Resumen
La universalidad de las leyes de la naturaleza es la base de la filosofía natural materialista desde los tiempos de Epicuro y Lucrecio. Las observaciones astrofísicas confirman esta creencia que, de hecho, es el fundamento de cualquier intento por comprender el mundo que nos rodea —hasta el horizonte cosmológico. Como consecuencia de las propiedades del universo en expansión surge el problema de la relación causal entre porciones de universo que no estuvieron conectadas y que, a pesar de todo, muestran el efecto de condiciones físicas uniformes. Una cuestión más sutil concierne la desviación con respecto a un universo plano (condición que llamaremos de planitud), que fue increíblemente pequeña en el universo primitivo. ¿Debemos intentar explicar esta desviación con respecto a la planitud? ¿Debemos asumir que el universo es plano? Una reciente discusión en torno a la distribución espacial de ciertos objetos remotos (los cuásares) ha levantado nuevos problemas y la sugerencia de que el universo es esféricamente cerrado.
Estamos en un universo completamente determinista y ello es cierto incluso para el universo primitivo, por lo menos hasta donde se aplican las leyes físicas que conocemos.
Universalidad
El lobo come el cordero y con el cordero forma lobo, el cordero come hierba y con la hierba forma cordero.
Esto fue advertido hace ya mucho tiempo: desde Demócrito y Epicuro. Lucrecio lo dice de la manera siguiente: «… y ello de tal modo que la naturaleza muta en cuerpos vivos todas las formas posibles de comida».
El cambio continuo de los seres vivos en otros seres vivos, independientemente de formas y propiedades, permitió a los atomistas griegos imaginar un principio común, un constituyente invisible que podría dar lugar, con distinto ordenamiento, a las distintas criaturas vivientes. La teoría atomista no tiene otro fundamento. Esta idea de que el cambio de un ser vivo en otro sólo es posible debido a estar hecho de las mismas partes, pero ordenadas de otro modo, ha permanecido a lo largo de los siglos y está en la base de las grandes teorías físicas recientes. Al notar, como sucede día a día a partir de los datos proporcionados por los grandes aceleradores, que cada partícula libre en una interacción propia genera otras partículas, se llegó a la idea de que «un principio común, un constituyente invisible, pero con distinto ordenamiento, da lugar a las distintas partículas libres».
Esta afirmación sólo ha requerido sustituir «seres vivos» por «partículas libres». Es más, para extender la analogía, basta con sustituir teoría atomista por gran unificación.
Incluso si la comparación no es del todo válida, la parábola del lobo, el cordero y la hierba habla en favor del maravilloso poder de razonamiento de los atomistas griegos.
La habilidad de la naturaleza en generar especies y, por lo tanto, en producir cantidades de los mismos seres es inmediatamente generalizada por Lucrecio: «El mismo principio nos convence de que el cielo, la tierra, el sol, la luna y cualquier cosa viva no son únicos, sino que, por el contrario, existen en número infinito…».
Esta generalización ha llegado hasta nosotros. La versión moderna hablaría de un principio de universalidad de las leyes de la naturaleza, con la diferencia de que, en lugar de tratarse de una especulación, descansa sobre gran cantidad de datos observables.
El sistema de los atomistas griegos, con su pluralidad de mundos, fue eclipsado durante largo tiempo por el sistema aristotélico, más completo y consistente. La teoría del movimiento de Aristóteles, su discernimiento entre el movimiento circular perfecto y la caída imperfecta de los cuerpos pesados, condujo al rechazo de la existencia de otros mundos. Pero otro razonamiento, de naturaleza no-racional, hizo volver a la concepción de la pluralidad de mundos.
La creencia en Dios Todopoderoso llevó a imaginar la creación de otros mundos. En 1277, Etienne Temper, obispo de París, condenó 219 ideas comúnmente extendidas en las universidades, por considerarlas heréticas en tanto que limitaban el poder de Dios. Entre ellas había una según la cual «la causa primera no pudo hacer varios mundos». Tras esta condena arreciaron las críticas contra Aristóteles. Occam (1280-1347) decía: «Afirmo que Dios pudo crear otro mundo, mejor que el nuestro y distinto en naturaleza»; Oresmes (1325-1382) afirmaba la existencia de materia extraterrestre, abriendo así el camino hacia una nueva visión del universo. Giordano Bruno, en La Cena de la Ceneri (1584) declara que el mundo es infinito y, en el diálogo italiano De l’infinito universo mondi, defiende la nueva llamada de Dios hacia la unidad y la infinitud del universo: «… si en nuestro dominio del espacio infinito hay un mundo, una estrella-sol con planetas, lo mismo existe en cualquier otro lugar del universo».
Con el descubrimiento, mediante su refractor, de que la Vía Láctea estaba constituida de estrellas, Galileo rechazó la idea de un centro del universo y declaró que las estrellas son otros soles tan alejados que sólo podemos percibirlos como puntos brillantes.
El lugar del sol en la Galaxia y la naturaleza del sol entre otras estrellas no llegaron a conocerse hasta principios de siglo. Shapley (1921) pudo mostrar, a través del estudio de la distribución espacial de los cúmulos globulares, que el sol está muy alejado del centro de la Vía Láctea. El descubrimiento por Herzsprung y Russel (1905-1915) de las propiedades principales de las estrellas mostró inmediatamente que el sol es una estrella débil entre otras muchas estrellas débiles. Lambert, en el siglo XVIII, y Charlier en el siglo XX, imaginaron una jerarquía de sistemas que conducía a la desaparición completa de cualquier centro privilegiado.
La desaparición de un centro privilegiado culmina con la teoría de la gravitación de Einstein (1915), quien establece, de una forma nueva, la cuestión de un sistema de referencia absoluto.
Es el universo entero el que fija el sistema de referencia absoluto, cuya forma más obvia la constituye la radiación de fondo de cuerpo negro descubierta por Penzias y Wilson en 1965. En este sistema absoluto de referencia, nuestra galaxia es una galaxia entre miles de millones, sin situación ni propiedad especiales.
Pasemos a ver ahora, con más detalle, la idea de la universalidad de las leyes naturales. Esta palabra (logos) ya fue empleada por Lucrecio inspirándose en el movimiento ordenado de los cuerpos celestes. No obstante, su significado actual no es exactamente el mismo que el de hace veinte siglos.
Tan pronto como una teoría explica un hecho de manera racional, parece natural, siempre que ello no afecte ninguna otra cosa, considerarla como universalmente válida. Para Lucrecio, de igual manera que las letras del alfabeto pueden ser combinadas para dar un número infinito de palabras, los átomos pueden unirse entre ellos en una infinidad de maneras para generar los objetos y las criaturas que nos rodean. Esta afirmación no parece encontrar contradicción alguna y, por lo tanto, su validez universal parece quedar establecida. Actualmente, para formular esta afirmación, no podemos contentarnos con razonamientos puramente lógicos, sin embargo, nuestra manera de proceder en este sentido no es finalmente tan distinta.
El descubrimiento de una ley universal es inicialmente la consecuencia de un hecho experimental.
El hallazgo de los satélites de Júpiter por Galileo tuvo un gran impacto. Mostró que los planetas pueden girar alrededor del sol exactamente igual que Io, Europa, Ganímedes y Calisto lo hacen alrededor de Júpiter. El descubrimiento, por Kepler, de que los planetas se mueven alrededor del sol según elipses que tienen su foco en él, llevó a la siguiente conclusión: si el mismo efecto se debe a las mismas causas, existe una causa primera que explica el movimiento de los planetas. Esta causa primera fue establecida por Newton: es la ley universal de la gravitación. Esta primera ley implica ya una validez que va más allá de la experiencia humana sobre la tierra. Gobierna tanto el movimiento de la luna alrededor de la tierra como el de los planetas alrededor del sol. La observación revela que en el cielo hay miles y millones de sistemas binarios en los que cada una de las estrellas, siguiendo la ley del movimiento de Kepler, se mueve alrededor de una elipse con foco en el centro de gravedad.
El movimiento de Urano mostraba un comportamiento extraño que no podía explicarse a través de la atracción de los planetas conocidos a principios del siglo XIX. Cuando Urano estuviera supuestamente en conjunción con un cuerpo desconocido del sistema solar, la perturbación debería ser máxima. Independientemente, Adams y Leverrier trataron de determinar la masa y la órbita de ese cuerpo.
A partir de unos pocos supuestos acerca de la órbita del cuerpo desconocido en particular, admitiendo que la dimensión de la órbita viniese dada por la llamada ley de Bode-Titius, Le Verrier calculó una muy buena trayectoria aparente de Neptuno en la bóveda celeste que condujo a su observación inmediata por Galle.
El descubrimiento de Neptuno levantó una ola de entusiasmo. La ley universal de la gravitación tomaba repentinamente un nuevo status. No sólo daba cuenta del movimiento de los planetas conocidos, sino que la predicción y subsiguiente descubrimiento de uno nuevo significaba que se trataba, de hecho, de una representación de la realidad.
El movimiento de Mercurio, conocido con gran precisión, preocupó en gran medida a Leverrier (1855). El eje mayor de su órbita gira alrededor del sol en una cantidad residual, inexplicada por Leverrier, de 43 segundos de arco por siglo. Este movimiento no pudo explicarse hasta la nueva teoría de la gravitación de Einstein. Aunque difiere muy poco de la teoría newtoniana a escala del sistema solar, la teoría einsteniana se hace necesaria para el caso de cuerpos muy densos, cuerpos muy rápidos o a escala del universo. En cierto sentido, podemos decir que es más universal que la ley de gravitación newtoniana y, tras largos años de discusión, ha acabado siendo la única teoría válida capaz de explicar el movimiento de un púlsar binario: cuando dos estrellas, una de las cuales es un fuerte emisor de pulsaciones de radio, orbitan una alrededor de la otra a muy corta distancia, se observa una serie de anomalías en su movimiento que se ajustan maravillosamente a las leyes del movimiento einstenianas en el seno de un campo gravitatorio intenso.
La naturaleza de las estrellas
Copérnico comprendió acertadamente que, al situar el sol en el centro, el movimiento orbital de la tierra debe producir un desplazamiento aparente de las estrellas en el firmamento con respecto a un sistema de referencia terrestre. La ausencia de cualquier desplazamiento observable le llevó a tener que admitir que las estrellas se hallaban muy alejadas. La discusión acerca de la naturaleza finita o infinita del mundo abandonaba, así, los terrenos de la lógica pura o de la metafísica para entrar en el terreno científico.
Recordemos que, para Epicuro y Lucrecio, el mundo era infinito, pero esta concepción era una mera consecuencia lógica del principio según el cual el vacío sigue a la materia, la materia sigue al vacío, alternándose hasta el infinito.
Con el alejamiento de las estrellas no se alteró cualitativamente la cuestión de la finitud o infinitud. Sólo varió cuantitativamente. No obstante, la naturaleza de las estrellas se transformó completamente. Pasaron de pequeñas luces suspendidas en la bóveda celeste a objetos incandescentes que parecían débiles debido a su distancia. «Nada puede oponerse a la existencia de un número infinito de mundos» decía ya Epicuro; a partir del momento en que las estrellas se hallaban muy alejadas, este principio tomaba realidad.
La existencia de un número muy grande de estrellas parecidas al sol conforma el principio de universalidad de Lucrecio, y éste se hace patente cuando se considera la física de las estrellas y la importancia de las leyes universales de la física.
Kirchoff descubrió en 1859 que cada elemento químico se caracteriza por las rayas espectrales que puede emitir y que puede absorber. Este hecho tuvo inmediatamente importantes consecuencias astrofísicas. Huggins y Secchi (1864), observando visualmente con un espectroscopio, establecieron la presencia de unos pocos elementos químicos en las estrellas y nebulosas.
El descubrimiento de Huggins y Secchi fue muy importante. Mostró la unicidad de la composición química del universo. También mostró que los mismos procesos microscópicos responsables en la tierra de la formación de la radiación son los que operan en el sol y las estrellas. Hubo que esperar todavía muchos años para poder descifrar el mensaje de los astros y comprender que en todas partes hay los mismos elementos químicos y las mismas moléculas. Todos los elementos hallados en los espectros estelares están presentes en la tierra, pero, debido a la física de la emisión de la luz, no todos los elementos químicos pueden encontrarse en los espectros estelares.
La presencia de los mismos elementos químicos en todas partes también es la manifestación del principio de universalidad de Lucrecio. Asimismo, es portadora de otro mensaje. En la producción de rayas espectrales están implicadas numerosas leyes que conciernen, a su vez, a varias constantes microscópicas: la carga eléctrica, las masas del electrón y del protón y la constante de Planck, que aparece en todos los fenómenos cuánticos. La presencia de las mismas rayas espectrales, incluso en los objetos más remotos, muestra pues que estas constantes tienen el mismo valor en cualquier lugar del universo. Los mismos procesos físicos generan, en todas partes, los mismos espectros.
Podemos decir que la prueba cuantitativa de la universalidad de las leyes de la naturaleza alcanza el horizonte del universo observable.
Las galaxias
La observación muestra la existencia de un número enorme de galaxias. Hoy en día, con la instrumentación disponible, podríamos observar, en principio, 2 billones de galaxias. El telescopio espacial nos dará acceso a cerca de 500 veces más. Obviamente, la completitud sólo es posible en regiones muy limitadas del cielo, en áreas escogidas.
Como para las estrellas brillantes, en el caso de las galaxias cercanas se pueden distinguir detalles de su estructura. La observación muestra que no hay dos galaxias idénticas, pero que existen formas similares. El estudio morfológico de las galaxias se halla en la base de una clasificación, uno de cuyos tipos mejor conocidos es el que corresponde a la estructura espiral. Comúnmente se cree que la física que gobierna la aparición de estas formas es siempre la misma, esencialmente la gravitación y las leyes newtonianas del movimiento.
De manera aún más evidente que en el caso de la formación de las rayas espectrales, la morfología de las galaxias pone de manifiesto la unidad del universo y la universalidad de los procesos físicos, por cuanto las formas pueden reconocerse y clasificarse directamente sobre una placa fotográfica, sin la ayuda de ningún otro instrumento, sólo con los ojos —y el cerebro.
En el interior de las estrellas
Sólo después del descubrimiento por Einstein de la relación E = mc2 entre masa y energía, pudo comprenderse la larga duración de la vida del sol. Harkins y Wilson (1915), Eddington y Perrin (1920) sugirieron que la energía solar se extraía de la transformación de hidrógeno en helio. Hubo que esperar un mayor conocimiento de las reacciones y secciones eficaces nucleares para comprender mejor las fuentes de energía del sol. En 1938, simultáneamente, Weizsäcker y Bethe hallaron el ciclo de reacciones nucleares que suministra la energía irradiada por las estrellas.
El acceso al interior del sol y, a corto plazo, al de las demás estrellas, es muy reciente. A partir de la sugerencia de Fowler (1967) de que los neutrinos solares podrían ser detectados, Davis emprendió un enorme experimento subterráneo en Dakota del Sur que le ha llevado casi 20 años. Los resultados de este experimento todavía están sujetos a discusión, pero no hay duda alguna de que contienen información acerca de lo que está sucediendo en el núcleo solar. Por otra parte, las mediciones extremadamente precisas de los períodos de los diferentes modos de oscilación del sol dan también acceso directo a la distribución interna de temperaturas y densidades del sol. Por de pronto, observaciones de las oscilaciones en cada una de las componentes de la estrella binaria Alpha Centauri están suscitando nuevos problemas. Otras observaciones similares previstas desde el espacio nos proporcionarán, dentro de un par de años, más información sobre la estructura interna de las estrellas.
El comentario que hicimos antes se aplica también ahora. Los mismos procesos microscópicos tienen lugar en todas las estrellas y nos dan la explicación básica de sus propiedades generales. Pero el análisis, mediante la teoría, de los datos observacionales acerca de la estructura interna proporciona además otra información importante: la composición química en el interior de las estrellas. A pesar de ciertas dificultades en la teoría, el resultado principal es que todas las estrellas tienen básicamente la misma abundancia de elementos ligeros. Ello conduce a la siguiente situación. Nuestra galaxia tiene una historia; su composición química ha ido variando desde su formación y, si se comparan las estrellas jóvenes y viejas, se puede tener una idea de la composición química primordial: 3/4 hidrógeno por 1/4 helio en masa y una muy pequeña abundancia de otros elementos. Parece bien establecido que, dentro de los márgenes de error, las demás galaxias tienen la misma composición primordial. En este caso, este resultado procede de las rayas espectrales emitidas por la materia interestelar. Esta uniformidad aparente de la composición química conlleva otro problema que trataremos en breves instantes.
Niveles de organización
Hemos visto distintos niveles de organización de la materia: los núcleos con sus protones y neutrones, el átomo con los electrones moviéndose alrededor del núcleo, las moléculas hechas de átomos. Asimismo, cabe mencionar la siguiente jerarquía de niveles: moléculas orgánicas, proteínas, vida, sociedad humana. Por otro lado, hemos visto las estructuras creadas por efecto de la gravedad: sistemas estelares, galaxias, sistemas de galaxias… y también los amasijos de átomos que forman los planetas y las estrellas.
Cada nivel tiene sus propias leyes y revela las del nivel inferior. Durante los siglos XVIII y XIX el contenido de la física creció notablemente. Cada vez más fenómenos y procesos iban encontrando una explicación racional. El determinismo, en el sentido laplaciano del término, parecía válido en todos los casos. Cada nivel podía describirse mediante las leyes de la mecánica, desde el movimiento de los planetas hasta las propiedades elásticas del sólido. La extrapolación de este punto de vista a todos los niveles parecía el camino natural. Actualmente, uno ve en La Mettrie un filósofo muy notable y un experto en la naturaleza humana. Sin embargo, el título de su famoso libro, El hombre-máquina, sugiere una visión del hombre totalmente mecanicista, que de hecho recuerda a aquellos impresionantes autómatas de Vaucanson.
No resulta sorprendente que pareciera haber un conflicto entre la conciencia del libre albedrío y el esquema mecanicista del sistema solar, así como en contemplar al hombre como un reloj.
No creo que haya contradicción alguna entre el tipo de determinismo que el ojo de un físico ve en el mundo físico y el concepto filosófico de libre albedrío.
El universo en expansión
La literatura mundial acerca del universo en expansión es tan rica que no parece necesario entrar en detalle en este tema.
Como ya se sabe, el hecho observacional más trascendente es el desplazamiento al rojo de las rayas espectrales. El que la raya espectral del hidrógeno a 21 cms. muestre el mismo desplazamiento al rojo que las rayas en el visible (con un rango de frecuencias de casi 6 decimales, exactamente un factor 4 × 105) ha descartado por el momento cualquier explicación que no sea el efecto Doppler. La expansión del universo es la explicación natural de los desplazamientos al rojo.
La física de la expansión está íntimamente relacionada con la teoría de la gravitación. La gravitación ignora el efecto de apantallamiento y actúa a muy grandes distancias.
Consideremos un medio indefinido, con densidad uniforme y llenando todo el espacio. Definamos en este medio, alrededor de un punto escogido arbitrariamente, una esfera y una serie de envolturas esféricas. Dentro de la esfera, el conocido teorema de Gauss muestra que no hay efecto alguno debido a las envolturas. Pero en la superficie de cualquier esfera hay una atracción hacia su centro. Nada puede compensar esta atracción y, si imaginamos un medio infinito, libre de presión y en reposo, éste se ve obligado a colapsar. Podemos, sin embargo, imaginar también que las distintas regiones de la materia no están en reposo, sino que se están alejando. Cualquier esfera estaría expandiéndose y el movimiento de la materia sería la única forma de resistir al colapso. Se comprende fácilmente que, si la velocidad no es suficiente, el movimiento de expansión terminará por detenerse y seguirá un colapso.
Esta propiedad notable de la atracción newtoniana fue hallada hace ya casi un siglo por Neumann (1896) y Seelinger (1895, 1896) y es la base de la cosmología newtoniana.
La teoría de Einstein de la gravitación confirma estos resultados. Nada puede evitar el colapso o la expansión. Hay que resaltar que la expansión de un universo uniforme, homogéneo, isótropo y libre de presión no es consecuencia de la relatividad general: es consecuencia de las propiedades de la gravitación. Ciertos trabajos recientes, realizados por Peebles (1971) muestran, por ejemplo, que debido a la densidad muy pequeña del universo actual, el modelo cosmológico newtoniano es una muy buena aproximación en nuestro entorno, donde por este término debemos entender hasta una distancia de unos mil millones de años luz.
En 1965, Penzias y Wilson, observando la emisión radio del cielo a la longitud de onda de 7 cms., descubrieron la presencia de una radiación que proviene con la misma forma de todas las direcciones. Este descubrimiento ha sido confirmado. Esta radiación verifica la siguiente propiedad importante: es la radiación de un cuerpo negro.
Podemos ahora resumir brevemente la situación y comentar algunos puntos importantes:
1.El número medio de fotones por unidad de volumen es muy grande en comparación con el de bariones (protones y neutrones). La proporción entre ambos es de 10 mil millones a 1;
2.Si consideramos el universo retrocediendo en el tiempo, se llega a un momento en que las galaxias no pueden ser objetos independientes. Tuvo, pues, que existir un gas que llenase el universo, y las galaxias tuvieron que nacer de él. La temperatura fue más elevada en el pasado y, en una época anterior, este gas estaba completamente ionizado y era opaco a la radiación. La transición entre el medio opaco al transparente dejó en libertad la radiación que, tras viajar miles de años en el universo, dio lugar a la radiación de fondo de cuerpo negro (RFCN).
Mucho antes que todo esto, la temperatura fue suficientemente elevada como para producir la síntesis de elementos ligeros a partir de una mezcla de protones, neutrones, electrones y neutrinos. El aspecto más importante de esta síntesis es que la razón entre las abundancias de helio y de hidrógeno no es muy sensible a los parámetros que describen el universo (en particular, la razón entre el número de fotones y de bariones) y es cercano a 1/3;
3.La notable isotropía de la RFCN, después de sustraerle el movimiento del sistema solar con respecto al campo de radiación (unos 300 km/s), muestra que, en el instante de desacoplo entre materia y radiación, había las mismas condiciones físicas en todas partes. Sin embargo, en el mismo instante, las regiones conectadas causalmente eran pequeñas, correspondientes a la masa de un cúmulo de galaxias. Para dar una idea del problema, podemos comparar la dimensión actual del supercúmulo local de galaxias, del orden de 100 millones de parsecs, con la dimensión de una de las regiones ligadas causalmente en el momento del desacoplo, que tendría actualmente cerca de 3 millones de parsecs.
La diferencia entre la dimensión de las regiones conectadas causalmente en el momento de la nucleosíntesis y la del universo actual todavía es más sorprendente. En aquel caso corresponderían a una masa del orden de una centésima de la solar.
Tenemos, pues, que enfrentarnos a la pregunta siguiente: ¿qué ha debido suceder para que el universo, aparentemente formado de regiones no conectadas causalmente, parezca tan uniforme, homogéneo e isótropo?;
4.Si mirásemos hacia atrás en el tiempo, encontraríamos temperaturas cada vez más elevadas hasta el punto en que se alcanzaría cierto equilibrio entre la radiación y los bariones. El hecho es que, como ya se observó inmediatamente después del descubrimiento de la RFCN, en aquellas condiciones, el número de bariones y antibariones se volvería del mismo orden de magnitud que el número de fotones.
El universo está localmente formado de materia, y localmente significa, por lo menos, hasta una distancia de unos cientos de millones de años luz. ¿Se trata únicamente de un efecto local, o acaso el universo está formado tan sólo de materia? En cualquier caso, si consideramos los procesos físicos que tienen lugar durante la expansión y enfriamiento, nos vemos obligados a explicar por qué la razón entre fotones y bariones ha descendido hasta cerca de 10−10. El lapso de tiempo transcurrido durante este cambio corresponde a un intervalo de energías que va alrededor de 1 Gev a en torno a 1 Mev. La física de partículas a estas energías se conoce bien y está bien comprendida, y no parece explicar el origen de la desviación con respecto a la aniquilación completa entre materia y antimateria. Esta desviación con respecto a una simetría total (llamada rotura de simetría) es necesaria. No sabemos si la rotura de simetría tuvo lugar en todo el universo, con el mismo signo en todas partes, o, por el contrario, ha habido dominios de aniquilación de distinto signo, en cuyo caso, en el universo, existirían regiones de materia y otras de antimateria.
5.Existe una densidad característica del universo en la que se da la siguiente propiedad llamada crítica.
Si la densidad del universo es mayor que la densidad crítica, la atracción gravitatoria terminará por dominar la expansión y el universo colapsará; en cambio, si la densidad del universo es menor que la crítica, la expansión seguirá indefinidamente y la densidad se hará despreciable en el futuro. El valor actual de la densidad crítica, para un ritmo de expansión de 75 km/s/megaparsec (alrededor de 25 km/s por cada millón de años luz) es del orden de dos átomos de hidrógeno por metro cúbico. Existe una gran polémica en torno a la masa visible, pero no hay duda alguna de que la masa visible (por cuanto emite luz) conduce a una densidad de 3 a 10 veces menor que la crítica.
El valor de esta última es función del tiempo. Si retrocedemos, se hace cada vez mayor. En el instante de desacoplo, la época de la producción de la RFCN, la densidad difería de la crítica en sólo un factor 0,0007. En el momento de la nucleosíntesis difería sólo en un 2 × 10−10 y en el momento del equilibrio termodinámico entre materia, antimateria y radiación, ya sólo difería en un 2 × 10−13. Al inicio de la expansión (enseguida comentaremos el sentido del término inicio), era sólo de 10 × 10−31.
6.Lo que debe entenderse aquí por «inicio» es aquella época en que la teoría gravitatoria de Einstein pierde su validez por cuanto los efectos cuánticos empiezan a ser importantes en esta fuerza. No hay actualmente consenso alguno acerca de una teoría cuántica de la gravedad. Sin embargo, se puede dar un orden de magnitud del momento a partir del cual la gravedad cuántica ya no es necesaria: 10−43 s, llamado instante de Planck. De hecho, la teoría deja de ser válida antes de alcanzar este instante, en el rango de energías entre 1016 Gev y 102 Gev, donde podemos decir que los físicos están tan sólo explorando el problema. Pronto volveremos a esta cuestión.
Los problemas
Debemos afrontar el hecho de que, a escala macroscópica, las leyes de la naturaleza tienen validez universal, pero que el universo presenta cierto número de propiedades que piden una atención particular:
- el universo es esencialmente homogéneo e isótropo, pero la escala de las regiones causalmente conectadas fue demasiado pequeña en el pasado para dar cuenta de esta homogeneidad e isotropía;
- el universo está hecho de materia, al menos localmente, pero la gran proporción de fotones con respecto a bariones requiere una rotura de simetría bariónica;
- el universo no tiene actualmente la densidad crítica, pero en el pasado estuvo mucho más cerca de este valor. La diferencia relativa fue muy pequeña y no hay explicación alguna de esta pequeña diferencia inicial. Si la densidad es exactamente igual a la crítica, esta igualdad se mantiene a lo largo del tiempo. Éste es el caso correspondiente a un universo plano.
Estas tres cuestiones: causalidad, rotura de simetría y planitud constituyen el meollo de los problemas cosmológicos actuales. La gravedad cuántica está ahí, por decirlo de alguna manera, detrás del escenario, aportando tan sólo suposiciones acerca del universo primordial.
Constante cosmológica
Sin embargo, ¿es ésta la última palabra en cosmología? Los físicos intentan responder a estas tres preguntas y parecen contentarse con un modelo que satisface la causalidad mediante una rápida expansión temprana, produce la rotura de simetría apropiada y requiere la condición de planitud, así como una constante cosmológica nula.
En su primera formulación de la relatividad general, Einstein mostró que la forma lógica de derivar sus ecuaciones conducía a incluir una fuerza repulsiva cuya intensidad estaba determinada por una pequeña cantidad, la constante cosmológica. La dificultad de una constante cosmológica estriba en que no hay razón alguna para mantenerla o desecharla. Desde el punto de vista de la teoría de los grupos de rotaciones, es una cuestión que tan sólo concierne a la teoría gravitatoria de Einstein.
Con una constante cosmológica, se puede construir, como hizo Einstein, un modelo de universo estático. Pero un universo de este tipo es inestable frente a perturbaciones de cualquier escala. Con una constante cosmológica, como mostró Lemaître hace tiempo, la dependencia temporal de la expansión puede ser muy distinta de la que corresponde a otros modelos sin esta constante. Los modelos estándar sitúan el inicio de la expansión hace 8,5 mil millones de años. Los modelos del tipo de Lemaître lo sitúan el algún instante alrededor de hace 20 mil millones de años, en acuerdo con la edad de las estrellas más viejas de la galaxia. Neumann y Seelinger descubrieron el mismo efecto introduciendo arbitrariamente una fuerza repulsiva en su cosmología newtoniana.
De vez en cuando, hay una vuelta hacia cosmologías relativistas con constante cosmológica.
Existe una clase particular de objetos, los objetos casi estelares o OCE (en inglés, QSO’s), que se caracterizan por un exceso de luz azul, una apariencia de tipo estelar con una extensión nebulosa, un gran desplazamiento al rojo y una luminosidad enorme (100 veces la de nuestra galaxia). La clase de los OCE incluye esas fuentes radio muy intensas llamadas cuásares.
Debido a su brillo, son visibles a distancias muy grandes que sólo pueden determinarse mediante desplazamientos al rojo. Souriau y colaboradores sostienen que estamos rodeados por una zona esférica vacía de OCE, no centrada en nuestra posición. El universo de Fliche, Souriau y Triay no es plano, es un universo esféricamente cerrado y tiene la particularidad de que se le supone constituido de dos dominios, uno de materia y otro de antimateria. Este universo no es completamente simétrico y el dominio de la materia constituye la imagen especular del de la antimateria.
Esto hace referencia a un modelo esbozado por Goldhaber en 1956, que parte del átomo primordial de Lemaître, supuesto mitad materia, mitad antimateria, el cual se fragmenta en dos partes que dan lugar a la material y antimaterial, respectivamente, del universo en que vivimos.
La formación de dos dominios significa que, cuando la rotura de simetría tuvo lugar, adquirió el signo opuesto en cada uno de ellos.
Este modelo descansa sobre el desplazamiento al rojo de los cerca de 3000 OCE conocidos. El telescopio espacial nos proporcionará en un par de años gran cantidad de nuevos datos. Veremos entonces si el universo de Fliche, Souriau y Triay es el resultado de un accidente estadístico (un sesgo observacional) o si, por el contrario, es real.
Conclusión
Desde el punto de vista astrofísico, las leyes universales de la naturaleza actúan de manera completamente determinista. No hay otra forma posible de abordar las cuestiones suscitadas por la increíble variedad de los hechos observados.
Sin embargo, existe, y ha existido siempre, la gran tentación de extender estas leyes, que son válidas a cierto nivel de organización, a otro, e incluso pasar directamente del átomo al hombre. Es más, también resulta muy tentador leer los escritos de los físicos olvidando que las palabras tienen un significado especial. De esta forma, se puede llegar a una situación en que el lenguaje carece de sentido. Todavía hoy en día estamos hablando del alivio que nos proporcionó la descripción de la mecánica cuántica, ¡hace 60 años! ¡Y el «libre albedrío» del electrón constituye un alivio porque rompió con el determinismo e hizo libre al hombre!
El abuso del conocimiento científico, de las palabras científicas, es una historia que no termina ahí. Esto se debe, sin duda, al gran poder de la ciencia y en particular de las ciencias físicas. La importancia del conocimiento científico es tan grande que se ha convertido en la componente principal de nuestros tiempos modernos. A pesar de todo, es sólo una herramienta. Si de lo que se trata es de alcanzar la libertad en una sociedad libre, entonces podemos decir que el conocimiento científico tal vez pueda ayudar a alcanzar esta meta, pero en ningún caso podrá sustituir la voluntad del hombre en una sociedad libre.