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EL ESPACIO Y EL TIEMPO EN LA ASTRONOMIA
Dr. Vladimir Avila-Reese
Instituto de Astronomía, UNAM
“Diccionario Tiempo Espacio”, Eds. B. Berenzon & G. Calderón, Universidad Nacional Autónoma de
México (2008)
Es en la Astronomía donde, quizás más que en cualquier otra disciplina, la percepción del
espacio y del tiempo se torna indisoluble de su tema de estudio: el movimiento, las
propiedades y la evolución de los cuerpos celestes así como de los sistemas que ellos
forman y del medio existente entre ellos, incluyendo al Universo en su conjunto. Prueba de
esto es el hecho de que una de las acepciones comunes del término espacio es justamente la
que se refiere a todo lo que está más allá de la Tierra, el cosmos. En lo que respecta al
tiempo, fueron precisamente las observaciones astronómicas las que nos dieron la
representación del mismo como uno de los fundamentos del mundo que nos rodea; es por el
movimiento de los cuerpos celestes que principalmente aprendimos a juzgar sobre el
tiempo, con ello se aprendió a medirlo. Pero imaginar, definir y medir espacio y tiempo en
la Astronomía resulta una tarea nada fácil, siendo en esta ciencia donde tales conceptos
alcanzan quizás los niveles más extremos de generalización y abstracción.
El conocimiento astronómico ha contribuido de manera decisiva a desarrollar y probar el
nuevo modelo físico de la estructura del espacio y el tiempo, el modelo relativista donde
ambos conceptos dejan de ser absolutos e independientes, ellos se fusionan en un contínuo
tetradimensional llamado espacio-tiempo y adquieren categoria de propiedades físicas
íntimamente relacionadas a la materia. El espacio y el tiempo más que ser una abstracción
de la conciencia, una mera convención lingüística para describir las relaciones entre los
cuerpos materiales (relacionismo), son una realidad objetiva, un objeto de estudio científico
per se (Davies 1996). Las propiedades del espacio-tiempo son indispensables para entender
el cosmos, en particular el Universo en su conjunto y su evolución. Por eso la Cosmología
moderna surgió sólo después de que A. Einstein introdujera su famosa teoría de la
relatividad, aquella que conecta la materia con el espacio-tiempo, siendo la gravedad no
una fuerza sinó que la manifestación de dicha conexión.
Las escalas espaciales y temporales en la Astronomía
Nuestros cinco sentidos nos permiten la orientación y medición espacial en tres
dimensiones pero de una manera limitada con relación al gran rango de escalas de la
naturaleza. En cuanto al tiempo, posiblemente se pueda hablar de un sexto sentido instalado en el cerebro- que nos permite sentirlo y medirlo, pero de igual manera, esta
sensación es limitada a intervalos muy reducidos con relación a las escalas temporales de la
naturaleza, en especial la naturaleza cósmica. Para estudiar el cosmos se requieren de
modelos físicos y de poderosos instrumentos capaces de ampliar nuestro rango de
percepciones espacio-temporales.
Las escalas espaciales y temporales que llegamos a percibir los seres humanos están en
cierta manera asociadas a las escalas y movimientos de rotación y translación del planeta
que habitamos. Pero el planeta Tierra es un minúsculo objeto ligado gravitatoriamente a
una estrella de tipo medio, el Sol. Otros 7 planetas clásicos, algunos planetas enanos y
muchos otros cuerpos menores están ligados gravitatoriamente al Sol, mismo que contiene
alrededor del 99% de la masa del así llamado Sistema Solar, nuestro vecindario en el
espacio cósmico. La luz emitida por el Sol tarda en llegar a la Tierra 8 minutos 24 segundos
viajando a 300,000 km/s, la máxima velocidad de transporte de información que
conocemos en la naturaleza. El evento que estamos observando ahora en el Sol ocurrió en
realidad 8.4 minutos antes... pero desde el punto de vista de un observador en el Sol, lo que
ocurre allá ahora será detectado en la Tierra después; esto nos muestra ya la naturaleza
relativa del tiempo y cómo el concepto de simultaneidad asociado a un tiempo absoluto y
universal pierde su validez.
La luz del Sol tarda alrededor de 6 horas en llegar a Plutón y unas 12 horas a los límites del
Sistema Solar. La estrella más cercana al Sol,-Centauro, está no ya a horas o días de
viaje de la luz, sinó que a 4.3 años, llamados “años luz” en corto. La gran mayoría de las
cerca de 6,000 estrellas que podemos ver desde la Tierra a simple vista se encuentran
distribuidas en una esfera imaginaria alrededor nuestro de unos 100 años luz; ésta es ya una
escala temporal del orden de toda una vida humana. Esas 6,000 estrellas son una minúscula
fracción de las aproximadamente 200 mil millones de estrellas que contiene nuestra
galaxia, la Vía Láctea. El enorme disco de estrellas y gas de la Vía Láctea tiene un
diámetro que es unas 6 mil millones de veces mayor a la distancia entre la Tierra y el Sol,
una escala que se escapa a nuestra “sensibilidad” espacial. En años luz corresponde más o
menos a 100 mil. Es decir que un rayo de luz se tarda 100 mil años en recorrer el disco de
nuestra galaxia, un período de tiempo al que también somos ya insensibles; ¡corresponde a
más de 10 veces toda la historia de la civilización humana!
Más allá de la Vía Láctea se observan muchas otras galaxias. Andrómeda, una compañera
cercana similar a la nuestra, se encuentra a unos 2 millones de años luz de distancia. Con
poderosos telescopios se pueden detectar miles, millones de galaxias a distancias rebasando
los cientos de millones de años luz. Ellas no están distribuidas al azar sino que forman una
compleja estructura filamentaria; en las intersecciones de los filamentos se encuentran los
cúmulos de galaxias, conglomerados de cientos de galaxias ligados gravitatoriamente. La
estructura a gran escala del cosmos se asemeja a una esponja con tejidos y grandes huecos,
denotando que a estas escalas hay procesos físicos muy claros en acción. Además todo
indica que las galaxias y cúmulos de galaxias que se observan están sumergidas en enormes
halos (esferoides) de materia oscura cuyas masas superan en 20 o más veces la masa de las
galaxias visibles1. Los censos cósmicos muestran que en el Universo en general la materia
oscura es 5 veces más abundante que la ordinaria, esa que forma átomos, estrellas y
galaxias.
A escalas cercanas y mayores a los mil millones de años luz, se revela una propiedad
fundamental del Universo, o más bien del espacio: la homogeneidad (similitud en cualquier
punto) e isotropía (similitud en cualquier dirección). A estas escalas la gravedad “local” no
ha podido aún hacer mucho y por ende se supone que la distribución de materia (galaxias)
sigue simplemente la estructura del espacio. La homogeneidad e isotropía en dicha
distribución implica entonces que el espacio es uniforme y carente de centros, ejes
preferenciales u otro tipo de estructura peculiar. Esta propiedad del espacio conlleva
profundas implicaciones filosóficas y se puede enunciar como una generalización del
principio Copernicano en el sentido de que en el Universo no existen regiones privilegiadas
y las leyes de la física aplican por igual en cualquier punto del cosmos.
Los telescopios actuales permiten observar más lejos que miles de millones de años luz;
esto significa que la información recibida proviene de épocas muy en el pasado, miles de
millones de años atrás, cuando las galaxias y propiedades globales del Universo eran
1
Aparentemente la materia oscura es el molde de las estructuras del Universo, molde que adquiere forma de
halos y filamentos por la acción gravitacional en regiones que eran al principio ligeramente más densas
que el promedio, inhomogeneidades iniciales muy tenues del espacio-tiempo. Luego, en lo más profundo
del molde “oscuro”, parte de la materia ordinaria (bariónica) es atrapada formando ahí galaxias y estrellas.
diferentes. En este sentido, los telescopios son máquinas del tiempo; mientras más lejos
observamos, en realidad estamos observando más hacia el pasado. La radiación detectada
en el telescopio proviene de una distancia igual a la velocidad de la luz multiplicada por el
tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción; pero esa distancia -llamada
formalmente intervalo cuasilumínico- no es la distancia definida entre dos eventos al
tiempo actual de observación ni tampoco al tiempo de emisión; así, producto de postular
que no existe el transporte instantáneo, se hace patente la interconexión indisoluble entre
espacio y tiempo y se habla más bien de intervalos espacio-temporales. Los intervalos
espacio-temporales en el caso del Universo en expansión deben además tomar en cuenta la
tasa de expansión del espacio. La escala temporal del Universo, el así llamado tiempo
cósmico, está íntimamente asociada al factor de expansión del espacio.
En torno a cualquier punto del espacio y en un tiempo cósmico dado, existe una región de
radio aproximadamente igual al producto de la la velocidad de la luz por el tiempo cósmico,
más allá de la cual incluso la luz no ha alcanzado aún llegar. Esta región delimita el
horizonte de causalidad en torno a un observador y equivale aproximadamente a 13 mil
millones de años luz. Esta es la distancia espacio-temporal más grande de la que se puede
hablar en la Astronomía observacional. Todo evento que esté más allá simplemente no ha
llegado a tener contacto causal con el observador.2 Antes de profundizar sobre aspectos de
la Cosmología, mencionemos algunas escalas temporales típicas de cuerpos y sistemas
astronómicos.
El Sol es una estrella promedio de la Vía Láctea que parecería haber estado siempre ahí. No
obstante, el modelo físico que describe las propiedades y evolución de las estrellas, nos dice
que su edad actual es de unos 4,600 millones de años y que después de un período similar
sufrirá cambios radicales. Cuando el hidrógeno se agote en su núcleo, tendrá una serie de
transformaciones relativamente rápidas y terminará como una estrella muy pequeña y densa
(enana blanca), con el grueso de sus capas externas expandiéndose a lo largo de todo el
Sistema Solar (nebulosa planetaria). Estrellas más masivas que el Sol, tienen una “vida” 3
2
No confundir el radio del horizonte con algo así como el radio del Universo; cada punto del espacio tiene su
radio de horizonte.
3 En la Astronomía nos vemos obligados a tomar prestados términos propios de otras ciencias como la
biología o las ciencias sociales. Es el caso del término “vida” que lo usamos para remarcar que objetos
astronómicos como las estrellas o galaxias tienen un ciclo de procesos que incluye su formación, una
transformación paulatina y su desaparición como tales. Cuando nos referimos al proceso colectivo que
más intensa pero más corta. En general, el tiempo de vida de las estrellas es inversamente
proporcional al cuadrado de sus masas. Hay estrellas desde 0.1 hasta 100 o más veces la
masa del Sol, lo cual implica que las escalas de vida de las estrellas oscilan entre millones
hasta decenas de miles de millones de años. Obviamente en los tiempos de vida de un ser
humano, o incluso de existencia de la civilización humana, es imposible seguir las etapas
evolutivas de una estrella. Sin embargo existe una teoría científica que hace predicciones
certeras que son comprobadas con la observación.
Las estrellas se forman, evolucionan y mueren en el seno de las galaxias interactuando todo
el tiempo con el medio interestelar (Avila-Reese & Colín 2006). Las galaxias son
verdaderos “ecosistemas” cósmicos ligados gravitacionalmente que también tienen sus
escalas temporales de transformación. Por ejemplo, el tiempo en el cual pueden darse
cambios dinámicos significativos en nuestra galaxia tiene que ser mayor al de un período de
rotación del disco: unos 250 millones de años. Aún faltaba mucho para el surgimiento de
los dinosaurios en la Tierra cuando dimos la última vuelta alrededor del centro de la Vía
Láctea a una velocidad de 800 mil kilómetros por hora.
Las galaxias están en constante
proceso de transformación, proceso que en su caso ocurre en miles de millones de años.
Las galaxias desde el punto de vista del Universo, son sus mínimas unidades estructurales.
Por eso se puede usar el movimiento de las galaxias como trazador de la dinámica del
Universo, del espacio. Es lo que hizo E. Hubble en el 1929 después de haber descubierto la
naturaleza de estos sistemas cósmicos. El encontró que las galaxias se alejan con una
velocidad de recesión que es directamente proporcional a su distancia. Esta ley cinemática
implica unívocamente que todas las galaxias se están alejando unas con relación de otras
con esa ley. Las galaxias son como pasas de uva en un pan de Navidad. Por la levadura, la
masa del pan se expande toda uniformemente y cada pasa de uva ve que las demás se alejan
de ella con una velocidad proporcional a su distancia. En realidad las pasas de uva no se
están moviendo en la masa, es la masa la que se infla. Lo mismo aplica al caso del
Universo sólo que aquí la masa es el espacio. La pregunta “¿hacia dónde se alejan las
galaxias?” no tiene sentido: no es que ellas se estén moviendo en el espacio, es el espacio
mismo el que se está expandiendo; éste -y por ende el Universo- no son estáticos. El
sufren sistemas completos de objetos astronómicos o el Universo en su conjunto, usamos el término
“historia”; la historia del Universo por ejemplo. Otro término constantemente usado es el de “evolución”;
evolución de las estrellas, de las galaxias, del Universo.
cambio constante del espacio implica que las condiciones físicas de la materia están
cambiando. Así, cuando las distancias eran diez, mil, un millón o más veces menores que
las de hoy, las densidades, temperaturas y energías de la materia y la radiación eran mucho
más altas, tanto que la formación de átomos, y antes incluso de partículas elementales, no
era posible. Con la expansión, la materia y radiación se enfrían y así pueden formarse los
átomos, luego las estrellas y galaxias, los planetas y en algunos de ellos puede incluso
surgir la vida. Por lo tanto, la implicación directa de la propiedad expansiva del espacio es
que el Universo está en constante proceso de cambio, en evolución.
Movimiento y espacio-tiempo
El estudio del movimiento como proceso físico ha requerido la introducción de los
conceptos de espacio y tiempo. Uno de los grandes retos científicos en el pasado ha sido
entender los movimientos de los planetas en la bóveda celeste. La mecánica clásica
desarrollada por I. Newton junto con su ley universal de la gravedad hace más de 3 siglos
atrás llegaron a explicar muy bien dichos movimientos. En esta teoría el movimiento de los
cuerpos se da a través del espacio y en el tiempo, interrelacionando así ambos conceptos
mediante un conjunto de leyes y dándoles carácter de conceptos físicos. No obstante, los
postulados de Newton que espacio y tiempo son absolutos e independientes uno de otro y
que la simultaneidad es posible, no se verificaron posteriormente, invocando esto la
necesidad de una teoría más general y completa. Así llegó la teoría de la relatividad de A.
Einstein a principios del siglo pasado en la cual espacio y tiempo son relativos y se
combinan en un continuo tetradimensional. La magnitud que es la misma para uno u otro
observador, no es ni la distancia espacial ni el lapso temporal (estos pueden cambiar de
acuerdo al movimiento relativo entre los observadores), sino que el intervalo espaciotemporal. El espacio y el tiempo son en cierta manera proyecciones de esta cantidad de tal
forma que uno puede contraerse y el otro dilatarse pero su combinación tetradimensional
permanece invariante (Davies 1996). Por lo tanto hay que renunciar a pensar en el espacio
y en el tiempo como cantidades independientes.
Con el nuevo concepto de espacio-tiempo, Einstein se internó a la búsqueda de una teoría
para la gravedad. Su resultado fue sorprendente y elegante: la gravedad no es una fuerza
sino que la manifestación de la curvatura que sufre el espacio-tiempo debido a la
concentración de masa o energía. La distribución de masa-energía le dice al espaciotiempo cómo curvarse y el espacio-tiempo le dice a los objetos cómo moverse. Debido a
que el espacio-tiempo se curva por la presencia de materia, entonces incluso la trayectoria
que un rayo de luz sigue en el espacio-tiempo parecerá curvarse cerca de objetos masivos.
Las observaciones astronómicas precisas demostraron tal efecto.
Por otro lado, si la
concentración de masa es muy comprimida, entonces la curvatura del espacio-tiempo puede
ser tan pronunciada que se produce una singularidad, una especie de “ruptura” del mismo;
ahí el tiempo se hace infinito para un observador externo. Entonces incluso los rayos de luz
“se pierden” en las cercanías de estas regiones singulares llamadas agujeros negros. Una
vez más, las observaciones astronómicas han mostrado que tales objetos sí existen. En
unos casos se originan del colapso de estrellas masivas y en otros se forman en los centros
de las galaxias, posiblemente por acumulación de material; las masas de estos últimos son
descomunales, de millones a miles de millones de masas solares.
La teoría de la relatividad se comprueba y usa cotidianamente en la Astronomía no sólo en
el caso extremo de los agujeros negros. Existen otros objetos muy densos como las enanas
blancas o más densos aún -casi como los agujeros negros- las estrellas neutrónicas. Además
en el cosmos abundan los fenómenos violentos donde el material es acelerado a velocidades
cercanas a la de la luz por lo que la mecánica relativista, con sus dilataciones del tiempo y
contracciones del espacio, debe ser usada.
Algunos de estos eventos violentos tienen que ver con la formación de agujeros negros o la
colisión de objetos compactos. Aquí la teoría de la relatividad hace otra increíble
predicción: la generación de ondas gravitatorias que se propagan en el vacío a la velocidad
de la luz. El movimiento acelerado de grandes concentraciones de masa literalmente
corruga y agita al espacio-tiempo produciendo perturbaciones que se propagan como ondas
que acarrean energía y momento.
Se espera pronto lograr la detección de las ondas
gravitatorias provenientes del cosmos con lo cual se habrá comprobado directamente una de
las predicciones más “descabelladas” de la teoría general de la relatividad. Y así no podrá
quedar más al descubierto la naturaleza material que se la da al espacio y al tiempo en la
ciencia, en particular en la Astronomía.
El espacio-tiempo en la Cosmología
Una teoría que describe a la gravedad no podría tener mejor aplicación que en la
Cosmología, la rama de la Astronomía que estudia al Universo en su conjunto. Y es que a
las escalas del Universo como un todo se acumulan enormes cantidades de masa y energía
cuya principal acción física es producir gravedad. El uso de la teoría de la relatividad
general para describir la dinámica del Universo implica que el espacio (supuesto
homogéneo e isotrópico), y por ende el Universo, no son estacionarios. Las observaciones
astronómicas, como ya vimos, evidencian tanto la homogeneidad e isotropía del espacio
como el hecho de que está en franco proceso de expansión. Dependiendo de las condiciones
iniciales y del contenido material-energético, la teoría da soluciones de universos que (1) se
expanden por siempre, (2) que llegan a un máximo y luego re-colapsan o (3) que se
expanden pero cada vez más lento (Hawking 1998). De introducirse un término que, al
contrario de la materia que produce gravedad y por ende atracción, produce repulsión,
entonces se pueden tener también universos que (4) en una cierta época aceleran su
expansión.
Un primer aspecto relevante a considerar es que, siendo la gravedad una manifestación de
la curvatura del espacio-tiempo, entonces la geometría del espacio es indisoluble de la
dinámica inducida por la gravedad, gravedad que a su vez depende de la densidad de
materia-radiación del Universo. Las observaciones actuales muestran con un alto grado de
precisión que la geometría del Universo es plana, euclídea. Si en el Universo habría nada
más que materia, entonces su expansión se estaría frenando. Descubrimientos recientes han
mostrado, sin embargo, que la expansión se ha estado acelerando en los últimos miles de
millones de años. La implicación directa de este hecho es que existe un medio extraño que
tiene propiedades repulsivas a nivel cosmológico, además en el presente parece ser casi tres
veces más abundante que la materia. El nombre genérico que se le dio a este medio es el de
energía oscura. Los universos con energía oscura son más viejos que los de pura materia;
esto ha ayudado también a resolver cierta inconsistencia que se tenía: las edades de las
estrellas más viejas detectadas superan los 12 mil millones de años, lo cual es mayor que la
edad de los universos con geometría plana. El universo plano con energía oscura más
favorecido por las observaciones tiene una edad de 13.7 mil millones de años.
Es importante notar que la teoría general de la relatividad se refiere solamente a la
geometría del espacio suponiendo que el mismo tiene una conectividad simple, como en un
plano. Podría ser que la conectividad sea de tipo múltiple, como en un toroide.
Desafortunadamente no sabemos nada acerca de la topología (forma) del espacio cósmico y
serán las observaciones de la radiación cósmica de fondo, el fósil más antiguo del Universo,
las que quizás nos ayuden a determinarla. Por lo pronto, si la conectividad es simple, una
geometría plana o hiperbólica implican un universo infinito; pero si la conectividad es
múltiple, hay casos donde incluso con estas geometrías, el espacio puede ser finito.
Un segundo aspecto relevante y relacionado al anterior, es el del tiempo cósmico. No debe
confundirse éste con el tiempo universal y absoluto de Newton. En realidad cada
observador del Universo tiene su tiempo propio, su línea de mundo y su horizonte. Sin
embargo, bajo la suposición de homogeneidad e isotropía, las propiedades espaciotemporales de cada punto del Universo son en promedio iguales de tal manera que el
tiempo propio de nosotros y el de un astrónomo en una lejana galaxia son similares.
Obviamente, en regiones extremas del cosmos, como ser los agujeros negros o las estrellas
neutrónicas, el tiempo propio difiere enormemente del tiempo cósmico. El tiempo cósmico
le da unicidad al Universo y podemos entonces hablar de su historia como sistema físico
cohesionado. Este tiempo, como es de esperarse en la relatividad, es indisoluble del
espacio y de su cambio. Las ecuaciones de campo de Einstein que resolvió A. Friedmann
en el 1922, dan la conexión entre el tiempo cósmico y el factor de escala (expansión) del
espacio. En esta conexión están de por medio las densidades de materia, radiación, energía
oscura y la curvatura del espacio.
Un modelo de universo es básicamente la ley con la cual el factor de escala del espacio
cambia con el tiempo, y esa ley queda definida si se conocen las mencionadas densidades y
la curvatura. La Cosmología observacional ha tenido un vertiginoso avance en la última
década habiendo logrado la determinación de estos parámetros con gran precisión.
El
modelo preferido es uno donde la expansión se estuvo frenando hasta un poco más de la
mitad de la edad actual del Universo y a partir de entonces empezó a acelerarse.
Un tercer aspecto crucial tiene que ver con la extrapolación del modelo cosmológico hacia
el remoto pasado. Mentalmente podemos llevarlo a un tiempo cósmico igual a 0 donde
entonces el factor de escala se haría también 0 obteniendo así una singularidad en el
espacio-tiempo, un punto de origen asociado a algo así como la creación. Sin embargo, en
las condiciones extremas de la materia a las que se llega en el universo muy temprano, la
descripción de los procesos tiene que ver ya con la
física cuántica, la física del
microcosmos. El problema es que a la increíble densidad de aproximadamente 1094 g/cm3 a
la que se llega en la época de 10-44 segundos, cuando el radio de horizonte del Universo
actual se reduce a apenas 10-33 cm (éstas son respectivamente la densidad, el tiempo y el
radio de Planck), la intensidad de la gravedad se torna importante a nivel cuántico; y no
existe todavía una teoría física completa de la gravedad cuántica, una teoría que unifique a
la gravedad con los campos fundamentales de interacción de la naturaleza.
La superunificación se puede lograr invocando más dimensiones espaciales que las 3 que
conocemos. La idea es que a escalas mayores las dimensiones luego se compactifican y
quedan sólo las 3 de nuestro mundo. Es interesante mencionar que el hecho que sean 3
dimensiones espaciales tiene profundas implicaciones para el desarrollo ulterior de la
materia. Si fuesen más dimensiones no podrían existir sistemas estables como los átomos,
los sistemas planetarios y las galaxias, y si fuesen menos, no se podría dar el movimiento
libre. En otras palabras, no estaríamos aquí si el espacio tuviese un número de dimensiones
distinto a 3 (Novikov 1988). Es también posible que el mismo espacio-tiempo se cuantice
a las escalas de Planck mencionadas arriba, es decir pierden su propiedad de continuidad;
por ende no tiene sentido ya preguntarse que pasó antes del tiempo de Planck. Haciendo la
analogía con un río, éste por definición es el constante fluir del agua, como lo es el tiempo.
El río se origina de gotas de agua que caen en la cabecera de la montaña. Estas gotas no son
el río en sí pero luego, puestas en movimiento dentro del caudal, fluirán hacia abajo
formando el río.
Un cuarto aspecto de la Cosmología relacionado al espacio-tiempo tiene que ver con la
estructura que se desarrolla en el Universo uniforme en expansión. En realidad la teoría
cosmológica basada en las ecuaciones de Einstein y Friedmann (mal llamada teoría de la
Gran Explosión), se refiere por construcción a un universo homogéneo. La explicación del
origen de las tenues desviaciones de la homogeneidad que se requieren para explicar la
vasta y compleja estructura que observamos hoy tuvo que esperar hasta los años ochenta
del siglo pasado cuando se propuso la teoría de la Inflación. Esta teoría del universo muy
temprano supera las limitaciones de la teoría de la Gran Explosión (Gut 1997). De acuerdo
a la misma, después de la era de Planck, el Universo estuvo dominado por la energía del
vacío, un extraño medio que predice la física cuántica ante la ausencia de materia.
Metafóricamente el vacío es el ebullir del espacio del cual surgen y se esfuman partículas
virtuales. El vacío cosmológico es inestable y comienza a desintegrarse a los 10-34 s de vida
del Universo dando origen a las partículas y campos reales, y mientras lo hace, infla
desenfrenadamente al espacio pues tiene propiedad repulsiva4. Se propone que las
fluctuaciones cuánticas del vacío, al ser sacadas fuera del horizonte del evento por la
inflación, quedan impresas como perturbaciones de curvatura a la métrica del espaciotiempo, perturbaciones que están al principio causalmente desconectadas pero que, según
cálculos relativistas, crecen en su amplitud. Cuando estas perturbaciones del espaciotiempo se conectan causalmente con el transcurrir del tiempo, dan lugar a regiones con
concentraciones de masa-energía ligeramente más altas que el promedio. La gravedad
comienza a actuar y lo hace más sobre ellas que sobre el resto del Universo en expansión.
Llega un momento en el que la autogravedad de estas regiones las hace colapsar,
separándose de la expansión global y formándose así las protogalaxias. Hemos llegado a un
punto culminante donde resulta que son las propiedades y la estructura del espacio-tiempo
las que dieron origen a las estructuras cósmicas del Universo.
La historia del espacio y el tiempo en la Astronomía
Espacio y tiempo son conceptos claves en la Astronomía y han ido evolucionando a la par
de los logros de esta ciencia. Hasta hace 3 siglos atrás el universo observable se reducía al
sistma solar. El reto era entonces explicar el movimiento de los planetas en la bóveda
celeste. A mediados del s. XIV, el master G. de Dondi de Pádova construyó un reloj muy
peculiar, el astrarium. Aparte de ser un reloj muy preciso,
el astrarium mostraba el
movimiento periódico del Sol, la Luna y los planetas en la esfera celeste. Fue un verdadero
intento de “programar” un modelo del universo, un modelo basado en las ideas aristotélicas
y tolomeicas de la superposición de esferas con movimientos epicíclicos alrededor de la
Tierra, considerada centro del universo (Chernin 1987). El tiempo y el espacio eran
imaginados como
categorías
existentes por sí
mismas, universales, absolutas,
independientes de los cuerpos en movimiento. El astrarium reproducía bien las
4
Si algo del vacío quedase sin desintegrarse, entonces éste podría volver a expander aceleradamente al
Universo, cuando la densidad de la materia decrece por la expansión a valores por debajo de la densidad
de energía del vacío; ésta es una de las posibles explicaciones que se baraja para la energía oscura.
observaciones astronómicas de la época; pero sólo eso. En realidad no era capaz de explicar
la naturaleza física de los movimientos.
En el siglo XVII surgió con Newton la mecánica clásica y una teoría de la gravedad: ellas sí
daban una descripción física del movimiento de los planetas apoyada en las matemáticas,
una descripción que aplicaba tanto en la Tierra como en “los cielos”. No obstante los
conceptos de espacio y tiempo seguían siendo más o menos los mismos. Tuvieron que
pasar 3 siglos para que espacio y tiempo adquiriesen una concepción más de entes reales
relacionados uno con el otro y con propiedades físicas y estructura propia. Y las
comprobaciones científicas de estas nuevas concepciones propuestas en la teoría de la
relatividad de Einstein se fueron dando una a una en la Astronomía.
A fines del siglo XVIIl los horizontes del universo observable pasaron del Sistema Solar a
toda la Galaxia y a principios del siglo XX, se expandió a un mundo de galaxias y cúmulos
de galaxias. También se entendió que, los otrora considerados astros eternos, tienen un
proceso evolutivo, eso sí con escalas temporales inimaginablemente largas para nosotros.
Pronto se comprendió que incluso el sistema físico más general que podemos considerar, el
Universo, también está en constante cambio, se está expandiendo, y en ese proceso las
propiedades de la materia y del espacio-tiempo se van transformando de tal manera que
propician la formación de sistemas cada vez más complejos. Hoy las observaciones pueden
ir tan profundo en el espacio-tiempo como los mismos límites del universo observable,
aquella cortina opaca que puso la materia y la radiación cuando aún estaban acopladas en el
universo caliente de la Gran Explosión.
El fósil de esa época temprana proveniente de cuando el Universo era 36 mil veces más
joven que ahora (380 mil años de edad), es la radiación cósmica de fondo en microondas.
En esas épocas aún no habían ni átomos, ni estrellas, ni galaxias, pero en la radiación de
fondo ya se revelan tenues fluctuaciones, semillas de las cuales luego emergerían las
galaxias, estrellas y planetas dentro de ellas, vida y seres con conciencia como nosotros. Si
la historia del Universo la reducimos a 3 años, entonces la radiación de fondo que marca el
fin de la era caliente se origina a los 45 minutos, la Vía Láctea comienza a ensamblarse en
Octubre del primer año y es hasta finales de Diciembre del segundo año que nace el Sol en
un brazo espiral de esta galaxia. El planeta Tierra termina de formarse allá por Febrero del
tercer año y la vida surge en él sólo hasta Marzo. Los dinosaurios dominan en el planeta
desde aproximadamente el 15 hasta el 24 de Diciembre. El hombre de Neanderthal aparece
más o menos a las 23:50 del 31 de Diciembre. Las primeras civilizaciones humanas
emergen unos 45 segundos antes del año nuevo. Eso es, toda la historia de nuestra
civilización son solo los últimos 45 segundos de los 3 años de vida del Universo. Y es en el
último medio segundo que tomamos conciencia científica de todo ese pasado cósmico.
El entendimiento del pasado, de las leyes que rigen la evolución del Universo y sus
componentes, resulta estar íntimamente relacionado con las propiedades y estructura del
espacio-tiempo. El espacio-tiempo es un objeto físico a la par de la materia y conectado con
ella; tan físico que es del espacio, se entiende, surgen las partículas y campos, tan físico que
son las perturbaciones de curvatura del espacio-tiempo las que dan origen a las semillas de
las galaxias y los mundos de estrellas y planetas incubados en su interior. Mas estamos aún
en pañales en el entendimiento físico del espacio-tiempo. ¿Qué le pasa al espacio-tiempo en
la era de Planck? ¿Existen más dimensiones? ¿Podrían ser las misteriosas materia y energía
oscuras, las componentes más abundantes del Universo, manifestaciones peculiares del
espacio-tiempo o de más dimensiones? Por lo pronto, los cosmólogos tenemos nuestros
astraria modernos en forma de supercomputadoras que son capaces de simular gran parte de
la historia del universo en base al modelo físico del Universo que hemos desarrollado.
Referencias5
-Avila-Reese, V. & Colín, P. 2006, en “La evolución en la Astronomía”, M. Peimbert (compilador), México,
D.F.: El Colegio Nacional
-Chernin, A.D. 1987, “La física del tiempo”, Moscú: “Nauka” (en ruso)
-Davies, P.C.W. 1996, “El espacio y el tiempo en el Universo contemporáneo”, reimpresión, México: Fondo
de Cultura económica
-Guth, A. 1987, “The Inflationary universe: the quest for a new theory of cosmic origins”, Reading,
Massachusetts: Addison-Wesley (en inglés)
-Hawking, S. 1998, “Historia del Tiempo”, reimpresión, España: Grijalbo
5
Más que citas asociadas al texto, las referencias a continuación son lecturas complementarias recomendadas.