El Big Bang: ¿Origen del Universo?

Para entender la imagen anterior debes haber visto Poltergeist, un film clásico de 1982 en el que una niña llamada Carol entra en contacto con espíritus siendo su primer encuentro con ellos a través de un televisor desintonizado. Si aún así no la entiendes no te preocupes, a lo largo de esta entrada le encontrarás la gracia, dentro de la gracia que tienen mis chistes gráficos...

Estás leyendo esto gracias a una inmensurable cantidad de coincidencias. Tu árbol genealógico, la evolución de nuestra especie, el origen de la vida, la formación de la Tierra, del Sistema Solar, etc. Pero remontémonos atrás, mucho más atrás, hasta unos 13.700 millones de años aproximadamente. En esta entrada intentaremos explicar el origen de todo lo nos rodea a través de la teoría actualmente más aceptada para explicar la evolución del Universo: el Big Bang. Una tarea un poco compleja, pero que intentaremos explicar como siempre de una manera genérica y lo más comprensible que pueda. Te animo a que continúes leyendo, te aseguró que la historia que voy a relatar merece la pena. Vamos allá!

Como tantos otros grandes descubrimientos, todo comenzó con una observación.

En 1929, Edwin Hubble, estudiando las características de multitud de galaxias se percató de un hecho: todas las galaxias se alejan entre sí, tanto más rápido cuanto más alejadas se encuentran unas de otras. El siguiente paso era obvio: si todo se aleja de todo, al ir hacia atrás en la película del tiempo, todo estaría más cerca, llegando a un instante en el que todo estaría concentrado en un "punto". Por supuesto no todas las cosas tal como las conocemos ahora, sino un "punto" con una temperatura, densidad, presión y energía inimaginable. La idea, como digo, puede parecer simple, pero la cosa se complica cuanto más pensamos en ello. Veréis, hablamos de un punto porque no nos queda otro remedio que asimilarlo a algo que podamos definir... ¿Pero qué sentido tiene esto? Para empezar, un punto tiene sentido por una posición definida en el espacio y en un tiempo determinado, pero en el comienzo de todo es absurdo hablar de una posición en el espacio: ni el tiempo ni el espacio existían, todo el espacio y tiempo era ese "punto". Una cosa verdaderamente difícil de imaginar. 

A vueltas con el dichoso "punto" y la "gran explosión"

Todos tenemos en la mente al Big Bang como una descomunal explosión origen del Universo. Lo más probable es que esto sea lo primero que se te venga a la cabeza cuando piensas en ello. Y no es para menos, los documentales, las representaciones del acontecimiento, su explicación en los libros de secundaria, y por supuesto su propio nombre (gran explosión), te incitan a ello. Pues bien, esta idea del Big Bang es totalmente falsa. La cuestión es que una explosión necesita de un medio en el que propagarse, pero recuerda: ni el tiempo ni el espacio existían fuera de los límites de esa hipotética explosión, siendo el propio espacio-tiempo el que se extiende, por tanto no tiene sentido alguno hablar de una explosión.

Volvamos a la idea de que todo estaba contenido en ese "punto". Un punto a partir del cual todo evolucionó hasta llegar al estado en el que actualmente se encuentra el Universo. Si aplicamos las ecuaciones usadas en el campo de la Cosmología, las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein, podemos explicar la evolución del Universo a partir de ese "punto". O casi, pues hay un gran obstáculo que aún no se ha podido resolver. Como digo, la evolución del Universo se puede explicar con la teoría de la Relatividad General, pero al retroceder en el tiempo, al llegar a ese "punto" minúsculo, las ecuaciones dan un resultado que no les hace ni pizca de gracia a los físicos: se obtienen valores infinitos en las ecuaciones. Esto quiere decir que las ecuaciones no pueden aplicarse en ese punto, llegamos a un punto que los físicos denominan "singularidad". ¿Quiere decir esto que la teoría de la Relatividad General está equivocada? En absoluto, únicamente quiere decir que no es aplicable en esas condiciones concretas. La ciencia es así. Para poder entender ese instante necesitaríamos una teoría que combinase la Relatividad General con la física que nos habla de las cosas más pequeñas, la física cuántica, obteniendo con esta combinación una teoría cuántica de la gravedad, teoría que todavía no ha podido ser desarrollada: la "teoría del todo", aunque eso es otra historia...

Bien, el caso es que aplicando la Teoría de la Relatividad General podemos explicar la evolución del Universo una vez pasado ese instante, tras admitir que TODO estaba concentrado en ese infinitesimal "punto" hace aproximadamente 13.700 millones de años. Y la teoría del Big Bang consiste realmente en ésto: una teoría que explica la evolución del Universo tras su origen, pero no explica su origen en sí mismo. Para entender el verdadero origen del Universo tendremos que esperar algún tiempo más, si es que alguna vez logramos entenderlo. 

La expansión.

Una vez originado el Universo comenzó a expandirse, hasta nuestros días, que continúa en expansión. Podríamos representar la expansión del Universo como lo que ocurre al inflar un globo. Lo que se va expandiendo, es precisamente el espacio-tiempo en sí, representado como la goma elástica del globo. Así conforme se va inflando el globo, cualquier pareja de puntos verá incrementada la distancia entre ellos conforme va transcurriendo la expansión. ¿Y qué hay fuera de la región que ocupa el globo? La cuestión es que no lo sabemos, no podemos hablar de una región diferente a la ocupada por el globo, ya que no hay espacio-tiempo fuera del globo: no existe otra cosa que no sea el globo. Algo para nosotros totalmente inimaginable.  

Con la expansión del Universo (globo) la distancia entre cualquier pareja de puntos se ve incrementada con el paso del tiempo.

En resumen, la teoría del Big Bang no quiere decir que todo comenzó en un punto ni fue una gran explosión, de hecho, el término Big Bang lo introdujo en una conferencia el astrofísico Fred Hoyle, quién utilizó esta expresión para ridiculizar la teoría, pues era un fuerte detractor de la misma. 

¿Entonces qué demonios dice la teoría del Big Bang?

La teoría del Big Bang explica la evolución del Universo instantes después de su origen, hace aproximadamente 13.700 millones de años. De manera extremadamente resumida, la teoría del Big Bang nos dice que en los primeros instantes de existencia de nuestro Universo éste era de un tamaño muy, muy pequeño y se encontraba en un estado muy elevado de densidad, temperatura y energía; y que a partir de ese momento se expandió. 

De este estado inicial surgieron las primeras partículas, mediante la transformación de la energía en materia, formando una densa "sopa de radiación y partículas elementales". Con la expansión del Universo la temperatura y la densidad fue disminuyendo lo suficiente hasta llegar a un punto en el que las condiciones fueron tales (alrededor de unos 3000 ºC) que la formación de los primeros átomos se vio favorecida. Más tarde, regiones algo más ricas en materia fueron agrupándose y haciéndose cada vez más grandes debido a la acción gravitatoria, formando nubes de gas, estrellas y finalmente galaxias. Puedes leer más sobre la evolución del Universo en una entrada anterior, en la que se incluye un "calendario cósmico": "Cuestión de escalas: nuestro lugar en el espacio y el tiempo".

¿Y cómo tener la certeza de que la teoría del Big Bang es correcta? 

La teoría del Big Bang, como toda buena teoría, debe permitir hacer predicciones, predicciones que podamos comprobar experimentalmente. Pues resulta que la teoría del Big Bang tiene algunas predicciones que hemos podido observar experimentalmente. Además de la expansión, cosa ésta comprobada, con la teoría del Big Bang se puede predecir el porcentaje de abundancia en el Universo de los elementos ligeros, hecho que coincide con los datos experimentales. Además de ésta, hay otra predicción del Big Bang sobre la que tenemos evidencias contrastadas: el fondo cósmico de microondas.

Fondo cósmico  de microondas y chinos jugando al ping-pong

Para poder entender mejor este hecho asimilaremos el fenómeno como si una partida de ping-pong con chinos se tratase. 

Todos sabemos que los chinos son realmente buenos jugando al ping-pong. Algunas de sus partidas son verdaderamente antológicas. Pues bien, para nuestro ejemplo, imaginaremos una sala con dos jugadores chinos de ping-pong. Por otro lado, como no puede ser otra manera, tenemos las pelotas de ping pong; y además, aunque de momento no le encuentres mucho sentido, tenemos también por la sala un par de cámaras fotográficas.

Comienza la partida y los jugadores están tan concentrados en el juego que no fallan ni un golpe. La pelota de ping pong va de un contrincante a otro una y otra vez, una y otra vez… Pero claro, el estado de concentración de los chinos, como todo en la vida, tiene un límite y el caso es que éste va disminuyendo poco a poco desde el principio de la partida. Por otro lado, todos sabemos también la fascinación que despierta en los chinos el hecho de tomar fotos a la más mínima oportunidad y ,casualmente, hay por la sala un par de cámaras fotográficas de gran calidad. Al principio no le hacen mucho caso, están totalmente concentrados en la partida y no fallan ni un golpe. Pero conforme va pasando el tiempo el interés de los chinos por las cámaras va en aumento y la concentración en la partida va disminuyendo hasta que llega un punto en el que uno de ellos se lanza a por una de las cámaras y la atrapa. Su contrincante golpea la pelota de ping pong sin que esta vez pueda ser devuelta… La pelota de ping pong sigue su trayectoria ahora libre por la sala sin encontrar obstáculo alguno!!!! 

¿Pero qué tiene que ver esto con el fondo cósmico de microondas?

Hemos comentado anteriormente que instantes después del origen del Universo éste se encontraba en un estado extremadamente denso de partículas y radiación (luz). Una "sopa de partículas y radiación" tan densa que la propia luz no podía escapar de ella. Pasados unos 300.000 años desde el origen del Universo, la radiación fue perdiendo energía y el universo se enfrió lo suficiente para favorecer la formación de los primeros átomos con la unión de electrones y protones, momento a partir del cual la luz pudo viajar libremente. La luz compuesta por esos primeros fotones que viajaron libres por el Universo puede ser observada en nuestros días: es la radiación cósmica de microondas. Seguramente lo habrás deducido: en nuestro ejemplo los jugadores de ping-pong representan a los protones, la pelota de ping pong a los fotones, la concentración de los chinos en la partida a la temperatura y las cámaras fotográficas a los electrones. Tras el comienzo del Universo, las partículas y la radiación se encontraban en un estado asimilable a una “sopa densa”, un estado de altísima densidad (cuatro mil millones de veces mayor que la del agua) y temperatura (cien mil millones de grados). En estas condiciones, todavía no podían formarse los átomos y los protones y electrones estaban, digamos, cada uno por su lado. En esta situación, los fotones no viajaban libremente ya que continuamente estaban “chocando” con todas las partículas. Esta situación sería la asimilable en nuestro ejemplo a cuando comienza la partida y los jugadores (los protones) no fallan ni un golpe. Llegado un punto, alrededor de 300.000 años tras el origen del Universo, las condiciones de densidad y temperatura fueron tales que ya se pudieron formar los primeros átomos de hidrógeno, con el acoplamiento de los protones y electrones. A partir de este momento los fotones ya no encontraron tantos obstáculos y pudieron viajar libres por el espacio. En nuestro ejemplo, la situación corresponde cuando los jugadores cogen las cámaras fotográficas, dejando a la pelota de ping pong que pueda realizar su viaje libre.

De esta manera, a los 300.000 años de edad, nuestro Universo se hizo transparente, pudiendo la luz viajar libremente por el mismo. Esta radiación impregna todo el Universo y nos llega a la Tierra en nuestros días en forma de microondas, un tipo de radiación mucho menos energética de como era al principio. 

La primera evidencia de la existencia del fondo de microondas se produjo a mediados del siglo XX, por Penzias y Wilson, de una manera accidental. Además, lo más probable es que la hayas visto con tus propios ojos en más de una ocasión, y es que aproximadamente un 1% de la multitud de puntos que aparecen en la pantalla de un televisor sin sintonizar, corresponde con la radiación cósmica de microondas: los vestigios del Big Bang. ¿Entiendes ahora el "gran" chiste con el que abría la entrada?

       

Claro que podemos obtener una mejor imagen del Fondo Cósmico de Microondas que la que aparece en un televisor sin sintonizar, y es que gracias a los satélites COBE, WMAP y más reciente al Planck, se ha podido obtener la imagen más detallada hasta la fecha del Universo más primitivo que podemos observar. Presta atención porque en esta imagen estás viendo como era el Universo tras 300.000 años de su origen. Una foto de familia con una antigüedad de alrededor de 13.700 millones de años ¡Casi nada!

Vale, quizás no encuentres una gran diferencia con la imagen del televisor sin sintonizar, pero te aseguro que la imagen anterior es una herramienta muy valiosa para los físicos que nos permite estudiar los secretos del Universo primitivo. La radiación que nos llega actualmente ha ido perdiendo energía, pasando de una temperatura inicial de alrededor de unos 3000 ºC a los -270,3 ºC que tiene actualmente. Los diferentes colores de la imagen corresponden con pequeñísimas diferencias de temperatura en el fondo cósmico de microondas, del orden de las millonésimas de grados, que corresponden a variaciones de densidad del Universo primitivo. Sin estas variaciones, llamadas anisotropías, no hubiese sido posible la formación de las diferentes estructuras del Universo, por lo que ahora no podrías estar leyendo esto. Sin estas pequeñísimas diferencias de densidad, no hubiese sido posible la formación  de estrellas, galaxías, cúmulos de galaxias, etc. Nuestro Universo sería un lugar totalmente homogéneo ¡Menudo aburrimiento! Además, a través de las anisotropías se pueden deducir muchos de los parámetros cosmológicos y ciertas propiedades del Universo como la densidad de materia que contiene, si continuará su expansión o no, la cantidad de materia oscura, la geometría del Universo, etc.

Problemas de la teoría original: la inflación al rescate!

Sin embargo, la teoría del Big Bang, tal como fue ideada, presenta algunos problemas que expondré de manera muy breve como final.

El problema del horizonte: es un hecho que la temperatura del Universo es la misma sea cual sea la dirección en la que miremos (esto no es exactamente así, pues ya hemos hablado de las anisotropías, pero esta diferencia es muy, muy pequeña). Por otro lado, la información no puede viajar más rápido que la luz, de manera que dos regiones del Universo que se encuentren a una distancia superior a la que la luz podría haber recorrido durante los 13.700 millones de la edad del Universo no pueden estar causalmente conectadas, es decir, no pudieron estar lo suficientemente conectadas como para hacer que alcancen la misma temperatura. Si el Universo se hubiera expandido de la misma manera desde su origen, no podríamos encontrar la misma temperatura en estas regiones.

El problema de la geometría: según los datos obtenidos del fondo cósmico de microondas se deduce que nuestro Universo es prácticamente plano, pero según la teoría del Big Bang, lo más probable es que no fuese así. ¿Como puede ser entonces plano el Universo?

Estos problemas fueron resueltos con la introducción de una nueva teoría que complementa a la del Big Bang: la teoría de la inflación. Esta nueva teoría no invalida a la del Big Bang, sino que como digo, la complementa, siendo la teoría de la evolución del Universo actualmente más aceptada el Big Bang con un periodo inflacionario.

La teoría de la inflación básicamente nos dice que justo tras el origen del Universo hubo un periodo de expansión exponencial, una expansión extremadamente rápida. Esta teoría se encuentra actualmente en fase de comprobación, sobre todo con a través del estudio del Fondo Cósmico de Microondas. Puede que dentro de poco pueda ser verificada, numeroso grupos de investigación trabajan en ello, lo que supondría toda una revolución en nuestra concepción del Universo. Una teoría verdaderamente fascinante que puede llegar incluso a que aceptemos la idea de un posible multiverso y que el universo se originó a partir de una fluctuación cuántica, pero eso será motivo de otra entrada...

Con esta entrada he pretendido explicar de una manera general y resumidamente qué es la teoría del Big Bang. Además he comentado sus evidencias y los problemas de la teoría original, que pueden ser corregidos si finalmente se verifica la teoría de la inflación. Como siempre, se ha puesto de manifiesto que el Universo es mucho más extraño y fascinante de lo que en un principio podemos imaginar, y que gracias a la ciencia, podemos entender mejor eso que llamamos "realidad". Merece la pena pararse de vez en cuando a pensar por un momento sobre lo que hay más allá de nuestro día a día, de nuestra vida cotidiana y de nuestro mundo, pues ahí fuera hay todo un Universo esperando a ser descubierto por una imperceptible parte del mismo: cada uno de nosotros.

Esta entrada participa en la edición LXVIII del Carnaval de Física, cuyo anfitrión es el blog El mundo de las ideas.  http://icaraideas.blogspot.com.es/2016/12/edicion-lxviii.html