EL UNIVERSO: PRINCIPIO Y FIN (HISTORIA DEL TIEMPO) Oscar D. Silva Cáceres “Esta idea de un espacio finito pero ilimitado es una de las ideas más extraordinarias sobre la naturaleza del mundo que se haya concebido nunca” Max Born ¿Qué es el Universo? ¿Es el Universo como lo conocemos hoy, la expresión de un estadio evolutivo de la materia o ha sido inmutable a través del tiempo? Al fin ¿Qué es el tiempo y qué importancia tiene para nosotros? Stephen Hawking y Albert Einstein Las películas de ciencias- ficción con frecuencia nos trasladan mediante ingeniosas máquinas del tiempo ya sea al pasado prehistórico o al futuro lejano. Luego se tiene eventualmente la oportunidad de retornar al momento de partida: el presente, pero ¿Es esto realmente posible? El Físico Teórico Stephen Hawking heredero de la cátedra Newton en la Universidad de Cambridge, y de la cátedra Lucasian de la que alguna vez fuera titular el propio Newton, trata de respondernos a estas interrogantes. Postrado en una silla de ruedas a consecuencia de la Enfermedad de Lou Gohring la que afecta sus neuronas motoras, contrajo una neumonía que lo dejó sin habla. Pero gracias a los avances de la cibernética Hawking pudo hablar y escribir sus artículos. Un programa especial de comunicaciones, denominado Livingcenter incorporado en un “sintetizador “, y un ordenador personal instalado en su silla de ruedas, le permitieron convertir sus ideas en sonidos y grafías que de otra manera hubieran sido imposibles de reproducir. ¿Qué sabemos del universo? Hasta el siglo pasado sólo se tenían dos concepciones: el Universo había existido siempre o había sido creado en algún momento. No obstante ambas consideraciones adolecían de la misma falla: presuponían un equilibrio estático del universo. El propósito de este escrito es que el lector se apropie y ausculte la explicación lógica acerca del tiempo que de manera sencilla nos proporciona este trabajo: Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 1 historia del tiempo de Hawkins. Introducción Hasta hace quinientos años, se creía que la tierra era el centro del Universo. Copérnico demostró que giraba alrededor del sol. Se pasó de una concepción geocéntrica a una heliocéntrica. Después resultó que tampoco el sol era el centro y que nuestra estrella era una más y no la más grande entre miles de millones de estrellas que conforman la galaxia Vía Láctea y que nuestra propia galaxia era una más entre centenares de millones de galaxias. No sólo el hombre no era el centro del universo, si no que nuestro pequeño rincón no parecía poseer nada especial que lo diferenciara de cualquier otro rincón del universo. Pero se fuera o no el centro del Universo, nadie ponía en duda que Dios había creado el Cielo y la Tierra y eso provocaba un agradable sentimiento de seguridad. El universo era inmóvil, firme (“firmamento”) y la pregunta, sobre si había tenido o no un principio era metafísica. Pero resultó que no era así y el Universo no sólo no es estático, sino que está en permanente expansión y si se expande es porque en un momento dado, hace 10 ó 20 mil millones de años, se produjo una gran explosión, un big - bang que marcó el principio del tiempo, y “un universo en expansión no excluye la existencia de un creador, pero síi establece límites sobre cuándo éste pudo haber llevado a cabo su misión “dice Hawking. El universo tuvo un principio ¿Tendrá un final? Esa es la gran pregunta. En el presente, los científicos describen el universo a través de dos teorías : La Teoría General de la Relatividad, presentadas por Albert Einstein en 1915, que describe la fuerza de la gravedad y la estructura a gran escala del Universo; La otra, La Mecánica Cuántica, que se ocupa de lo extremadamente minúsculo, como una millonésima de centímetro. Estas teorías, al ocuparse una de lo extremadamente grande y la otra de lo extremadamente pequeño parecerían complementarse, pero no es así. En una de ellas tal vez en ambas, hay un error (o varios). O falta el hilo unificador. La búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad que unifique la física, es el más grandes reto de la Física Teórica Moderna. El origen del tiempo ¿Qué sucedería si en un punto del espacio algunas estrellas se acercaran o se alejaran de otras? Si se acercasen aunque fuese ligeramente, sostiene Hawking “las fuerzas atractivas entre ellas se harían más fuertes y dominaría sobre las fuerza repulsivas, “Ese hecho determinaría que todas las estrellas entrarían en un proceso de aglutinamiento que no concluiría en un solo punto del espacio. Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 2 El fenómeno contrario determinaría que las estrellas continuasen alejándose, fugándose por siempre una de otras. En una reseña de las principales cosmologías y creencias religiosas, Hawking señala que según la “tradición, judeo-cristiana-musulmana, el Universo comenzó en cierto tiempo pasado finito, y no muy distante”. San Agustín ubicaba este momento en cinco mil años antes de Cristo, de acuerdo con el libro Génesis. La Arqueología sin embargo ha determinado que el hombre de las cavernaspaleolítico- vivía ya hace diez mil años. Para Hawking “el concepto de tiempo no tiene significado antes del comienzo del Universo” por eso comienza su respuesta cuando se le preguntó a San Agustín que hacía Dios antes de crear el Universo, y este no respondió – afirma – porque “seguramente estaba preparando el infierno para aquellos que preguntaran tales cuestiones. En su lugar, dijo que el tiempo era una propiedad del universo que Dios había creado y que el tiempo no existía con anterioridad al principio del universo “ En 1929 el astrónomo Hubble, observó que por doquier las galaxias distantes están alejándose. Es decir, que el universo se está expandiendo, lo cual significa que antes los objetos del espacio estaban más cercanos entre si. Los estudios de Hubble- refiere Hawking - sugerían que hubo un tiempo llamado el Big-bang (Gran explosión o Explosión primordial) en que el universo era infinitamente pequeño e infinitamente denso. En esas condiciones, agrega Hawking todo lo que hoy domina la ciencia y cualquier capacidad de predicción del futuro carecen de validez. Así, para Hawking, uno podría decir que el tiempo tiene su origen en el Bin-bang, en el sentido de que los tiempos anteriores no estarían definidos. Todo esto Hawking lo fundamenta con la Teoría de la Relatividad general y la Teoría de la Mecánica Cuántica. La relatividad En 1687 Isaac Newton publica sus principios matemáticos, donde expone las tres leyes que rigen el movimiento y sobre todo la existencia de la Ley de la gravedad. Newton nos dice que todo cuerpo atrae a los demás cuerpos con una fuerza proporcional a la masa de cada uno de ellos; que cuanto más separados estén los cuerpos, menos será la fuerza de atracción entre ellos y que la atracción gravitatoria producida por una estrella de una cierta distancia es exactamente la cuarta parte de la que produciría una estrella similar a la mitad de la distancia. Las leyes de newton mostraron que no existen cuerpos en reposo y que el reposo Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 3 se tiene que medir refiriéndolo a otro cuerpo. El tiempo también era absoluto y estaba totalmente separado del espacio. La teoría de Newton perduró intocable durante trescientos años. En 1905 Einstein presentó su Teoría especial de la Relatividad, donde aparece por primera vez la fórmula E=mc2, que expresa que la masa es una forma concentrada de energía (un gramo de masa convertido en energía equivale a 2000 toneladas de gasolina). En 1915 expone ante la Academia Prusiana de ciencias su célebre Teoría General de la Relatividad, según la cual, el espacio es equivalente al tiempo (el tiempo empleado es igual al espacio recorrido). Y la gravedad no era una fuerza más si no la consecuencia de que el espacio se curve, en otras palabras la curvatura del espacio tiempo será tanto mayor cuanto más nos acerquemos a un cuerpo de gran masa. La gravedad deforma el espacio-tiempo y hace que los planetas sigan trayectorias rectas en un espacio curvo (Llamadas geodésicas) y en un espacio curvo, el Universo puede ser finito pero ilimitado (como sucede en una esfera perfecta), con lo que se superaba el problema euclidiano de un Universo plano que debía tener un borde. Así el tiempo, cerca de un objeto de gran masa, transcurre más lentamente. La relatividad acabó con el concepto de tiempo absoluto. En la teoría de Newton si un pulso de luz es enviado de un lugar a otro, observadores diferentes están de acuerdo en el tiempo que duró el viaje (El tiempo es un concepto absoluto) pero discreparán en la distancia recorrida por la luz (el espacio no es un concepto absoluto). En la relatividad todos los observadores coincidirán en la velocidad de la luz, pero discreparan en el tiempo empleado (Una nave espacial que viaje a velocidad próxima a la de la luz tardaría veintiún años, tiempo de la nave, en llegar al centro de la galaxia, situado a 30.000 años : ¡Nadie se acordaría de los astronautas!). El tiempo es relativo y cada observador tendrá su propia medida, dependiendo de donde esté y de la velocidad con que se mueva, estas leyes deben ser válida en cualquier parte del universo de la misma forma que el universo debe presentar el mismo aspecto desde cualquier punto desde donde sea visto (principio isotrópico). La mecánica cuántica Hasta principios de siglo se creyó que el universo era determinista y que debieran existir una conjunto de ideas científicas que permitieran predecir lo que sucedería si se conociere el estado completo del Universo en un momento dado, esta concepción significaba que un cuerpo caliente como una estrella, irradiaría una energía infinita; tal resultado era ridículo y fue refutado por Max Plank en 1900 al sugerir que la luz y otros tipos de onda no se emitían en cantidades arbitrarias, si no en ciertos paquetes que llamó “cuantos“. Aunque en un principio Plank no se Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 4 percató plenamente de la magnitud de su aportación, los trabajos y experimentos posteriores efectuados por muchos otros físicos se encargaron de poner los nuevos descubrimientos a la altura que les correspondía, dándole su status fundamental al principio de cuantización. En 1926 Werner Heisenberg a firmó que para predecir la posición y velocidad de una partícula era necesario medir con precisión su velocidad y posición actual, para lo cual debe emplearse como mínimo, un cuanto de luz; pero este cuanto de luz cambiaría la velocidad de la partícula en una cantidad que no puede ser predicha, lo que provoca que, a una mayor precisión en la medición de la velocidad de la partícula corresponda una menor exactitud en la medida de la velocidad y viceversa. En otras palabras podemos conocer con exactitud la velocidad de la partícula pero no su posición, o su posición no su velocidad. Este fenómeno recibió el nombre de principio de incertidumbre, propiedad ineludible del universo. Por lo tanto es imposible prever los acontecimientos futuros con exactitud, si no se es capaz de medir los actuales (no podríamos averiguar el número del premio mayor de la lotería). Este principio lleva a situaciones aparentemente ilógicas, como la famosa paradoja de Shrödinger: Dentro de una caja hay un gato y una botella con gas venenoso, sobre la que pende un martillo, cuyo mecanismo es controlado por un contador Geiger que mide la disgregación radiactiva de un átomo. Nadie sabe cúando se desintegra el átomo, sólo sabemos que hay un tiempo de semidesintegración. Después de, por ejemplo, un minuto, se desintegrarían la mitad de los átomos existentes. El experimento debe durar también un minuto. Habiendo sólo un átomo, al cabo de un minuto existirá un 50% de posibilidades de que el átomo se haya desintegrado. Según la mecánica cuántica, al final habrán dos mundos con la misma probabilidad: En uno el átomo se desintegra, se rompe la botella y el gato muere. En el otro no pasa nada y el gato vive. El experimentador necesitará abrir la caja para saber el resultado pero en mecánica cuántica eso no es posible: las dos realidades el gato muerto y el gato vivo se superponen y rivalizan entre si. En una discusión, Borh le dijo a Einstein: “Tú crees en Dios, quien juega a los dados y yo en la completa regularidad de lo que objetivamente existe en el mundo, “Eistein se limitó a afirmar que “ Dios no juega a los dados”, Hawkins años después respondería: “Dios no sólo juega a los dados, si no que a veces los arroja donde no pueden verse“ (cierto número de científicos es dado a citar a Dios, pero nada dicen del diablo ¿Existiera el uno sin el otro o el Universo puede prescindir de ambos?). Los experimentos apoyan a la Mecánica Cuántica y gracias a ella tenemos computadoras y televisores a color y de ella dependen la Biología y la Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 5 Química moderna. ¿Un final no Feliz? Acostumbrados a utilizar tres coordenadas del espacio- alto, largo y ancho – Hawking se refiere a “un espacio cuatridimensional” al que denomina espaciotiempo y se refiere a las cuatro coordenadas de un suceso: algo que ocurre en un punto específico del espacio en un instante específico del tiempo, aunque señala que “Es imposible imaginar un espacio cuatridimensional”. “De acuerdo con la Teoría General de la Relatividad afirma Hawking – tuvo que haber un estado de densidad infinita en el pasado, el Bin-bang, que habría constituido un verdadero principio del tiempo. De forma análoga, si el Universo entero se colapsase de nuevo tendría que haber otro estado de densidad infinita en el futuro, el Big-crunch (Gran crujido, o Implosión), que constituiría un final del tiempo, incluso si no se colapsaba de nuevo, habría singularidades en algunas regiones localizadas que se colapsarían para formar agujeros negros”. Hoy es universalmente aceptado que la Tierra y el Sistema Solar mismo, pudieran ser tragados por uno de esos monstruos espaciales que en virtud de su inmensa fuerza gravitatoria no escaparía ni siquiera la luz de ahí el calificativo de “Agujeros negros “. Agujeros negros Una estrella que posea una masa tres veces mayor que la de nuestro sol terminaría sus días sufriendo un colosal colapso gravitacional. Se convertiría en un agujero negro, es decir una concentración tal de materia que nada puede escapar a su atracción gravitatoria. Según la Teoría de la Relatividad, nada viaja más rápido que la luz y si la luz no puede escapar, todo lo que pase cerca del Agujero negro será atraído por su gravedad. El tiempo para el atrapado, habría llegado a su fin. El Agujero negro es una singularidad, un punto del espacio - tiempo donde la curvatura del universo se hace infinita y en una singularidad todas las leyes de la Física se colapsan y es imposible saber que ocurrirá. Teóricamente los agujeros negros pueden ser túneles del tiempo o medios de comunicación con otros universos o utilizarse como medio para viajes interestelares. Podríamos visitar a través de ellos a nuestra novia de juventud o conocer a los dinosaurios. En 1965 Hawking, con Roger Penrose, afirmaron que, si se invirtiera el tiempo y el colapso gravitacional se convirtiera en expansión, se probaba que debía haber una singularidad como la del Bin–bang. Sin embargo después de haber introducido la Mecánica Cuántica, ambos investigadores llegaron a la conclusión Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 6 de que pudo no haber ninguna singularidad; que no hubo Big-bang y que el universo pudo iniciarse de otra forma ¿Cuál sería entonces el origen de todo lo que vemos? ¿Qué papel juega el hombre en el cosmos? Esa el la gran búsqueda de la Física Teórica. Pero hay ya teorías para intentar aproximarnos a una respuesta mínimamente satisfactoria, donde Dios no parece hacer falta. Pero también apoyándose en los avances de la Astronomía y la Mecánica Cuántica se cree que es posible que el Universo y el tiempo que tuvieron un principio también tendrá un final, el temido Big–crunch, por cierto aún muy lejano para nosotros y nuestros descendientes. A modo de conclusión La ciencia parece haber descubierto un conjunto de leyes que dentro de los límites establecidos por el principio de incertidumbre, nos dicen cómo evolucionará el Universo en el tiempo si conocemos su estado en un momento cualquiera. Estas leyes pueden haber sido dictadas por Dios, pero parece que él ha dejado evolucionar el Universo desde entonces de acuerdo con ellas, y que él ya no intervine”. ¿Por qué el Universo es como es?, vemos el Universo en la forma que es porque existimos nosotros, vale decir que para que la vida haya podido darse, se necesitaban ciertas condiciones mínimas, que tenían que ser esas y no otras. La fuerza nuclear, fuerte responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos deben tener un gran valor; si hubiera sido un poco más débil, sólo hubiera surgido el átomo de hidrógeno y si hubiera sido mayor, no se habría formado el suficiente hidrógeno tras el Big-bang, como para permitir la formación de estrellas. Asímismo, si la relación entre la fuerza gravitacional (que provoca la condensación de la materia) y la electromagnética (que permite la salida de energía termo-nuclear desde el interior de las estrellas) fuese distinta, sólo se habrían formado estrellas gigantes rojas que consumirían su energía antes de que surgiera la vida, o enanas azules, demasiado frías para permitir el desarrollo de un atmósfera adecuada a la vida. No había mucho para escoger. Este principio parece dar respuesta al porqué nos movemos en un Universo de tres dimensiones espaciales y una temporal, ¿Porque no puede ser un Universo de dos o de diez dimensiones? En un universo bidimensional no podrían surgir seres complicados como nosotros. “Animales bidimensionales en una tierra bidimensional tendrían que trepar unos sobre otros para adelantarse” Si la criatura bidimensional comiera, tendría que vomitar los residuos por el mismo sitio que los tragó, pues un sistema digestivo que atravesara su cuerpo la partiría en dos. Tampoco podría tener más de tres dimensiones espaciales. Si así fuera, la Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 7 atracción gravitatoria se alteraría y las órbitas de los planetas sería inestables, la tierra giraría en espiral, bien alejándose, o bien acercándose al sol, en el primer caso nos helaríamos, en el segundo nos achicharraríamos. Todas estas suposiciones están basadas en el principio antrópico formulado inicialmente en 1938 por Paúl Dirac y retomado en 1961 por Robert Dicke y por el mismo Hawking. Según Hawking, tal vez dentro de poco se descubra la teoría general que explique el origen y destino del universo. Hace un poco más de dos siglos, era posible para un filósofo abarcar todo el conocimiento humano. Hoy es imposible, mas aún, algunos científicos temen que el descubrimiento de las leyes de Universo requiera de matemáticas tan complejas que exceda a la capacidad humana. Refiriéndose al extraordinario avance científico técnico, un filosofo del siglo pasado (XX) exclamó “La única tarea que le queda a la Filosofía es el análisis del lenguaje”, pero si se descubre una teoría completa, ésta dice Hawking, con el tiempo será comprensible para todos y no sólo para un reducido grupo de científicos; entonces seremos capaces de tomar parte en la discusión de por qué existe el Universo y por que existimos nosotros. Si encontrásemos una respuesta a esto, sería el triunfo definitivo de la razón humana, porque entonces conoceríamos el pensamiento de Dios “. Nosotros, por lo pronto, contentémonos con sospechar por dónde va la ciencia, porque para aproximarnos a los umbrales del Universo, o más cerca de nosotros, para incorporarnos al desarrollo moderno, hace falta bastante más que repartir Biblias a los maestros con espíritu medieval. Hacen falta investigaciones, estudio y promoción de la ciencia. Referencias bibliograficas • • • • • • Braun, Eliécer. “Física creativa y recreativa” Einstein, Albert. “La Relatividad” Mook Delo, Vargish Thomas.”La Relatividad ( Espacio Tiempo y Movimiento)” Recopilaciones de artículos científicos. Nuevo Diario. Archivo personal Sánchez Ron, J Manuel. “El origen y desarrollo de la relatividad” V.I.RIDNIK. “Qué es la Mecánica cuántica” Cátedra • Facultad de Educación e Idiomas (UNAN-Managua) • N°12 • enero-julio 2005 8