado miles de millones de años para alcanzarnos.
Analizando la luz de otras galaxias diferentes a la nuestra se ha podido constatar
que prácticamente todas las galaxias se están alejando y que cuanto más lejos están con
mayor velocidad parece que se alejan. El Universo se está expandiendo. La velocidad, V,
con la que se alejan de nosotros es proporcional a su distancia R a la Tierra, de manera
que V=HxR (ley de Hubble)
Si las galaxias se están separando, debieron estar muy juntas en el pasado. Si la
teoría general de la relatividad fuera correcta, el Universo empezaría con una
temperatura y densidad infinitas en la singularidad de la gran explosión inicial (big
bang). A medida que el Universo se expandía, la temperatura de radiación disminuía. En
el inicio del Universo había sobretodo fotones, electrones y neutrinos (partículas muy
muy ligeras) y sus antipartículas junto con algunos protones y neutrones. Según se
enfriaba el Universo, los protones y neutrones se empezaron a combinar formando
núcleos de helio, hidrógeno y otros elementos ligeros. A continuación, al bajar la
temperatura aún más, los electrones se frenaron lo suficiente como para poder ser
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atrapados por núcleos ligeros y formar átomos. Los elementos pesados por los que
estamos formados, como carbono y oxígeno, no se formaron hasta mil millones de años
más tarde, en la combustión nuclear del helio en el centro de las estrellas.
Es un hecho científico aceptado que el Universo tiene múltiples historias. Esta
idea se debe al físico Richard Feynman. Se trabaja en la actualidad intentando combinar
la teoría de la relatividad de Einstein y la de las múltiples historias de Feynman en una
teoría unificada que describa todo lo que ocurre en el universo. Tal teoría permitiría
calcular cómo se desarrollará el Universo si conocemos cómo empezaron las historias.
Pero, ¿cómo empezó el Universo? ¿Cuál fue su estado inicial? Para ello se necesitan las
llamadas condiciones de contorno, que son reglas que dicen qué ocurre en las fronteras
del Universo, en los bordes del espacio y el tiempo.
Hay un tiempo llamado imaginario que es perpendicular al tiempo real, que es el
que sentimos pasar. La historia del Universo en el tiempo real determina su historia en
el tiempo imaginario y al revés, pero los dos tipos de historias pueden ser muy
diferentes. En el tiempo imaginario no es necesario que el universo haya tenido un
comienzo. El tiempo imaginario se comporta como una dirección espacial más. Las
historias del universo en el tiempo imaginario pueden representarse como superficies
curvadas, como una pelota, un plano o una silla de montar.
Si las historias del universo se prolongaran hasta el infinito, como una silla de
montar o un plano, habría que especificar las condiciones de contorno en el infinito, sin
embargo, si las historias del universo en tiempo imaginario son superficies cerradas,
como la superficie de la Tierra (sin bordes ni fronteras), ello no es necesario. Si las
historias del universo en tiempo imaginario fueran superficies cerradas, el universo
estaría completamente autocontenido y todo estaría determinado por las leyes de la
ciencia. En tiempo imaginario, a cada posible superficie cerrada le correspondería una
historia y cada historia en tiempo imaginario determinaría una historia en tiempo real.
¿Qué selecciona de entre todos los universos posibles, el universo particular en que
vivimos? Nuestro universo pertenece a la minoría de historias que contienen galaxias y
estrellas, lo que es un ejemplo de lo que se denomina principio antrópico. Este principio
afirma que el universo debe ser como es, porque si fuera distinto no existiría nadie para
observarlo. Por ejemplo, consideremos el tema de las dimensiones ¿por qué existen tres
dimensiones, y no cualquier otro número? ¿Qué ocurriría si hubiera dos dimensiones?
Para empezar, no podríamos hacer la digestión ¿y si hubiera cuatro o más dimensiones?
La fuerza gravitatoria entre dos cuerpos crecería más rápidamente cuando se
aproximaran entre sí, ello supondría que los planetas no describirían órbitas estables
alrededor de sus soles y, o bien caerían hacia ellos o bien escaparían al exterior.
Tampoco serían estables las órbitas de los electrones en los átomos y no existiría la
materia tal y como la conocemos. Ello nos lleva a que sólo las historias con tres
dimensiones son compatibles con la existencia de seres inteligentes.
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La historia más sencilla del universo en tiempo imaginario es una esfera lisa como
la superficie de la Tierra. Ésta determina en tiempo real una historia del universo en la
que éste es homogéneo y se expande con el tiempo de manera muy rápida acelerándose
cada vez más. A esta expansión acelerada se le denomina inflación. A medida que el
universo se expande toma energía del campo gravitatorio y crea más materia. La energía
positiva de la materia es cancelada por la energía negativa de la gravitación, de manera
que la energía total es nula.
Si la historia del universo en tiempo imaginario fuera una esfera perfectamente
redonda, la historia correspondiente en tiempo real sería un universo que se seguiría
expandiendo indefinidamente de manera inflacionaria, de manera que la materia no
podría aglomerarse para formar galaxias y estrellas y no se podría desarrollar ningún
tipo de vida.
Si la historia del universo en tiempo imaginario fuera una esfera ligeramente
aplanada en el polo sur, la historia correspondiente en tiempo real se expandiría al
principio de manera acelerada, pero después comenzaría a frenarse y se podrían formar
galaxias. Debido al principio de incertidumbre, no habría sólo una historia del universo
que contuviera vida inteligente, sino que tales historias constituirían una familia
completa de historias ligeramente deformadas, cada una de las cuales correspondería en
tiempo real a una historia en la que el universo se expande de manera inflacionaria
durante un muy largo tiempo, pero no indefinidamente. ¿Cuáles de estas historias son
las más probables? Son las que tienen ligeras protuberancias y depresiones.
¿Cuál será el comportamiento futuro de las historias más probables del universo
compatibles con la aparición de seres inteligentes? Hay varias posibilidades según la
cantidad de materia en el universo. Si ésta supera un valor crítico, la atracción
gravitatoria entre las galaxias las irá frenando hasta detenerlas. Entonces empezarán a
caer de nuevo las unas hacia las otras y chocarán con un gran crujido (big crunch) que
será el fin de la historia del universo en tiempo real.
Si la densidad el universo es inferior al valor crítico, la gravedad es demasiado
débil como para detener la separación de las galaxias. Todas las estrellas se consumirán
y el universo será cada vez más frío y vacío. De manera diferente, pero también se
llegará a un final.
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