Patricio Valdés Marín
pvaldesmarin@hotmail.com
El universo tuvo un comienzo en un espacio infinitamente pequeño y con una energía infinitamente grande. Posee una unidad fundamental por origen, lo que condiciona que en toda su amplitud operen las mismas leyes universales. Su dimensión es el espacio que se ha venido expandiendo a la velocidad de la luz desde el instante de su creación, hace unos quince mil millones de años atrás. Su límite es el tiempo presente. La fuerza de gravedad que atrae la masa para formar cuerpos celestes y que los mantiene orbitando proviene de una energía inagotable, producto de la propia expansión del universo.
Big bang.
Expansión.
En la visión cosmológica del universo, en el extremo de mayor magnitud de las escalas, los astrónomos y astrofísicos concluyen a partir de determinadas evidencias que el universo está en expansión. Esta conclusión que ha revolucionado la cosmología del siglo XX lleva a señalar, primero, que si el universo está efectivamente en expansión, debió haber tenido entonces un comienzo, y segundo, que éste debió haber consistido en una gran explosión inicial.
La historia de esta concepción comenzó en 1922. Empleando la teoría general de la relatividad de Einstein, Alexandr Friedmann predijo la posibilidad de una explosión al inicio del universo a partir de un denso núcleo de materia. En 1927, conforme a las ideas matemáticas de Friedmann, el abate Georges Lemaître propuso un modelo para una teoría cosmológica de la expansión del universo, postulando un estado inicial, que él llamó “huevo cósmico”, en el que la materia estaba constreñida en un espacio tan pequeño y denso como ello fuera posible. En 1928, H. P. Robertson midió la luz de las galaxias y encontró que aquellas más lejanas son más rojas, es decir, la longitud de onda de la luz proveniente de estrellas de distantes galaxias es más larga que la de la luz emitida por los mismos átomos en laboratorios terrestres o por estrellas similares (las cefeidas) de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Al año siguiente, Edwin P. Hubble concluyó que el creciente corrimiento al rojo en el espectro de la luz emitida por galaxias cada vez más lejanas es debido al efecto Doppler-Fizeau, lo que significa que, mientras más lejana se encuentre una galaxia, ésta viaja más velozmente, de modo que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a sus distancias. En la década de los años treinta George Gamow acuñó el ahora popular término big bang (la "gran explosión") para designar el inicio explosivo del universo a partir de una ironía del astrónomo Fred Hoyle, quien rechazaba tal teoría.
Evidencias.
En 1963, Maarten Schmidt, de Caltech, estudió el espectro luminoso del cuasar 3C273, radiofuente cuasi estelar que emite enormes cantidades de radiación en toda la gama para su pequeño tamaño relativo (aunque pueden brillar con la luz combinada de 50 a 100 galaxias, cada una conteniendo 100 mil millones de estrellas tan brillantes como el Sol), y concluyó que las líneas de su espectro estaban tan desplazadas hacia el extremo rojo que éste acusaba una velocidad de 40.000 km/s, semejante a las galaxias más veloces, a un 13 por ciento de la velocidad de la luz. Dos años después estudió el espectro del cuasar 3C9 y concluyó por su extremo corrimiento al rojo que se estaba alejando a un 80 por ciento de la velocidad de la luz. Desde entonces miles de cuasares más han sido catalogados, y sus movimientos han sido estudiados. Además, mientras más distante sea el espacio estudiado, los cuasares son más numerosos. Este fenómeno no sólo está corroborando el principio de Hubble que “mientras más lejanos los objetos, se alejan con mayor rapidez”, sino principalmente que la velocidad de estos lejísimos objetos celestes se aproxime a la velocidad de la luz, lo que apunta directamente a conclusiones que analizaremos más adelante. Es posible concluir también que los cuasares son estados iniciales de las galaxias, las que están a distancias menores. En otras palabras, al principio de Hubble se debe agregar que “mientras más lejanos los objetos, son menos evolucionados”.
Otra evidencia más reciente del big bang se basa en la detección de un eco radial de microondas que proviene de todos los confines del espacio, como una homogénea radiación cósmica de fondo, fenómeno que primero Gamow y luego Robert H. Dicke habían pronosticado a partir de la hipótesis de que el universo fue en un tiempo más caliente y más denso, y, por lo tanto, comprimido en un espacio más reducido. La radiación de aquella época habría quedado rebotando por el universo y es ahora captada en forma de ondas de radio de baja energía. En 1964 Arno Penzias y Robert Wilson comprobaron la existencia de la pronosticada radiación cósmica de microondas de fondo y encontraron que indicaba una temperatura promedio de 3 K, cuando el universo tenía 0,1% de su actual dimensión.
Hubble hizo también otra contribución a la cosmología. Observando hacia todas las direcciones del firmamento, las galaxias más distantes parecen estar distribuidas de manera uniforme, como una consecuencia de una expansión uniforme del universo. Se denomina al hecho que el universo es homogéneo a grandes escalas la “constante de Hubble”.
Posteriormente, el equipo del satélite COBE (por Cosmic Background Explorer) de la NASA, que detectaba microondas llegando de los lugares más apartados del universo, comprobó que éstas son extraordinariamente uniformes, lo que ilustra la homogeneidad de las primeras etapas de la evolución del universo. Sin embargo, el satélite descubrió que cuando el universo comenzaba a enfriarse se produjeron zonas del universo con temperaturas algo más altas y zonas con temperaturas algo más bajas. La causa de esta dispar evolución podría ser atribuida a la forma de acción de la mecánica cuántica. Esta circunstancia podría explicar que del desequilibrio inicial pudieran evolucionar posteriormente las estrellas, los racimos de estrellas, las galaxias y los conglomerados de galaxias.
En los últimos años se han estado estudiando supernovas del tipo I. Éstas tienen un brillo intrínseco de forma muy precisa. Una supernova tipo I es una enana blanca que en un momento dado se transforma en una gigantesca bomba termonuclear. Una enana blanca tiene su gas comprimido al del tamaño de la Tierra con una densidad un millón de veces mayor. Si la compresión genera una temperatura elevada dada, se produce la fantástica explosión. Mientras mayor es la estrella, su explosión alcanza mayor duración. Monitoreando la duración de la explosión se puede deducir el brillo inherente con bastante precisión, con lo que se puede determinar su distancia. Calculando su corrimiento al rojo, se puede determinar su velocidad de alejamiento. En una galaxia estalla una supernova cada 300 años. En cualquier sector del firmamento del tamaño aparente de la Luna llena se puede observar con un potente telescopio unas cinco mil galaxias.
También en el último tiempo, el Programa del Campo Ultra Profundo, encabezado por Steven Beckwith de la John Hopkins University, que emplea el telescopio satelital Hubble, ha llegado a observar, tras larga exposición, galaxias a sólo unos 350 mil años del big-bang.
En consecuencia, la mayoría de los astrónomos y cosmólogos están convencidos de que el universo está en expansión. Esta es relativa: se ve igual desde cualquier punto en el espacio, no estando centrada en nosotros.
Edad.
Renombrados científicos estiman que el universo comenzó en un momento dado hace alrededor de diez a veinte mil millones de años atrás y tuvo su origen en un espacio infinitamente pequeño. La edad calculada depende de la manera de medir. Una forma es determinar su tasa de expansión. Si se expande a una velocidad constante, el intervalo de tiempo será la razón entre la distancia entre dos galaxias y su velocidad de separación, que es el recíproco de la constante de Hubble. La primera estimación de Hubble fue de 500 km/s por megaparsec (1 parsec equivale a 3,26 años luz), lo que arrojaba una edad para el universo de sólo dos mil millones de años, contradiciendo la edad estimada de muchas estrellas. En 1974 Allan Sandage, astrónomo de Monte Palomar, realizó una nueva calibración entre la distancia de las galaxias y el corrimiento hacia el rojo y concluyó que la edad del universo es de 16 mil millones de años. Recientemente, algunos astrónomos han llegado a calcular, con datos proporcionados por el telescopio Hubble, que la expansión del universo sería de 71 km/s por megaparsec ± 8, es decir, el universo tendría una edad de unos catorce mil millones de años. Por otra parte, se calcula que las estrellas de los racimos globulares, por la velocidad que queman el combustible nuclear, tienen entre quince a veinte mil millones de años. Desde luego, estas estrellas no pueden ser más viejas que el big bang, por lo que el cálculo de su edad deberá ser afinado. En la actualidad, se calcula que el universo tiene 13,5 mil millones de años.
Gran explosión.
El gigantesco estallido de fuerza con que el universo comenzó a existir, el espacio a expandirse y el tiempo a relacionarlo se denomina, como ya se señaló, “big bang”. Esto quiere decir que antes de ese momento no existía ni el espacio ni el tiempo. Por lo tanto, no debemos imaginar el punto infinitamente pequeño del big bang como rodeado de espacio ni tampoco como subsistiendo en el tiempo. También estos científicos suponen que este espacio infinitamente pequeño contuvo una energía infinitamente grande, originadora de toda la energía y masa existente en el presente en el universo. Esta teoría es la única que puede explicar un número de fenómenos que se han observado, como la velocidad de separación entre las galaxias, las cantidades relativas de cuerpos luminosos, el suave eco de fondo y la evolución general de las estructuras cósmicas.
El big bang tuvo dos efectos: 1. la energía primigenia se condensó en masa y carga eléctrica, las que generaron su propio espacio-tiempo. 2. El universo se expandió, se enfrió, se descomprimió disminuyendo su densidad y se complejificó. En el proceso de expansión del espacio se produjo enfriamiento o, en otras palabras, dispersión de energía.
Se calcula que las partículas fundamentales masivas se condensaron en los primeros brevísimos instantes del universo, cuando éste tenía tan sólo 1 x 10-34 segundos, a partir de fotones muy energizados y de cortísima longitud de onda, pero muy poco antes de que se diferenciaran los otros tres tipos de interacción: nuclear fuerte o corta, electromagnética y nuclear débil. Se calcula también que reproducir experimentalmente este fenómeno requeriría un acelerador de partículas del tamaño de una galaxia. Se estima que no todos los fotones se condensaron. Naturalmente, todos estos cálculos son suposiciones.
Se cree que en un comienzo la densidad fue tan grande que se generó un calor extraordinariamente intenso que imposibilitó toda estructuración ulterior. Debió transcurrir un tiempo para que, a causa de la expansión del universo, la densidad inicial fuera disminuyendo. Se estima que después de una existencia de 300.000 años la temperatura del universo descendió a 3000° K, que es suficientemente baja para que los electrones y protones se combinaran y formaran los primeros átomos de hidrógeno y helio. Posteriormente, cuando la temperatura descendió a los 3° K, el universo se hizo transparente a las emisiones radiomagnéticas, permitiendo la radiación cósmica de microondas de fondo que ha sido detectada.
La forma y el tamaño del universo.
Concepciones distintas.
Antes de la teoría del big bang el universo había sido evidentemente concebido de otras maneras. Muy atrás en la historia quedó aquel universo inmutable, pleno de orden, armonía y belleza que los antiguos griegos imaginaron. Desde luego, esta evolución de la concepción del universo se explica igualmente porque el desarrollo de la Física moderna ha transformado la cosmología. Pero también quedó atrás la noción de la termodinámica del siglo XIX que imaginaba un universo que evoluciona hacia una muerte térmica que pondría fin a toda la historia como resultado de alcanzar un estado entrópico de equilibrio uniforme e inerte. La naturaleza del universo que la ciencia actual reconoce es de carácter activo y diferenciado y no podría sufrir, por lo tanto, tal muerte térmica. Este es el caso de la teoría postulada por Hermann Bond y Thomas Gold en 1948, de una creación continua de materia entre el espacio intergaláctico que se produce por una expansión de universo y que conduce a un universo de un estado estacionario que siempre tendrá una determinada densidad. También quedó en el pasado aquella imagen del universo del eterno retorno como resultado del conflicto dinámico-termodinámico. Últimamente, los cosmólogos hablan de agujeros negros que van succionando irreversiblemente toda la materia de su alrededor, para indicar el término de la evolución del universo. El surgimiento de la teoría del big bang ha sido decisivo para moldear nuestras concepciones actuales.
En estos últimos años se han efectuado nuevos descubrimientos mientras se ha estado escudriñando profundamente en el cosmos con instrumentos muy avanzados, y han sorprendidos a todos. Entre estos descubrimientos se pueden mencionar algunos. En 1998, usando un nuevo instrumento llamado SCUBA, por Arreglo de bolometro submilimétrico de uso común, en inglés, instalado en el telescopio James Clerk Maxwell de 15 metros, ubicado en la cima del Mauna Kea, en Hawaii, investigadores de la Universidad de Hawaii y Japón descubrieron galaxias que parecían estar formando estrellas 10 a 100 veces más rápido que las típicas galaxias visibles. También en 1998, midiendo la intensidad de la luz de supernovas, investigadores del Proyecto Cosmológico de Supernovas encontraron que supernovas muy distantes aparecían 27 por ciento más tenues que lo supuesto. En 2002, después de tres años de juntar información suminstrada por un conjunto formado por 13 antenas de radio, llamado CBI, por Imagen del fondo del cosmos, en inglés, en Chajnantor, una meseta a una altitud de 5080 metros en el norte de Chile, investigadores del Instituto de tecnología de California concluyeron que la luz polarizada, originada 400.000 años después del big bang, mostraba detalles muy finos, como si estuviera amplificada. En estos años, usando el telescopio Hubble, en el programa HUDF, por Campo ultra profundo de Hubble, en inglés, astrónomos del Instituto de ciencias del telescopio espacial han estado exponiendo segmentos muy pequeños del espacio a exposiciones de un millón de segundos de duración con el propósito de captar cualquier fotón lejano, revelando los primeros objetos en emerger poco después del big bang.
En la ausencia de una teoría comprehensiva para enmarcar la investigación de las profundidades del universo estos fenómenos descubiertos recientemente han conducido a explicaciones extravagantes, tal como la expansión acelerada del universo y la energía oscura, amenazando con destruir teorías aceptadas por mucho tiempo e ideas bien fundamentadas, tal como las ideas de materia y energía y la validez universal de las leyes naturales. Por tanto, en un intento de entender sus causas reales y su verdadera significación, y de encontrar un modo de mantener el cuerpo del conocimiento científico erguido, deseo proponer en las páginas que siguen una nueva teoría del universo como alternativa de aquella que se apoya en la teoría general de la relatividad de Einstein, puesto que ésta no es suficiente para ofrecer una explicación plausible y eliminar las contradicciones que han surgido por estos recientes descubrimientos. De hecho, más que una explicación a estos fenómenos, esta teoría está mejor sostenida por los mismos. Se vincula más con la geometría y su relación con dos teorías: la teoría especial de la relatividad de Einstein que establece que “a la velocidad de la luz la masa es infinita, el tiempo se detiene y el espacio se acorta a cero”, y el principio de Hubble de la expansión del universo que señala que “mientras más lejano, más rápido”.
Ambas teorías requieren sin embargo ser remodeladas por la adición de un corolario a cada una de ellas. Así, pues, es necesario cambiar la conclusión de la contracción de Fitzgerald que “el espacio se acorta a cero” a la siguiente idea: cercana a la velocidad de la luz no es la extensión del objeto como un todo que se va acortando a cero, sino sólo una de sus tres dimensiones, la dimensión específica del objeto que pertenece al eje trazado entre el observador y el objeto mismo. Con el propósito de mantener la simetría, en el mismo grado que el objeto que se aleja del observador a una velocidad cercana a la luz aparece más corto al observador en el eje común a ambos, el plano transversal a este eje debe aparecerle más grande en estas dos dimensiones de lo que es realmente. A la velocidad de la luz, mientras la dimensión del objeto en la dirección del observador le aparece nula, las otras dos dimensiones se agrandan tanto que aparecen envolver al observador.
La ecuación de la contracción de Fitzgerald es L’ = L (1-v²/c²)^(1/2), dónde L es la longitud del cuerpo que se aleja, v es su velocidad de alejamiento, y c es la velocidad de luz. La expresión matemática de este corolario se refiere al hecho que esta ecuación es una de las tres dimensiones de una extensión o volumen que son V = LHW, dónde V es el volumen, H es la altura, y W es el ancho. Así cuando la contracción se vuelve cero porque la velocidad alejamiento del objeto es igual a la velocidad de luz, entonces el producto de las otras dos dimensiones, altura y ancho, se hace infinito.
El corolario a la teoría de Hubble es más simple y probablemente muy conocido, aunque no tan bien entendido. A la afirmación “mientras más rápido, más lejano”, se debe añadir, “más joven”.
La consecuencia lógica de las teorías tanto de Einstein como de Hubble es que, en relación al big bang, el universo se expande a la velocidad de la luz y que su velocidad de expansión es constante, como veremos enseguida. Por tanto, que cualquier otro puede estar desde inmediatamente cercano hasta en el pasado distante, existiendo uno mismo en el tiempo presente. De ahí, el universo puede ser concebido desde sólo dos puntos de vista válidos y que son necesariamente complementarios. Primero, el universo desde el punto de vista del big bang es el de una aparente esfera cuyo centro es el mismo big bang y cuya periferia contiene toda su materia, existiendo en un tiempo presente contemporáneo, y cuyo radio es igual a la velocidad de la luz multiplicada por el tiempo que ha transcurrido entre en big bang y el tiempo presente. Segundo, para cualquier observador el universo es una esfera aparente cuyo centro es el mismo observador y su periferia es el big bang, donde su geometría debe tomar en cuenta por el tiempo y la velocidad de la luz para que su amplia periferia pueda identificarse con un punto sin espacio, que es el big bang. Será el segundo punto de vista que explicará la evidencia para la expansión del universo y la magnificación de cuerpos celestes ultra distantes. Por su parte, el primer punto de vista explica que la velocidad de expansión del universo es la de la luz. Pero será necesario primero efectuar un esfuerzo crítico para entender la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo, y corregir errores ampliamente mantenidos por causa de la teoría general de la relatividad de Einstein.
Espacio-tiempo.
Existen algunas afirmaciones elementales que podemos formular en relación al espacio y el tiempo. La dimensión de estos parámetros está relacionada con la cantidad, ya que ambos pueden ser medidos y ambos pueden ser usados como medidas. El tiempo es una de las medidas del movimiento de la materia. La otra es el espacio. A pesar de que el tiempo puede ser distinguido del espacio, su existencia puede ser entendida sólo en relación a su correlativo. A través del movimiento el tiempo se relaciona con el espacio. Por tanto, el tiempo es lo que demora un cuerpo moverse a una cierta velocidad en el espacio. Un reloj, instrumento analógico que nos da la hora y nos indica el tiempo que va transcurriendo, tiene tal capacidad porque cada uno de sus engranajes gira a velocidad constante, y los espacios cubiertos por cada diente en cada engranaje son similares.
Más aún, la interacción de dos cuerpos crea una distancia. La de tres cuerpos, crea un triángulo que se encuentra en un plano bidimensional. Cuatro cuerpos interactuando y no coincidentes en un mismo plano crean cuatro planos, conformando un espacio tridimensional. En el universo este espacio es común a todas las cosas del universo que se relacionen de alguna manera con los cuerpos mencionados. Esta idea puede aclararse si pensamos en la estructura vial de un país, o en una imagen en nuestro cerebro que requiere la acción de numerosas neuronas ubicadas en distintas lugares de éste.
La velocidad de la luz es la velocidad máxima posible en la interacción de dos cuerpos. Si la velocidad de la luz fuera infinita, el tiempo sería nulo y la interacción entre estructuras sería instantánea. Pero desde Einstein, sabemos que el tiempo absoluto no puede existir en el espacio. Un espacio newtoniano con un marco de referencia absoluto no existe. Puesto que la velocidad máxima de transmisión de los acontecimientos en el espacio –aquello por el cual los acontecimientos se relacionan unos con otros– es la de la luz, la simultaneidad absoluta de los acontecimientos es imposible, o, simplemente, si el marco de referencia absoluta no existe, la relación temporal de los eventos es distinta entre un observador y otro, ambos ubicados en distintos lugares. Algo distinto ocurre con la dimensión espacial. El movimiento allí aparece a distintos tiempos, dependiendo de la ubicación del observador. Entonces el espacio es también una dimensión relativa.
En el universo las cosas se mueven en relación a un observador desde cero hasta la velocidad de la luz. En consecuencia, el espacio y el tiempo son mediciones universales para todo movimiento, y ambos están enmarcados por la velocidad de la luz como su referente absoluto. Puesto que la magnitud del movimiento máximo posible en el universo tiene un límite absoluto, que es la velocidad del fotón, Einstein concluyó que el espacio y el tiempo son relativos, esto es, ambos parámetros son correlativos respecto a este movimiento con valor absoluto. Él introdujo el concepto “espacio-tiempo” como dos parámetros relativos que están relacionados entre sí y que tienen la velocidad de la luz como su referente absoluto.
En el otro extremo de la escala a distancia mínima entre dos cuerpos, de los más pequeños que existen, es el número de Planck. En consecuencia, el espacio y el tiempo no son infinitamente pequeños, como se supone. Comienza a existir a partir de dicha distancia. En el universo existe un límite inferior y un límite superior para la causalidad. El límite inferior es la dimensión del cuanto de energía, dada por la constante de Planck, el cual determina la escala menor para la existencia de la relación causal. El límite superior para esta relación se refiere a la velocidad máxima que puede tener el movimiento, que es la velocidad de la luz.
Lo que subyace al movimiento es el cambio, el que está en el origen del movimiento. Éste es su lado visible y mensurable. De este modo, ambos –el espacio y el tiempo– son las medidas de la extensión y de la duración de un proceso. En ambos casos el espacio y el tiempo miden una causa en relación a su efecto. Por una parte el espacio mide la distancia entre una causa y su efecto y el cambio operado por ambos. Por la otra el tiempo mide lo que demora una causa afectar un efecto y cuanto demora un cambio mientras ocurre. En este segundo sentido la duración puede durar un instante breve, o puede durar mucho más. Cuando el cambio se mide a través de la relación causal, el tiempo se vuelve irreversible, porque existe gasto de energía, generación de fuerza y estructuración de algo. Sin embargo, el espacio permite que un cuerpo pueda retornar las veces que se quiera a un mismo punto, como el pistón dentro del cilindro de un motor.
La medida del tiempo es dada por la tasa de cambio de un proceso, la cual está determinada por leyes naturales. La cantidad de agua que ebulle a presión atmosférica está en relación directa con la energía que ingresa al sistema. Este tiempo es por tanto absoluto. Este mismo tiempo se relativiza para un observador cuando se introduce el parámetro de velocidad entre el observador y aquello que observa. Si el observador se aleja del caldero en ebullición a velocidades cercanas a la de la luz, podrá observar que el tiempo de ebullición se hace más lento.
El razonamiento anterior apunta al hecho que la existencia de tanto el espacio como el tiempo depende de la interacción de los cuerpos, que es la base del cambio. El siguiente paso de este razonamiento es que ni el espacio ni el tiempo preexisten a las cosas. El pensamiento de que tanto el tiempo como el espacio tienen una naturaleza anterior a las cosas proviene desde Kant, cuando definió el tiempo y el espacio como intuiciones sensibles a priori. Por el contrario, si afirmamos que la materia y la energía se identifican con todas las cosas del universo, ni el espacio ni el tiempo pueden existir independientemente, sino que sus existencias dependen de las existencia de la materia y la energía. El espacio y el tiempo no sólo dependen de la materia y la energía, sino que son posteriores temporal y naturalmente. El tiempo es la tasa a la cual la energía se transfiere.
Podemos perfectamente imaginar que en el primer instante, al principio del tiempo, y cuando el espacio ni siquiera estaba comprimido en lo infinitamente pequeño, estuvo sólo la energía, infinitamente grande. Entonces no había ni espacio ni tiempo. A partir de este primer instante, en lo que se ha venido a denominar el “big bang”, cuando esta energía primigenia comenzó a “condensarse” en estructuras –la masa y la carga eléctrica– que ejercían fuerza a partir de la escala cuántica, fue posible el desarrollo del tiempo y la extensión del espacio. Este desarrollo y esta expansión no fueron ni son ahora independientes de la conversión de la energía en masa y carga eléctrica. Las partículas fundamentales responsables de estas dos propiedades son altamente funcionales y generan sus propios campos espaciales de fuerza dentro de los cuales pueden interactuar causalmente.
La energía primigenia ha ido dando origen a la estructuración ulterior de la materia a partir de su condensación primera en partículas fundamentales en un acto de creación que no tiene término. A partir de la transformación de la energía en partículas fundamentales que crean sus propios campos de fuerza surgió el espacio y el tiempo. De hecho, ambos parámetros se explican por su relación con la fuerza y la estructura. Tanto como la estructuración de la materia conformó el espacio (un espacio es inconcebible si no es parte de una estructura), la funcionalidad de las estructuras que transforma la energía en fuerza hizo posible el tiempo (el tiempo es generado por la relación causal). Tal como la estructura genera el espacio, la fuerza genera, por su parte, el tiempo. Esto es, si la fuerza se define en función de la alteración del movimiento de la materia en el espacio-tiempo, y la materia se define en cuanto estructurada según las coordenadas espaciales, la fuerza deberá definir el tiempo. En esta ecuación la fuerza se desvincula del espacio, pues éste queda anulado al encontrase a ambos lados de dicha ecuación.
A la inversa, esto quiere decir no sólo que el tiempo depende de la fuerza, sino que la fuerza desarrolla el tiempo. Más arriba vimos que la energía es anterior a la fuerza. La energía que emana de una causa es siempre tiempo futuro, potencialidad. Cuando entra el parámetro espacial, la energía, mediatizada por la complementariedad fuerza-estructura, se vuelve fuerza y el tiempo sufre desarrollo. Esta idea es comprensible si se piensa que la fuerza, que porta energía especificada o diferenciada, es el necesario nexo interestructural entre la causa y su efecto; es el punto de encuentro entre la estructura causa y la estructura efecto. Para que ocurra un efecto es necesario que la causa sea mediatizada por una fuerza si acaso se identifican tanto la causa como el efecto con estructuras funcionales. En la relación causal la causa genera una fuerza que el efecto consume y, en esta acción, ambos son modificados de alguna manera. Sintetizando, la fuerza genera la relación causal al actualizar el traspaso de energía.
Ahora bien, puesto que en toda relación causal se produce una secuencia temporal, la fuerza es aquello que se interpone entre el “antes” y el “después” de tal acontecimiento; ella constituye el “ahora” del acontecimiento para modificar irreversiblemente la estructura. En todo cambio hay traspaso de energía de acuerdo a la primera ley de la termodinámica; todo cambio es irreversible, según su segunda ley. Por lo tanto, podemos subrayar que la fuerza genera el devenir y desarrolla el tiempo. Un solo acontecimiento, una sola relación causa-efecto, no logra decirnos mucho acerca del espacio-tiempo: tan sólo que un acontecimiento separa un antes de un después en algún lugar. La dimensión espacio-temporal es el conjunto de los múltiples acontecimientos particulares que están sucesivamente relacionados porque se van actualizando en un tiempo determinado, que es el presente para un determinado lugar del espacio. Pero ella no puede ser únicamente lineal, ni tampoco unidimensional. El tiempo no es independiente del espacio, pues la sucesión de acontecimientos no se da únicamente en un punto espacial, sino que abarca un tejido interdependiente de distintos acontecimientos cuya correlación es asunto de la posición en el espacio no sólo del observador, que es un referente particular, sino del big bang, que es el referente absoluto de todo el universo. El universo es el conjunto de las interrelaciones causales que tiene su origen en el big bang. Y a causa de este origen común, aquél tiene unidad y sus leyes naturales se cumplen en todo tiempo y lugar.
He mostrado más arriba que el espacio es propio de la estructura, y el tiempo, de la fuerza. Entonces, nuestro universo no es el campo espacio-temporal donde juegan fuerzas y estructuras, sino que el juego mismo es el espacio-tiempo desarrollado por la interacción fuerza-estructura. Si su origen primigenio fue una energía infinita contenida en un no-espacio, su evolución en el curso del tiempo ha seguido el transcurso de una continua y cada vez más compleja estructuración, la cual ha ido desarrollado el espacio.
Vivimos en una época cuando está de moda la visión cosmológica construida en torno a la teoría general de la relatividad de Einstein. El mundo científico siente un gran aprecio por esta teoría y, en cierto sentido, adapta los resultados de las observaciones y experimentaciones para no contradecirla. Lo que es completamente real es que existe una absoluta contradicción entre lo expuesto más arriba y esta teoría.
Tiempo presente.
Como se puede concluir de la teoría del big bang, el universo se originó en un punto y desde entonces se ha venido expandiendo. Pero de ninguna manera se puede inferir que el mismo pueda tener la forma de una esfera en expansión ni que ésta pueda tener un centro, aunque ya, en el siglo XV, Nicolás de Cusa lo hubiera descrito alegóricamente, pero con un cierto acierto, como veremos, como una esfera cuyo centro está en todas partes y su periferia en ninguna. Me parece que es posible reformular nuestra concepción de la forma del universo si imponemos las conclusiones lógicas de la teoría de la relatividad especial (y no las de la relatividad general, como los cosmólogos corrientemente hacen) a la teoría del big bang. Previamente debemos aceptar, primero, el principio de que el tiempo presente es la actualización de la relación causal; segundo, que la velocidad de expansión del universo es la de la luz, y tercero, puesto que el universo entero tuvo un origen común, las mismas leyes naturales gobiernan todas las relaciones de causa-efecto.
Partiendo de la mutua correlación del espacio-tiempo y de que la velocidad máxima de propagación de la causa es la de la luz, podemos sostener que el único límite del universo no es una dimensión espacial, sino que es el tiempo presente, por lo que la aparente periferia del universo (con centro en el big bang) no es que no está en ninguna parte, como lo expresara Nicolás de Cusa, sino que sería una dimensión temporal. Esto es, si las dimensiones espaciales del universo crecen a la velocidad de la luz, el límite del universo es el tiempo presente para todos y cada uno de los observadores. El tiempo presente pertenece exclusivamente a cada observador en particular.
Un observador existe en el presente. En el presente del observador se actualiza todo efecto que ha tenido un espacio-tiempo para llegar desde su causa originaria en un pasado hasta su propia existencia. Desde el presente se origina toda causa que tendrá un efecto en un futuro que será pasado para el observador. La existencia, problema metafísico fundamental, pertenece en exclusiva al tiempo presente, que es el momento del tiempo cuando una cosa es sujeto de causas y objeto de efectos. En ningún otro momento, sea del pasado o del futuro, una cosa tiene existencia. La relación causal une los momentos del tiempo en el presente del observador.
Si un observador proyectara con su linterna un haz de luz hacia cualquier punto del espacio, en su perspectiva los fotones generados en el foco no se dirigen hacia el futuro, sino hacia el pasado. Por su parte, desde el punto de vista de un objeto que se encuentre en dicho punto del espacio, los mencionados fotones le estarían llegando también desde el pasado. El futuro es una ilusión; pertenece sólo a la energía, la que es pura potencialidad, en términos aristotélicos, mientras no se actualice para producir un cambio. Por ejemplo, si este observador se encontrara en la Tierra y dirigiera su linterna hacia un espejo, perpendicular al haz de luz, instalado en la superficie de la Luna, podría percibir el haz proyectado 2,5 segundos después de emitido, en que la luz tardó la mitad del tiempo en ir y la otra mitad en volver. En otras palabras, la causa tardó 2,5 segundos en llegar al observador.
Lo que estoy diciendo es que absolutamente todo lo que el observador observa se encuentra necesariamente, para él, en el pasado, pues la luz emanada de aquellos objetos tuvo un tiempo para recorrer la distancia y llegar al observador. Por lo tanto, mientras más lejos se encuentre un objeto del observador, más en el pasado existe respecto a éste, siendo dicho tiempo igual a la distancia dividida por la velocidad de la luz (si fuera la luz la portadora de la señal del objeto). Para un observador en la Tierra el Sol se encuentra a 8,3 minutos en el pasado y Sirio a 8,8 años. Y lo que es válido para nosotros, como observadores, lo es para cualquier otro observador del universo. Todo aquello que existe dentro de la aparente esfera del universo cuyo centro es el observador, excepto por el observador, en realidad no existe, pues pertenece al pasado. Lo que el observador observa en su presente existencial son los efectos de sucesos que ocurrieron en un pasado más o menos remoto. Lo que el observador percibe son los efectos de causas pretéritas.
La noción “tiempo pasado” tiene dos significados muy distintos. Decimos que una causa, como la luz de una estrella, proviene del pasado. También decimos que un efecto, que es una causa ya gastada, se va al pasado, tal como los hechos relatados en un libro de historia. Por lo tanto, tanto la causa como el efecto se juntan en el tiempo presente, el primero viniendo del pasado, y el segundo yéndose al pasado de modo irreversible.
Si sólo cada observador existe en el presente y todo lo que hay en el universo para cada cual existe más o menos en el pasado, nada puede existir en el futuro. En consecuencia, el conocimiento del futuro es imposible. También es imposible conocer las galaxias tal como existen contemporáneamente. La contemporaneidad es una ilusión de un espacio y un tiempo euclidiano, pues supone que la relación causal puede ser instantánea. Una causa existente en el presente se proyecta hacia el futuro. Pero para un efecto en el presente, la causa proviene del pasado. El tiempo presente, que es acción, separa el pasado de la causalidad que se actualiza del futuro hacia donde se proyecta el accionar. Del futuro se sabe con certeza sólo dos cosas: que llegará a ser presente en algún momento y que regirán las mismas leyes universales.
Luego, la distancia entre nuestra posición de observadores nos coloca a una distancia máxima del origen del universo, pues viajamos necesariamente a la velocidad de la luz con respecto al big bang y estamos en el tiempo presente. En consecuencia, siguiendo el principio de Hubble, “mientras más lejano se encuentre un objeto del observador, a mayor velocidad se irá alejando”, el límite absoluto de la velocidad de alejamiento es la de la luz.
Si el parámetro absoluto de nuestro universo es la velocidad de la luz, el espacio que media entre el big bang y el aquí y ahora nuestro es el resultado de multiplicar la velocidad de la luz por el tiempo que suponemos que ésta ha venido viajando desde el big bang. Y el tiempo del ahora nuestro es lo que ha tardado la luz en viajar a la velocidad de la luz desde el comienzo, en el big bang. Sin embargo, este espacio no tiene existencia permanente, pues no puede ser recorrido nuevamente por un haz de luz que volviera al big bang y retornara. No alcanzaría el tiempo. Dicho espacio existió y fue real únicamente mientras la luz lo recorrió. Nuestra experiencia cotidiana nos hace concebir el espacio como algo dado, anterior a las cosas. Recorremos diariamente el mismo espacio para ir del hogar al trabajo y viceversa. En la escala cósmica el viaje entre una galaxia y otra sigue una ruta que sirve para esa ocasión, aunque se viaje montado en un fotón. Un continuo espacio-temporal, preexistente, permanente y curvado en función de la presencia de masa no tiene sentido en un universo que se expande a la velocidad de la luz. Fundamentalmente, las dos funciones distintas de la masa, la inercia y la gravedad, no son idénticas, como la teoría general de la relatividad propone.
Nuestro existir en un universo que percibimos como euclidiano no nos dificulta imaginar algo distinto. Tal como de Cusa alegorizaba, el universo tiene aparentemente su centro por toda su periferia, porque por toda ésta existen posibles observadores. Sin embargo, Einstein sugirió que aquél, aunque finito, es ilimitado a consecuencia de su curvatura semejante a una esfera, producto de la concentración de masa que produciría alteraciones en la relación espacio-tiempo. Pero las ideas de este gran sabio son susceptibles de ser revisadas. Así, la idea einsteiniana de que el tiempo se acorta cuando se viaja a grandes velocidades es cierto, pero desde el punto de vista del observador y sólo cuando el objeto observado se aleja. Pero, contrariamente a las conclusiones que se llegan corrientemente a partir del postulado de Einstein, el tiempo en el extraordinariamente veloz objeto vuelve a alargarse desde el punto de vista de este observador cuando dicho objeto retorna acercándose, de modo que si un viajero que lo tripulara llevara un cronómetro, al retornar, su hora sería idéntica al cronómetro que tiene nuestro observador cuando se vuelven a juntar.
Este fenómeno tiene una explicación. El viajero se está dirigiendo hacia el pasado desde el punto de vista del observador; y se estaría retirando más hacia el pasado si se alejara a velocidades mayores. Pero cuando retorna, se acerca al presente del observador. Existe una demostración de que los cronómetros deben marcar la misma hora cuando nuestro observador se vuelve a encontrar con el viajero. Desde el punto de vista de este viajero, quien efectivamente se mueve a grandes velocidades, primero alejándose hacia el pasado para luego retornar al presente, él es también un observador que siempre ha estado viviendo su propio presente. Ciertamente, al ir y retornar el viajero ha sufrido ambas veces una aceleración para alcanzar la velocidad de crucero y una desaceleración hasta su detención (con respecto a nuestro observador). Y cada vez él habría estado absorbiendo y cediendo respectivamente la misma cantidad de energía. Pero el aumento de masa para alcanzar grandes velocidades se compensa exactamente con la disminución recíproca de masa por disminución de la velocidad. El principio físico de la simetría se mantiene. Debe tenerse presente que el aumento de masa y su disminución son medidas relativas a nuestro primer observador.
De este modo, la experiencia temporal para ambos, el observador y el viajero, han sido idénticas, en cuanto ambos han estado viviendo en su propio presente, donde ocurren los fenómenos físicos al ritmo impuesto por las leyes naturales, mientras observaban al otro alejarse hacia el pasado. En consecuencia, al reunirse ambos en un presente compartido sus cronómetros deberán marcar también idéntica hora. Los experimentos efectuados utilizando relojes atómicos para probar lo contrario no han sido concluyentes, habiendo existido probablemente un cierto entusiasmo subjetivo al evaluar los resultados. El tiempo presente no tiene cualquier marco de referencia. Por el contrario, se refiere al big bang, como veremos más adelante. Para ambos el big bang es el marco absoluto de referencia, lo que contradice lo que Einstein aseveró.
Otro ejemplo puede complementar al anterior. Si un observador deseara viajar a alguna estrella, que sabemos que existe en el pasado respecto a este viajero, él no estaría viajando empero hacia el pasado, sino que lo haría hacia el futuro. Durante este viaje, que podría durar por algún tiempo bastante prolongado, aunque hiciera el viaje a una velocidad cercana a la luz, el observador estaría existiendo siempre en el presente y, por tanto, estaría envejeciendo en el transcurso de su periplo. Sin embargo, en la medida que se acercara a la estrella, observaría a través del telescopio que porta su nave espacial que la estrella evoluciona y envejece mucho más rápidamente que él mismo. A medida que la nave espacial acelerara su velocidad, el color de la estrella iría sufriendo un mayor corrimiento hacia el violeta y su envejecimiento, en la perspectiva del viajero, sería proporcionalmente mayor. La estrella, que se encontraba a una cantidad de años luz en el pasado respecto al observador, debería evolucionar en el tiempo hasta quedar en el mismo presente que éste cuando éste acabara por posarse sobre su superficie. La estrella haría envejecido el tiempo medido en años luz que la distanciaba inicialmente del viajero, más el tiempo que tardó el viaje. El viajero habría sólo envejecido el tiempo que duró su viaje.
Si el viajero comandara su nave espacial siempre en dirección a la estrella, no se desplazaría en línea recta, sino que iría siguiendo una trayectoria curva, y no sería precisamente gracias a la presencia de masa, como indica la teoría general de la relatividad. A diferencia de los fotones que la estrella va generando, que, desde su propio punto de vista, se desplazan en línea recta y que van siendo interceptados por los ojos del viajero, éste debe ir corrigiendo permanentemente el rumbo de su nave en pos de la estrella que se va desplazando en una trayectoria que está en un ángulo con la dirección de la nave. Mientras más lejana se encontrara la estrella, mayor velocidad demandaría el viaje para poder alcanzarla en un universo en expansión.
Expansión a la velocidad de la luz.
El punto que debe ser discutido ahora es su velocidad de expansión. Podemos suponer que el big bang explosionó la materia del universo hacia todas direcciones, creando un espacio tridimensional que se expande para siempre a la velocidad constante de la luz. En esta perspectiva, ninguno de sus puntos puede moverse desde su centro común en el big bang ni entre ellos a una velocidad superior que la velocidad de la luz, la que, como todos sabemos, es la velocidad máxima posible. Por lo tanto, si dos cuerpos de esta aparente esfera ocuparan los extremos de un diámetro cuyo centro fuera el big bang, no podrían moverse el uno del otro al doble de la velocidad de la luz. No sólo no podrían verse mutuamente, sino que las masas de sus cuerpos, desde el punto de vista de cada cual, tendrían una energía el doble infinito, lo que es imposible.
Sin embargo, desde el punto de vista de cualquier observador esta contradicción puede ser explicada por un corolario de la ley de Hubble. Tan cierto como que “mientras más distante, más rápido,” es el principio “mientras más distante, más joven”. Este cuerpo casi diametralmente opuesto en el espacio nos es perceptible, como observadores, justamente porque es muy joven con relación al big bang. El espacio-tiempo prefiere alterar su propia relación, alargando el espacio y acortando el tiempo, si acaso el valor absoluto de la velocidad de la luz debe ser mantenido. En otras palabras, podemos ser observadores del universo entero, pero aquellos cuerpos que se alejan de nosotros a altas velocidades son al mismo tiempo muy jóvenes. Contemporáneamente, ahora estarían en lugares opuestos del universo. Simplemente, no podemos verlos más cercanos a nuestro propio tiempo presente. En consecuencia, podemos deducir dos conclusiones: primero, podemos ser observadores de la totalidad del universo, y segundo, lo que observamos en cualquier momento es un cuadro instantáneo del universo, pero donde la edad de cualquier cuerpo depende de su distancia en relación al big bang.
Con el propósito de imaginar un universo cuyo comienzo es el big bang y cuyo límite es el tiempo presente, podríamos representarlo también como una elipse, estando consciente no obstante de que se trata de una pobre imagen, como es dable suponer con nuestra limitada geometría. El tiempo valdría por una dimensión, en tanto que las tres dimensiones espaciales estarían representadas por la otra dimensión de esta figura geométrica bidimensional. Uno de sus focos sería el big bang, el otro, el aquí y ahora del observador; desde luego el aquí y ahora de cualquier otro punto sería el foco para tal punto. Cualquier punto del espacio que esté bajo el escrutinio del observador instalado en el foco del aquí y ahora estaría ubicado dentro del perímetro de dicha elipse, siendo los puntos de su perímetro aquellos que podemos observar visualmente y que, por tanto, nos llegan a la velocidad de la luz. Causas que viajaran a menor velocidad que la de la luz provendrían de puntos ubicados en algún punto del área interior de esta figura geométrica. El radio focal que parte del big bang a un punto dado correspondería a la distancia recorrida por el punto, a la velocidad de la luz, desde el big bang. El radio focal que parte de dicho punto hacia el observador sería la distancia recorrida por la velocidad de la luz entre dicho punto y el observador. El radio focal que conecta este punto con el observador sería la distancia cubierta por la luz entre este punto y el observador. No obstante, para que esta representación sea aún más fiel a una realidad que supone que la distancia máxima es la que existe entre el big bang y el observador, deberíamos concebirla con ambos focos ocupando sendos puntos opuestos del perímetro de una alargada elipse. Mientras el foco del big bang se encuentra en el principio del tiempo, el foco del observador está en el tiempo presente. De este modo, mientras los puntos más cercanos al big bang están para el observador en el pasado más remoto, los puntos más cercanos a sí mismo se encuentran en el pasado más inmediato.
Si la velocidad de expansión del universo es la de la luz, entonces esta velocidad debe ser constante, ya que esta velocidad es constante. De ninguna manera la velocidad de un cuerpo que se alejara del big bang podría tener una velocidad superior a la de la expansión del universo, que es la de la luz, como se puede suponer en la teoría inflacionaria, propuesta en 1984 por algunos cosmólogos. Ésta postula que el temprano universo estuvo sujeto a un periodo con una expansión muy rápida, separando a dos cuerpos independientes a velocidades mayores que la de la luz, en franca violación de la teoría especial de la relatividad de Einstein, aunque los proponentes de esta novedosa teoría hayan expresado que no son los cuerpos los que se apartan entre sí a tan altas velocidades, sino que el espacio que los circundaba es el que se expansiona a tales velocidades, según su teoría general de relatividad. Pero esta explicación resulta un absurdo, pues, como vimos en el capítulo 2, el espacio no es una entidad preexistente e independiente de la materia, ni tampoco del tiempo.
Por otra parte, tampoco podríamos afirmar que los cuerpos puedan alejarse del centro de la aparente esfera a una velocidad menor que la de la luz. Si el universo se estuviera expandiendo a una velocidad menor que la de la luz, no se podría explicar la enorme velocidad de alejamiento de los cuasares. Podemos deducir que más allá, a una distancia de alrededor de quince mil millones de años luz, que sería la frontera del universo, desde nuestro punto de vista como observadores, cualquier objeto se estaría alejando de nosotros a la velocidad de la luz, que es como decir que mientras más lejos, más rápido, hasta que en el big bang la velocidad es c.
Ningún observador puede ser testigo del big bang. Tampoco esta explosión primordial puede afectarlo nueva o continuamente. Además sería posible observar el comienzo del universo si enfocáramos el potente telescopio hacia el supuesto punto donde aquél se originó. Y si fuera posible observar el comienzo del universo, los energéticos fotones emanados de allí estarían todavía afectándonos a nosotros, como también al resto del universo, en un permanente acto instantáneo de creación que no tendría fin. Del mismo modo, si la expansión del universo fuera más lenta que la velocidad de la luz, el efecto del big bang habría sobrepasando los límites del universo, creando un universo distinto, puesto que una proporción de la energía inicial estaría formando este otro universo ajeno. La conclusión de que el universo se expande a la velocidad constante de la luz debiera terminar con aquella discusión cosmológica acerca de si esta expansión se está acelerando o se está desacelerando. Si la velocidad de expansión del universo es la de la luz, la expansión debe ser constante, puesto que la velocidad de la luz es constante.
A partir de 1998, algunos cosmólogos han ofrecido evidencia que la expansión del universo ha venido acelerándose. Para explicar este fenómeno, otros han recurrido a la idea que la velocidad de la luz ha ido aumentando con el tiempo. Otros más han postulado que la fuerza de gravedad universal ha ido sufriendo una disminución. Me parece que estas explicaciones son demasiado forzadas, necesitando alterar las leyes universales. Más adelante, antes de terminar con esta sección, daré una explicación a este enigma.
En fin, una esfera es un cuerpo geométrico que posee un volumen en medio de un espacio, mientras que el universo no existe con un espacio externo a sí. No es posible suponer algo más allá del límite del universo, pues no tendría ni espacio ni tiempo, habida cuenta que estos dos parámetros se desarrollan con la expansión del universo. Lógicamente, más allá del límite del espacio-tiempo tampoco existe la causalidad, característica propia del universo que conocemos y del cual formamos parte, y que, además, se van desarrollando junto con su expansión. Como señalé más arriba, ningún observador puede observar el universo desde “fuera”. Todo observador es parte del universo.
Puesto que la velocidad de la luz impone un límite para la propagación de la relación causal, no pudiendo existir efectos que sean observados en forma simultánea por distintos observadores, deberá en cosmología hablarse de "el observador" para referirse a un sólo punto de vista o punto de referencia de los infinitos puntos de vistas posibles. Nuevamente, el concepto “el observador” es crucial para entender el Universo y sus características, tales como espacio-tiempo, tiempo presente y relación de causa-efecto.
Tal como Einstein indica en su teoría general de la relatividad, el universo no tiene aparentemente un marco absoluto de referencia. Además, Copérnico desplazó a la Tierra como centro del universo. Sin embargo, la presente teoría vuelve a colocar a cada uno de nosotros en el centro mismo del universo, siendo el otro centro el big bang. La totalidad del espacio-tiempo del universo se encuentra entre dos polos: el big bang, como origen de todo el universo y como pasado absoluto, y el tiempo presente de cada observador, como efecto de causalidades, las que se ubican necesariamente en el pasado. Por lo tanto, contrariamente a la opinión de Einstein, el universo tiene dos puntos absolutos de referencia. El big bang es el punto absoluto para todos en el universo, y el observador es el punto absoluto para sí mismo. Como no es posible observar el universo desde afuera del mismo, todo observador existe dentro del universo, y el universo él lo observa desde su propio tiempo presente.
El big bang como centro del universo.
Como propuse más arriba, el universo puede ser imaginado como una esfera aparente cuyo centro fue el big bang y cuya periferia, creada por la materia en expansión, es lo que toda partícula de esta materia ocupa en el presente de cada partícula. Nuevamente, la periferia de esta aparente esfera cuyo centro es el big bang no tiene un límite espacial, sino uno temporal. El universo entero, incluyendo la materia y el espacio, sería identificado con una periferia que existe en el tiempo presente y que se expande a la velocidad de la luz de su centro en el big bang, apuntando a su causa última para su existencia en el big bang. La noción del big bang significa que el universo tuvo un origen en un punto espacio-temporal infinitamente pequeño, cuando aún no existía ni espacio ni tiempo, pues éste no se había expandido aún. Su expansión tiene la velocidad de la luz y por cada segundo que pasa el universo se expande otros 300.000 kilómetros más. La periferia del universo de esta nueva aparente esfera que tiene ahora como centro el big bang es el tiempo presente, y el radio es la distancia que la luz recorre en cerca de quince mil millones de años.
Si nosotros, o cualquier otra parte del universo, estuviéramos a una distancia mayor que la referida, significaría que nos encontraríamos viajando a una velocidad mayor que la de la luz y los efectos del big bang no nos habría podido alcanzar. También, si nosotros, o cualquier otra parte del universo, estuviéramos a una distancia menor, no habríamos sufrido ningún efecto del big bang, puesto que su acción, que se desplaza a la velocidad de la luz, se nos habría adelantado.
Un universo como una esfera cuyo centro es el big bang, no podemos suponerlo ciertamente que tendría la misma apariencia que el que nosotros podemos observar. Podemos imaginar su geometría como una metáfora, y ciertamente jamás podríamos observarla. Sería este universo una esfera que tiene al big-bang en su centro, y al lugar donde se encuentra la materia su periferia. La imagen geométrica sería la de un globo cuyo radio se va inflando a la velocidad de la luz. En esta imagen, la parte del universo correspondiente al presente y a la materia sería efectivamente el plano curvo de la periferia que contendría dos de las dimensiones espaciales y que existiría en el tiempo presente. Se asemejaría mucho a la membrana de latex del globo, excepto que no podría tener espesor alguno, puesto que todos sus puntos estarían a una misma y exacta distancia de su centro común en el big bang.
En otras palabras, la periferia de esta extraña esfera cuyo centro es el big bang no puede considerar cuerpos celestes ni esféricos ni orbitando entre sí, tal como los podemos observar, pues ella no podría contener en conjunto las tres dimensiones espaciales. Una de las dimensiones espaciales sería necesariamente el mismo creciente radio desde el big bang en común hasta cada punto de la periferia considerado.
Todo lo que un observador en cualquier punto de la periferia podría observar serían todos los otros puntos de esta periferia, pero que necesariamente quedarían en momentos mas o menos en el pasado, cuanto el globo estaba menos inflado. El punto de su antípoda estaría tan atrás en el pasado como el mismo instante en que ocurrió el big bang. De cualquier modo no sería observable, pues estaría sumido en la densidad opaca del comienzo del universo hasta sus doscientos mil años de vida. De manera similar, un punto vecino se encontraría en un tiempo pasado bastante menor, a sólo ocho minutos en el caso del Sol.
Otra conclusión decisiva que se puede derivar de la idea de un globo que se va inflando es que su membrana material va perdiendo proporcionalmente densidad. Este hecho tiene especial relevancia en la explicación de la fuerza de gravedad, como podremos apreciar en la próxima sección.
Del mismo modo, nuestra geometría es incapaz de describir el universo que podría ser observado desde el big bang en esta imagen de una esfera que lo tuviera como su centro. Pero podríamos aseverar desde el punto de vista de la teoría especial que el tiempo para el observador instalado en el big bang se habría alargado tanto que no habría transcurrido ni una mínima fracción de segundo desde el comienzo del universo, y la distancia se habría reducido a cero, como si el big bang fuera la base de un tronco que sostiene la inmensidad del universo y que le confiere unidad mediante una gigantesca relación de causa-efecto. Además, su propia manifestación estaría presente en todo el universo.
El observador como centro del universo.
Para cualquier observador el universo tendría aparentemente la forma de una esfera en la que él se encontraría en su mismo centro. Hacia donde el observador dirigiera su mirada sobre el horizonte terrestre y en noche despejada, podría ver estrellas y más estrellas. De hecho, tradicionalmente se habla de la bóveda celeste para referirse al firmamento.
Si mediante un potente telescopio este observador dirigiera su mirada hacia el espacio interno de su aparente esfera cuyo radio es la distancia que viaja la luz en, digamos, quince mil millones de años, encontraría cuerpos celestes repartidos por todas partes dentro de este gigantesco volumen. Ciertamente, los cuerpos más cercanos estarían más próximos al observador, mientras que los más distantes estarían más próximos a la periferia, que sería el mismo confín del universo.
Si el universo se expande a la velocidad de la luz, desde la periferia de la aparente esfera no podría llegar ninguna luz al centro ocupado por el observador. La periferia no podría, por lo tanto, ser observada, pues el radio de la aparente esfera tendría la distancia que viaja la luz desde ella al observador en el mismo tiempo que el universo comenzó para nuestro observador.
La principal pregunta es puesto que si el universo tuvo su origen en un punto sin espacio, ¿cómo es posible que dicho punto esté esparcido por toda la aparente superficie, límite del universo, de la esfera celeste cuyo centro es el observador? En otras palabras, si el big bang se produjo en un punto sin magnitud, es decir, sin espacio-tiempo, ¿cómo es que desde la perspectiva del observador el punto originario del universo se identifique con la periferia de una esfera (cuyo valor sería de 4πr², donde el valor de r es la distancia que demora la luz en viajar durante 15 mil millones de años)? Es decir, la aparente paradoja es que la periferia de la gigantesca esfera tenga que identificarse con el punto mismo donde se originó el universo, teniendo que aceptar que el ínfimo punto del big bang está repartido por toda la periferia de la aparente esfera del observador.
La imagen que podría explicar que la periferia de la esfera del universo coincide realmente con el punto de donde el universo surgió podría recurrir a la idea de las celestes esferas homocéntricas de Aristóteles. En efecto, trate de concebir que el centro del universo está ocupado por usted mismo, el observador, y, convencionalmente, a una distancia de un año luz (9,46 billones de kilómetros) como radio imagine una esfera, e imagine una segunda esfera homocéntrica con un radio de dos años luz del observador, y así sucesivamente, tendría usted para todo el universo unas catorce mil millones de esferas homocéntricas, con una separación entre cada esfera sucesiva de un año luz y siendo la última esfera, la externa, el big bang. Las primeras cien mil esferas estarían ocupadas por la Vía Láctea. Andrómeda ocuparía una región de un grupo de las esferas cercanas a la esfera dos millones trescientos mil, y así posteriormente para las demás galaxias.
Aristóteles supuso que las estrellas estaban en una misma esfera, pues no existía aparentemente movimiento entre ellas, pero los planetas visibles poseían sus propias esferas, y no sabía de la existencia de galaxias, que no eran visibles al ojo desnudo. Tampoco supo que el universo estaba en expansión y que cada año que transcurre, se agrega otra esfera, por así decir para seguir con nuestra imagen. Sólo con la teoría especial de la relatividad de Einstein y la teoría de la expansión del universo de Hubble, podemos completar esta imagen. Por último, este filósofo supuso el geocentrismo, es decir, que el centro del universo coincidiría con el centro de la Tierra, a diferencia de la imagen expuesta que pone a cada observador en el centro del universo.
Cuando se habla de la forma y el tamaño de cualquier cosa, la geometría es la ciencia apropiada para visualizarla, pues tiene por objeto el estudio de la extensión. Pero en el caso del universo la geometría resulta insuficiente, ya que se debe considerar también el tiempo y el movimiento a grandes velocidades, aunque al observarlo nos parezca que está estático. Es por ello que la cosmología resulta ser tan compleja y el universo tan difícil de asir. La geometría euclidiana puede funcionar bastante bien para las esferas más cercanas al observador. Pero una geometría es una medición de espacio, no de tiempo. Cuando se introduce el tiempo, ninguna geometría puede describir la realidad.
Cuando se incorpora a la realidad la velocidad de la luz como parámetro absoluto, se produce una simetría del espacio-tiempo por la cual ambos parámetros llegan a ser inversamente proporcionales, alterando toda geometría espacial. Hubble diría que mientras más lejanas las esferas del observador, se alejan más rápidamente. Por ejemplo, la esfera número 12,25 mil millones, estaría alejándose del observador y su propia perspectiva a 262.000 kilómetros por segundo. Para Einstein la distancia de dicha esfera de la que la sigue no sería de 9,46 billones de kilómetros, sino que se habría reducido a 4,8 billones de kilómetros. Del mismo modo, la duración del año habría aumentado inversamente en la misma proporción.
La esfera número 370,000, contando hacia adentro de la última esfera, que es la esfera del big bang, es el límite de nuestro universo observable. Detrás permanece más de la mitad del universo, comprimido en sus etapas más tempranas. Nosotros nunca sabremos cómo ha evolucionado desde entonces en sus catorce mil millones años de edad. Lo único que podemos decir es que su evolución ha seguido las mismas leyes que gobiernan nuestro universo observable.
Nuestra experiencia diaria nos enseña que mientras más distante se encuentre un objeto, nos parecerá que es más pequeño. Pero esta observación es errónea cuando este objeto se aleja a velocidades cercanas a la de la luz. Un efecto muy importante para la observación astronómica de objetos muy lejanos, derivado del corolario a la teoría especial de la relatividad, explicado al inicio de esta sección, es que los objetos cada vez más distantes se nos aparecen con una dimensión cada vez más amplificada, en términos relativos, como si la distancia fuera una lente de magnificación gigantesca. Esta imagen iría aumentando en forma exponencial con el aumento de la distancia. El límite absoluto del aumento de la imagen sería el big bang. Siendo de hecho un punto sin magnitud, para nosotros, si lo pudiéramos observar, su dimensión sería igual al área de la última esfera (es decir, como indiqué más arriba, con un valor de 4 π r², donde el valor de r es la distancia que demora la luz en viajar durante catorce mil millones de años).
La explicación de este corolario es que si quiere guardar la simetría, en la misma medida que, para el observador, los objetos que se desplazan cercanos a la velocidad de la luz se acortan en la dirección al observador, es decir, en el eje compartido por el objeto y el observador, se alargan recíprocamente en el plano transversal a dicho eje, pues si una de las dimensiones aparece más corta, las dos restantes deben aparecerle al observador más largas, haciendo que el objeto aparezca en estas dos dimensiones mucho más grande de lo que realmente es. Por lo tanto, una nueva geometría se requiere para medir el universo. Esta nueva geometría es el resultado de incorporar el corolario expuesto de la teoría general de la relatividad a nuestro espacio tridimensional.
Esta explicación supera distintas explicaciones para dar cuenta de fenómenos observados en los límites del universo, como algún tipo de fuerza gravitacional causado por la presencia de masa que podría distorsionar y amplificar la imagen de objetos muy lejanos, o como nociones como “gravedad repulsiva” causada por tales entidades como “energía oscura”, como muchos cosmólogos lo hacen en la actualidad. El corolario a la teoría especial, expresado más arriba, es suficiente para explicar los fenómenos observados en el Generador de Imágenes del Fondo del Universo (CBI por su sigla en inglés). Resulta importante que el edifico científico pueda permanecer en pie y erguido sin soportes externo que resultan ser innecesarios y forzados. Si se quiere avanzar una teoría a causa de nuevos descubrimientos, no es sano imaginar cualquier cosa que expliquen estos nuevos descubrimientos sin hacer un esfuerzo más crítico y sereno.
Los objetos muy distantes se aparecen a nosotros más grandes de lo que realmente son. Este fenómeno es debido al hecho que estos objetos pertenecen a una área que está cercana el cero del big bang, pero que al mismo tiempo necesita cubrir la periferia de la esfera aparente que envuelve nuestro universo. El corolario a la teoría especial, como expresado anteriormente, es suficiente para explicar fenómenos tales como la radiación cósmica de microondas del fondo del universo (ver sección anterior) muy polarizadas, captadas por el CBI, y después por el WMAP, un satélite de NASA. También este corolario puede explicar perfectamente bien por qué esta radiación nos llega de todas partes del espacio, desde unos 370.000 años después del big bang, época del universo que debe estar envolviendo la mayor parte de nuestro universo. Y la razón de por qué la longitud de onda de esta radiación cósmica se ha estirado en la zona de microondas se explica por la relatividad especial cuando, debido a las velocidades de recesión cercanas a la velocidad de luz, el tiempo se retrasa.
Igual cosa cabe decir en la explicación de por qué explosiones de supernovas muy distantes aparecen al observador menos luminosas de lo esperado. Ciertamente, la expansión del universo se está acelerando. Pero de acuerdo a la teoría expuesta, lo hace sólo en apariencia. La explicación para el hecho que la luz de supernovas lejanas sea más tenue que la de aquellas más cercanas es simple. No tiene nada que ver con la supuesta aceleración de la expansión del universo, sino que, más bien, con el tiempo. Según el principio de Hubble, las supernovas más lejanas se alejan a mayor velocidad que las supernovas cercanas; y según la teoría especial de la relatividad de Einstein, el desarrollo de la explosión de supernovas más lejanas aparecen al observador ser más lentas de lo que realmente son, ya que sus velocidades de alejamiento están más cercanas a la velocidad de la luz que las de supernovas más cercanas. A la distancia del big bang el tiempo simplemente se detiene y esta primigenia explosión deja de tener actividad. El flujo de fotones que viene desde las supernovas más distantes se vuelve menos denso, de manera que su luminosidad aparece más tenue al observador.
Algo similar puede decirse de la materia oscura. Ésta es un componente teórico que ha sido postulado para sumar masa a la masa calculada según la luminosidad de las galaxias. En primer lugar, los astrónomos han evaluado la masa de cúmulos de varios miles de galaxias sumando la masa estimada según la luminosidad de sus galaxias individuales. Después han calculado la velocidad de escape que permitiría que alguna saliera del campo de gravedad del cúmulo y desapareciera en el espacio intergaláctico. Paralelamente han medido la velocidad de las galaxias en este cúmulo. Pero lo que han encontrado realmente es que las velocidades medidas son muy superiores a las de escape calculadas. La conclusión lógica es que el cúmulo debiera disgregarse en relativamente poco tiempo.
La solución a la que han llegado postula una extraña masa que han denominado materia oscura, puesto que no se puede ver, y que los cúmulos debieran contener para aumentar su masa en relación a la masa observable. Sólo una mayor masa podría teóricamente retener todas las galaxias dentro del cúmulo. Una componente oscura, diez o veinte veces más masiva que la componente luminosa, basta para restablecer la situación. Las nuevas velocidades de escape, calculadas considerando este componente teórico, serían ahora superiores a las velocidades medidas. Los cúmulos ya no corren riesgo de dispersarse a través del espacio.
La solución de la nueva teoría del universo desarrollada en este capítulo puede explicar las enormes velocidades de las galaxias en relación a su masa según su luminosidad sin recurrir a la materia oscura. En primer lugar, la luminosidad aparente resulta ser menor que la real por efecto de lo explicado más arriba en relación a las supernovas. En segundo lugar, el aumento aparente de tamaño de una galaxia distante en relación a su tamaño real por razón del efecto “lente” distorsiona su real velocidad dentro del cúmulo. Estos dos efectos son suficientes para explicar los fenómenos observados sin necesidad de recurrir a la bizarra materia oscura.
Estas son las consecuencias de la teoría especial de la relatividad, por la cual a velocidades cercanas a las de la luz la masa tiende a aumentar a infinito, el tiempo tiende a detenerse y el espacio tiende a acortarse a cero. Precisamente, estos fenómenos irían acentuándose de modo exponencial para las esferas que continúan, y se verificarían plenamente para la última esfera, la del big bang. En consecuencia, la dimensión de esta esfera sería igual a cero, es decir, sería un punto sin espacio. Además que su masa sería infinita, y el tiempo se habría detenido, constituyendo una eternidad.
Conclusiones.
Puesto que todo el universo tiene un origen común, las mismas leyes naturales deberían gobernar todas las relaciones causales entre sus cosas. Para la causa instalada en el big bang el universo entero, a pesar de hallarse a unos catorce mil millones de años luz en el pasado, estaría en su propio tiempo presente.
También, si bien para cualquier observador la energía del big bang fue infinita, para el observador instalado en el mismo big bang la masa de cada partícula diminuta del universo en expansión sería infinita. Estas ideas tienen lógicamente una implicancia teológica, pues el observador en el big bang sería alguien, para quien todo el universo, aunque se encuentre a catorce mil millones de años luz de distancia, está en tiempo presente, y su misma manifestación estaría recíprocamente presente en todo el universo.
Gravitación y expansión.
El propósito de esta sección es explicar la ley de gravitación universal de Newton y su causa. Brevemente, el big bang disparó radialmente la masa hacia fuera a la velocidad de la luz. La energía infinita que la masa contiene en relación al big bang se transforma en gravedad porque los cuerpos masivos con fuerza inercial infinita son forzados a separarse unos de otros por efectos angulares, originando recíprocamente la fuerza de gravedad que Newton describió y calculó, mientras la densidad se va perdiendo. El primer principio de la termodinámica se mantiene a través de la simetría gravedad y disminución de la densidad de la materia. La gravedad existe a expensas de la densidad. Por lo tanto, la gravedad puede ser explicada a causa de la expansión del universo a la velocidad de la luz.
Gravedad.
La Física tiene por uno de sus objetivos averiguar cuál es el nexo específicamente gravitacional que explique la acción a distancia de la atracción de los cuerpos, pues Newton únicamente especificó y dimensionó la fuerza de gravedad, pero no describió su modo de actuar ni menos su origen. Él se limitó a observar el movimiento de los astros y a expresar la ley más sencilla y adecuada para describir matemáticamente dicho movimiento, pero no quiso teorizar sobre sus causas. Su visión era radicalmente fenomenológica, rechazando tajantemente cualquier apriorismo. No le importaba comprender las causas de los fenómenos. Intentaremos, en cambio, en los párrafos que siguen llegar a una explicación de la fuerza de gravedad y sus causas.
Algunos científicos han postulado partículas subatómicas que denominan gravitones para dar cuenta de la fuerza de gravedad. Han supuesto que la única forma de transmisión de energía es a través del intercambio de partículas que la contienen. Sin embargo, el problema que deben resolver es que, si bien el intercambio de partículas es un modo de traspasar energía, especialmente en la escala subatómica, durando mientras tiene lugar el intercambio, no logra explicar la atracción gravitatoria que ocurre a grandes distancias e implica grandes cuerpos masivos.
La fuerza de gravedad se ejerce tanto para mantener cohesionados a los cuerpos celestes y no se esparzan por el espacio como para que éstos mantengan sus órbitas en torno a los otros cuerpos. Galileo describió la fuerza como la modificación del movimiento de un cuerpo. Esta fuerza consume energía cada vez que el cuerpo modifica su movimiento. Cabría esperar que, por ejemplo, un planeta, como la Tierra, que al orbitar en torno al Sol va sufriendo una permanente modificación de su movimiento rectilíneo, debiera, en consecuencia, consumir energía en forma permanente.
Ello no ocurre así, pues el Sol también orbita en torno a la Tierra. Ambos cuerpos masivos pasan a formar parte de un sistema rotatorio, como si fueran un mismo cuerpo que gira en torno a su propio eje. Ambos conservan la distancia y la velocidad de rotación gracias al equilibrio que se produce entre la fuerza centrífuga que genera la inercia, producto de sus respectivas masas en movimiento, y la fuerza de gravedad de cada cuerpo, también producto de sus respectivas masas. Este sistema habría que imaginarlo como un gran disco rotatorio cuyo plano contiene tanto los respectivos centros de gravedad como los planos orbitales de ambos cuerpos y cuyo eje estaría, en este caso, muy cerca del centro del Sol, pues su masa es enorme comparada con la de la Tierra (330.000 veces), siendo sus respectivas distancias al eje inversamente proporcionales a sus respectivas masas. Si la distancia entre ambos cuerpos es de 150 millones de kilómetros, el mencionado eje de rotación estaría pasando a menos de 500 kilómetros del centro del Sol, intersectando la recta que une a este astro con su planeta. Una vez que la rotación comienza, la inercia mantiene este movimiento perpetuo tal como el de un giróscopo sin fricción. Sin embargo, ambos cuerpos están unidos mediante un lazo gravitacional invisible, de modo que puedan girar en torno de su propio eje común. Y para mantener este lazo gravitacional unido se requiere algún tipo de energía. Considerando que el Sol, o la Tierra o cualquier otro cuerpo, es parte de sistemas gravitacionales rotatorios con múltiples cuerpos celestes de distintas masas y que están a distancias distintas y variables, su desplazamiento, teniendo como referencia su propio volumen, es de lo más variado, y si se lo quisiera conocer habría que integrar sus órbitas con todos los distintos sistemas.
Una fuente de la energía que es permanentemente usada en el universo proviene de la masa, que es condensación de energía. Esta energía se usa para estructurar la materia. Por ejemplo, en el Sol el hidrógeno que contiene se va transformando permanentemente en helio. La energía utilizada, que entra en el balance de la primera ley de la termodinámica, es la que está contenida en los átomos de hidrógeno. Ella consigue tanto la transmutación de hidrógeno en helio como la irradiación al espacio de grandes cantidades de energía en forma de fotones y partículas cósmicas. La fuerza provista por la propia gravedad del Sol, la cual logra comprimir el gas a tal medida que la temperatura que se alcanza permite la actividad termonuclear para efectuar la transmutación, no consume energía en el proceso, pero para ser ejercida ha requerido primeramente energía.
La fuerza gravitacional, aunque es ejercida de modo permanente, no consume energía, pero para ser ejercida ha requerido poseer primeramente mucha energía. Es como el movimiento inercial perpetuo de un trompo, o de un giróscopo, que no fuera afectado por roce alguno. Sin embargo, para que pueda ser ejercida para mantener los cuerpos tanto unidos como orbitando entre sí requiere de alguna energía exógena bastante especial, entre otras cosas, para generar el impulso inicial. En consecuencia, el problema que debe ser resuelto es acerca del origen de la energía que posibilita que la masa pueda ejercer la fuerza gravitacional.
Gravedad e inercia.
Newton encontró en la masa dos características distintas: gravedad e inercia. Sin embargo, Einstein identificó la fuerza gravitacional con la inercia y expresó esta equivalencia con el conocido ejemplo del ascensor. Una persona que estuviera sobre la superficie de la Tierra tendría el mismo peso relativo que si viajara por el espacio en un ascensor que se desplazara con un movimiento uniformemente acelerado de 1 G (9,8 m/s²).
Pero Einstein también imaginó un rayo de luz que entra a través de un pequeño orificio existente en una pared lateral del ascensor. Cuando incide en la otra pared, el rayo habría tenido un pequeño desplazamiento, pero distingible, que podría ser medido mediante precisos instrumentos, del que se hubiera supuesto si el rayo de luz hubiera sido instantáneo. Este desplazamiento estaría indicando que el rayo de luz se habría curvado a causa del movimiento uniformemente acelerado del ascensor. Puesto que este movimiento del ascensor del caso sería equivalente a la gravitación respecto a la fuerza requerida, la masa, que Newton le atribuyó ser funcionalmente distinta tanto a la gravedad como a la inercia, para Einstein lo que produce es una curvatura del continuo espacio-temporal; y mientras mayor sea la concentración de masa, mayor sería la curvatura de dicho continuo. La gravitación sería una propiedad del espacio y no una fuerza actuante entre cuerpos para mantenerlos unidos. La presencia de masa haría que el espacio se curve, y los cuerpos que se desplazan seguirían la línea de menor resistencia.
Cuando formulaba estas ideas, Einstein no entró en el problema que para mantener un movimiento uniformemente acelerado el ascensor debe consumir energía en forma permanente en proporción a su masa. En otras palabras, el efecto en un objeto de determinada masa posado sobre la superficie terrestre y el efecto del mismo objeto descansando sobre el piso de un ascensor que se desplaza a una velocidad uniformemente acelerada de 1 G son idénticos, pues pesan lo mismo. Sin embargo, las causas en ambos fenómenos son distintas. En el primer caso, la causa es la fuerza gravitacional de la Tierra, en tanto que en el segundo la causa se debe a la fuerza ejercida ya sea por un motor que hace girar un tambor para embobinar un cable con creciente velocidad, ya sea que el ascensor es empujado por un cohete que tenga una fuerza de empuje determinada y constante. En el primer caso, la fuerza actuante es la gravedad, mientras que en el segundo caso, es la fuerza requerida para contrarrestar la resistencia de la inercia.
También, Einstein pensó que el espacio-tiempo tiene una existencia independiente de la materia, y supuso que la masa sólo altera su geometría. Por último, en contra de la opinión de Einstein, aquello que realmente curva el rayo de luz, desde el punto de vista del ascensor, son la velocidad de la luz y el ángulo al que viaja con respecto al ascensor, pero de ninguna manera la masa del ascensor o la del observador. Así, para medir una curva más pronunciada, es necesario que el ascensor viaje a mayor velocidad, pero no resulta de concentrar más masa, porque el mismo fenómeno podría ser observado en un ascensor extra liviano.
De este modo, para la teoría general de la relatividad, la gravedad sería sólo un efecto geométrico (ver capítulo 1). La masa envolvería la estructura del espacio y del tiempo, distorsionando las vías que los objetos siguen. El efecto de la masa sobre el espacio-tiempo sería proporcional a su cantidad. La cantidad de masa conferiría la medida de la deformación espacio-temporal. Para explicar esta curvatura del espacio-tiempo recurrió a la geometría no euclidiana de Riemann que se basa en la definición de la longitud como única invariante en el espacio. Confiadamente, Einstein supuso que la gravitación quedaba explicada por la distorsión del continuo espacio-temporal a causa de la presencia de cuerpos masivos. El grado de curvatura del espacio-tiempo sería proporcional a la intensidad de la aceleración, y ésta sería proporcional al tamaño de algún cuerpo masivo. Recíprocamente, la atracción gravitatoria entre masas se debería al grado de curvatura del espacio-tiempo.
Así, pues, la relatividad general predice que la luz se curvará cuando llegue cerca del Sol. Así que Einstein quedó ciertamente conforme con el experimento realizado en 1919 por Sir Arthur Eddington y que confirmaba aparentemente su teoría. Eddington observó que la posición aparente de las estrellas cerca del borde del Sol parecía estar desplazada durante un eclipse solar, lo que supuestamente sólo podía producirse si la luz de la estrella era curvada cuando pasaba junto al astro. Sin embargo, él creyó que el Sol termina en su superficie y no tomó en cuenta el hecho de que el halo solar no incandescente puede refractar la luz proveniente de una estrella.
Antigravedad.
Si bien para Einstein el origen de la fuerza gravitacional no estaba dentro de sus problemas, lo que sí estaba quedando sin resolver para él era la fuerza que mantenía a los cuerpos masivos aparte unos de otros, sin que colapsaran unos sobre otros.
Después de 1917, Einstein, quien elaboró la teoría de la relatividad general doce años antes de que Hubble demostrara que el universo se expande, amplió su concepción a toda la escala del universo, suponiendo que éste es estático y estable y adoptando el principio cosmológico de la isotropía y la homogeneidad universal. De este modo, la relatividad general trata de la forma geométrica del espacio-tiempo como sustancia constituyente del universo entero y por la cual éste posee unidad. Fue posible calcular, a partir de las ecuaciones relativistas, el radio espacial para el universo, el cual podría ser visualizado como la superficie de una esfera, considerando que el espacio tridimensional se reduce a dos dimensiones.
No obstante, la preocupación de Einstein fue encontrar un “término cosmológico” que debía estabilizar el universo al producir una nueva fuerza de largo alcance a través de todo el espacio. Si su valor era positivo, el término cosmológico debía representar una fuerza repulsiva, una especie de antigravedad para mantener el universo estable contra su propia gravedad. En 1923 el mismo Einstein tuvo que desechar esta idea, pues agregaba otro problema al que no estaba aún resuelto.
Sin embargo, prosiguiendo por este mismo camino, Einstein postuló una "constante universal", designada W, para dar cuenta de una energía antigravitatoria. Pero esta curiosa energía residiría en el espacio vacío de modo similar al antiguo éter. Según la teoría general de la relatividad, la expansión ocurre siempre que una forma de energía exótica llenara el espacio vacío en todas partes. Esta "energía de vacío", que funcionaría en completa ausencia de masa, está tratada en las ecuaciones de Einstein y añade gravedad repulsiva para separar al universo a velocidades que aumentan. El valor que W tendría sería igual a la energía gravitacional por la energía cinética, que es la energía contenida en el movimiento de la masa mientras el espacio se expande. En último término, W estaría condicionado por la densidad del universo, siendo proporcional a ésta. De este modo, una densidad más alta significaría una gravedad más fuerte y, por consiguiente, un W más grande.
La expansión del universo, que sería una especie de curvamiento del espacio-tiempo, estaría controlada por el valor W. Así, si W fuera mayor que 1, el universo tendría una curvatura positiva, como la superficie de una esfera, de geometría cerrada. Si, por el contrario, W fuera menor que 1, tendría una curvatura negativa, como una superficie hiperbólica, de geometría abierta. Por último, si W fuera igual a 1, el universo sería plano, como la figura del círculo, de geometría euclidiana.
La teoría de la relatividad general postula un universo "plano", como analogía bidimensional de las cuatro dimensiones espacio-temporales. Este tipo de universo está entre uno abierto, que se supone que se expande para siempre, y uno cerrado, que terminará por colapsar nuevamente en un “big crunch”. Muchos cosmólogos adeptos a un universo cerrado han creído que la fuerza gravitacional de todos los cuerpos tiende a detener la expansión del universo hasta el punto que ésta será revertida y el universo se contraerá hasta volver a su punto inicial. Entre éstos algunos han supuesto que a partir de esta contracción se produciría un nuevo big bang y que el universo continuaría oscilando, expandiéndose y contrayéndose para siempre.
La cosmología hasta la década de los años 1980 forzaba la elaboración de una geometría para un universo plano en expansión. Incluso postulaba la existencia de materia oscura escondida en los halos alrededor de las galaxias (Jeremiah P. Ostriker, 1974), o de agujeros negros para dar cuenta de la masa que no se podía observar, pero que debían mantener las galaxias cohesionadas y rotando por los efectos de la gravedad.
Sin embargo, la edad del universo, la densidad de la masa y la naturaleza de las estructuras cósmicas, cada una determina que la cantidad de masa sea insuficiente para generar un universo plano. Ya en 1974 James Gunn, de Caltech, y su grupo habían concluido tras años de analizar la evidencia del brillo y el movimiento de las galaxias, más la probable incidencia de los agujeros negros, que el universo tiene no más del 10% de la masa requerida para que su geometría fuera cerrada. Las observaciones y los cálculos cosmológicos recientes han llegado aún más lejos. Han determinado que la cantidad de masa requerida por la teoría de la relatividad general para que fuera posible explicar la fuerza de gravedad a través de la curvatura del continuo espacio-tiempo que ejerce la masa en un universo plano en expansión es insuficiente. Incluso considerando la materia oscura, que por no poder verse no se puede determinar, no se ha llegado a contabilizar la cantidad total de masa, la que sería necesaria para curvar el espacio en un radio de curvatura que pudiera explicar el mantenimiento de la fuerza de gravedad.
Otra evidencia de que el universo no contiene la masa supuesta proviene del análisis de la existencia de deuterio en las nubes intergalácticas de hidrógeno, que nunca han sido alteradas desde su creación poco después del big bang por estrellas que las hubieran combustionado. Se ha podido establecer que la densidad promedio de la masa en el cosmos es del 4% al 7% de la cantidad requerida para que el universo fuera plano. En el mejor de los casos, contando con la masa no vista, los cosmólogos calculan que W tendría sólo un valor de 0,3, que está lejos de 1.
De este modo, si un universo plano dominado por masa no es sostenible, el universo tendría que ser curvado y abierto. Pero el problema que se enfrenta este tipo de teoría cosmológica es que si el universo fuera abierto, debería existir una energía que diera cuenta de la fuerza gravitacional. Si la masa es insuficiente para la existencia de un universo plano en expansión, la fuerza atractiva que las galaxias, las estrellas y los planetas ejercen deberá buscarse en alguna forma de energía exótica.
El problema de la procedencia de esta energía que fuera fuente de las fuerzas gravitacionales no ha dado tregua a los cosmólogos que persisten en buscar la solución dentro de la teoría general de la relatividad.
Sugiero que el problema está mal enfocado. Por respetar la autoridad de Einstein, los cosmólogos de la actualidad siguen confeccionando forzados parches teóricos para mantener con vida una teoría general de la relatividad que hace agua para explicar la gravitación después de los numerosos descubrimientos cosmológicos desde la época de Hubble. Pero si nos apartamos de esta teoría, se deberá resolver tanto el problema de la procedencia de la energía que sería fuente de la gravitación como el problema de por qué no colapsan los cuerpos unos con otros debido justamente a la gravitación. Las soluciones para ambos problemas están relacionadas y las analizaremos a continuación.
Gravedad y masa.
Se concuerda en la actualidad que la energía primigenia del big bang fue infinita. Sin embargo, no puede pensarse en esta energía como emanando de masa, pues aún no había masa. El big bang no se originó en un punto de masa infinitamente densa, denominado singularidad, como alguien podría suponer. Primeramente, hubo una energía primigenia que existió en forma independiente (puesto que la energía no puede existir en forma independiente, la energía primigenia, “previa” al big bang, debió existir en un sujeto que podemos denominar Dios). En los primeros brevísimos instantes del big bang dicha energía, mediada por fotones, se comenzó a convertir en masa en la forma de partículas fundamentales masivas. Tampoco puede identificarse esta energía con calor, como también suele pensarse, pues éste requiere la mediación de masa; es el movimiento o vibración de partículas masivas la que genera calor. Así, la energía debió condensarse primeramente en masa antes de que surgiera el inmenso calor en los primeros instantes del big bang. Debe suponerse entonces que la energía primigenia produjo primeramente fotones y que en una cierta proporción estos se transformaron en partículas fundamentales según la ecuación einsteniana de la equivalencia de la energía y la masa y en la medida de las posibilidades que la densidad en rápida disminución permitía. Aun así, los fotones y las partículas masivas y con cargas eléctricas no dan cuenta de la infinitud de toda energía que sigue actuando a través de la masa.
La famosa ecuación de Einstein, E = m c², tiene una importancia enorme, pues expresa que la energía de la masa en reposo vale una cantidad equivalente a la velocidad de la luz al cuadrado. Sin embargo, esta misma ecuación tiene, desde el punto de vista cosmológico, una importancia tal vez mayor si se la expresa como m c = E/c – v. El significado de esta expresión es que incluso la partícula más pequeña de masa, digamos un cuanto de masa, a la velocidad de la luz, tiene energía infinita. Si el universo se expande desde el big bang a la velocidad de la luz, la energía de todas y cada una partícula de masa tiene energía infinita respecto al big bang. Podemos suponer que la energía de cada cuanto de masa le fue transferido a estos componentes del universo en el instante “atemporal” de su comienzo, que llamamos ahora big bang.
La energía primigenia del big bang confirió a la masa una energía infinita que le posibilitó alejarse a la velocidad de la luz del centro primigenio del big bang. Desde otro punto de vista, la energía infinita contenida en la masa del universo generó espaciotiempo que se expandía, se expande y se expandirá por toda la eternidad a la velocidad de la luz. En consecuencia, es un absurdo suponer que la gravitación pueda detener la expansión del universo cuando su velocidad es la de la luz y la masa de todos los cuerpos celestes, que incluyen todos los objetos del universo, es infinita respecto al big bang. Frente a esta infinitud de energía contenida en la masa cósmica proyectada a la velocidad de la luz, la postulada energía antigravitatoria no es sólo irrelevante, sino que absurda, pues, puesto que la gravitación es una consecuencia de la expansión del universo, no cabría esperar que aquélla pudiera frenarla. Igualmente, es ilógico suponer que la expansión del universo pudiera acelerarse o desacelerarse. El hecho que la fuerza de gravedad mantenga sus valores absolutamente constantes es una prueba de que la velocidad de expansión es constante.
Según se puede concluir observando el espacio sideral, el principio newtoniano rige para todos los lugares del universo y para todos los tiempos de su existencia. La fuerza que ejerce es explicada por la ley formulada por Newton, en 1687, que establece que todos los cuerpos en el universo ejercen una ley de atracción sobre todos los demás cuerpos en el universo, y esta fuerza depende de la masa de los cuerpos y de lo lejos que estén unos de otros.
La solución al enigma del origen de una energía exótica permanente parte por considerar que es precisamente la masa la que ejerce la fuerza de gravedad. La masa de un cuerpo corresponde al total de las partículas fundamentales masivas que lo constituyen, siendo la fuerza gravitacional ejercida proporcional a la cantidad de masa. Cada partícula masiva es funcional en transformar la energía en fuerza gravitacional. La energía se manifiesta como gravedad sólo mediatizada por partículas fundamentales masivas.
Decía que la forma que tiene una fuerza de ser ejercida es por el intercambio de partículas. Ello ocurre en la escala más fundamental de todas. Pero en la escala cósmica, cuando las distancias y los cuerpos masivos son tan grandes, es muy improbable que la fuerza gravitacional sea el efecto del intercambio de partículas de la escala fundamental. Los postulados “gravitones”, que nunca han aparecido en la cámara de burbujas tras la desintegración de núcleos atómicos, para actuar como partículas de intercambio entre cuerpos masivos, debieran poder fluir por todo el cuerpo y no estar ligado a ninguna partícula en especial. Pero en tal caso no se podría explicar su acción recíproca, como tampoco es fácil explicar su acción a las distancias siderales. Como alguien llegó a preguntarse: ¿cómo “saben” los dos cuerpos que hay otro allí? De este modo, la gravitación debería explicarse a través de otro mecanismo. Es además un absurdo postular “gravitones”, cuando es justamente la masa la que tiene por función transformar la energía “exótica” en fuerza de gravedad.
Por su parte, la idea de que la masa altera la geometría espacial, siendo esta última la que produce los efectos gravitacionales, ha llegado a ser insostenible. En consecuencia, aunque estas mismas partículas masivas son en sí mismas energía condensada, según la fórmula einsteiniana M = E/c², para ejercer gravedad requieren ser abastecidas, por decirlo así, de una fuente energética permanente e inagotable. Así, la fuerza gravitacional que un cuerpo ejerce depende de su masa, y la energía consumida permanentemente corresponde a la fuerza ejercida.
Gravitación y expansión.
Sugiero, en consecuencia, que la causa de la gravitación universal es la expansión del universo. La energía inagotable y constante que mantiene la fuerza de gravedad universal, por la cual los cuerpos se atraen unos a otros, proviene únicamente de la energía que surge de la expansión del universo. La expansión universal del espacio-tiempo que genera la masa produce recíprocamente una implosión de los cuerpos masivos. Todos los cuerpos masivos contienen energía cinética infinita en relación con el big bang, pues se alejan de este centro original a la velocidad de la luz. De este modo, generan una fuerza inercial infinita. La fuerza inercial infinita que contiene la masa al alejarse radialmente del big bang se traduce en fuerza gravitatoria en un espacio que dicha masa, que va existiendo en el tiempo presente, va generando y cuyas dimensiones van creciendo constantemente, con el transcurrir del tiempo, a la tercera potencia. Así, pues, cuando la expansión del universo a partir del big bang fuerza a los cuerpos masivos a separarse por efectos angulares, éstos originan recíprocamente la fuerza de gravedad. En su teoría general de la relatividad Einstein había equiparado la fuerza inercial con la gravitatoria. En la presente teoría, la fuerza inercial de expansión produce la fuerza gravitatoria.
La gravedad ejerce su fuerza a expensas de la densidad de la materia. La imagen del universo como un globo que se infla a la velocidad de la luz en el cual el big bang ocupa su centro y su membrana en su periferia concentra toda la materia es bastante apropiada para visualizar la pérdida de densidad mientras el globo se infla. El primer principio de la termodinámica se mantiene a través de la simetría entre gravedad y densidad de la materia.
Puesto que la expansión del universo es constante y se da de la misma manera hacia todas direcciones a partir del big bang, la fuerza gravitacional rige para todo el universo como una constante. Todas las unidades masivas se alejan radialmente del big bang hacia todas direcciones, formando ángulos entre sí que se mantienen fijos a través del tiempo. Considerando que se alejan del big bang a la velocidad de la luz, tienen masa infinita respecto a este centro universal. Dos unidades masas, siendo ambas vectores con un ángulo determinado y el centro común en el big bang y teniendo ambas energía infinita respecto a su origen, generan la atracción mutua cuando son forzadas precisamente a apartarse la una de la otra y cuyo valor fue descrito ya por Newton.
De este modo, la fuerza de gravedad en un punto es la resultante de las masas que son proyectadas a la velocidad de la luz desde el big bang, el centro común del universo, de modo radial y en forma de vectores. Ciertamente, siguiendo el principio de Newton, los cuerpos más masivos y más próximos tendrán una influencia mucho mayor que aquellos más livianos y/o más distantes. La conclusión que se impone es que tal como la carga eléctrica convierte la energía en fuerza electromagnética, la masa tiene la capacidad para convertir la energía de la expansión del universo en fuerza de gravedad. En este caso, la energía de expansión se transforma en fuerza de gravedad mediatizada por la masa.
El universo, al expandirse, fuerza a los cuerpos a alejarse unos de otros. La energía de expansión funciona como si dos cuerpos fueran pistones extremos de un cilindro que los uniera, que está abierto en sus dos extremos a la presión atmosférica y que está conectado a una bomba de vacío. Los pistones se atraerán, como una implosión, por el vacío que la bomba va generando. La medida del vacío proviene de la capacidad de la bomba. En el caso del universo en expansión, la medida de la gravedad viene de la fuerza resultante de las masas que la expansión aleja unas de otras. A mayor masa, mayor es la sección transversal del cilindro; a mayor longitud del cilindro, menor fuerza ejerce el vacío, con lo que se cumple la ley newtoniana.
Desde la perspectiva del espacio-tiempo, la implosión de la gravedad ocurre en un espacio que continuamente se lleva al tiempo presente, que es cuando se actualiza la relación causa-efecto. El espacio y el tiempo no tienen existencia por sí mismos. Son funciones de la actividad de la masa y la carga eléctrica. Desde las mismas partículas fundamentales, cada estructura desarrolla su propio entorno espacio-temporal para poder interactuar y ser funcional, ya sea como causa o como efecto. El conjunto de estos espacio-tiempos es el espacio-tiempo que observamos. Este lo experimentamos como un todo, pues, las partículas fundamentales de un mismo tipo tienen comportamientos idénticos, apuntando a su origen común y posibilitando además su mutua interacción. Por ejemplo, los fotones individuales que transmiten una causa particular tienen una velocidad absoluta y oscilan en una frecuencia común según la cantidad de energía que portan.
Un “big crunch” sería imposible, pues la fuerza de gravedad, que podría causar la contracción del universo, es efecto precisamente de su expansión.
Conclusiones.
Como vimos más arriba, el universo observable no es el espacio euclidiano de estrellas, racimos de estrellas, galaxias, conglomerados de galaxias y cuasares, sino que es una esfera espacio-temporal cuyo centro está en el presente y está ocupado por el observador. En la medida que se dirige la vista hacia la periferia, los objetos observables, o más bien, que lo están afectando, están más o menos en el pasado según su mayor o menor distancia relativa al mismo. La distancia se refiere al espacio que la causa ha tenido que transitar para afectar al observador sin sobrepasar la velocidad máxima de la luz.
De este modo, la popularizada imagen para describir la expansión del universo de un queque con pasas distribuidas en todo su volumen, que representan los cuerpos celestes (las galaxias), que crece uniformemente hacia todas direcciones dentro del horno a causa de la levadura, es equívoca y no logra explicar los fenómenos que realmente ocurren. Ciertamente, existen galaxias y conglomerados de galaxias, mientras el espacio entre éstos está libre de materia. Mientras la expansión del universo obliga a la generación de espacios vacíos en la medida de que los objetos se distancian entre sí, la fuerza de gravedad fuerza la formación de concentraciones de masa. Sin embargo, el espacio, representado por la masa del queque, no tiene una existencia semejante a las galaxias, representadas por las pasas. La existencia del espacio es una función de la existencia de la masa. Tampoco las galaxias se alejan entre sí en virtud de la expansión del espacio. Al alejarse van generando el espacio, porque al separarse se están primeramente alejando del big bang.
La poderosa tensión producida por la separación forzosa de los cuerpos por obra de la expansión es causa de la aparición y desaparición cuántica de las partículas virtuales que pueden ser observas en el espacio vacío. Asimismo, el fenómeno observable de la desviación de la luz al pasar por la inmediación de un cuerpo masivo, que ha servido para demostrar que el espacio se curva en la presencia de masa, según postula la teoría general de la relatividad, podría ser explicado por la distorsión que sufriría el espacio al verse expandido por la masa que es forzada a separarse, aunque la explicación anotada más arriba para este efecto me parece más plausible.
Desde el punto de vista subatómico, la masa es aquella propiedad de ciertas partículas fundamentales, precisamente de las partículas masivas, que tienen la facultad para transformar la energía que resulta de la expansión del universo en fuerza gravitacional. En forma similar, las partículas que contienen carga eléctrica convierten cualquier tipo de energía debidamente transformada por ellas en fuerza electromagnética. En la escala atómica la energía modificada por las cargas eléctricas de signo contrario atrae a los electrones hacia el núcleo atómico, mientras que esta fuerza es compensada por la pequeña masa relativa de estos que giran a velocidades cercanas a la de la luz y que tienden a generar fuerzas inerciales centrífugas a causa de la energía cinética que contienen. El equilibrio entre ambos tipos de fuerzas mantiene a los electrones en órbita en torno al núcleo. Del mismo modo que los planetas que giran en torno al Sol, los electrones no requieren de energía suplementaria una vez que han ocupado alguna órbita; sólo requieren energía (de modo cuántico) para saltar a una órbita mayor y ceden energía para saltar a una órbita menor.
La energía exótica que alimenta la fuerza gravitacional proviene de la inercia de la masa, la que fue producida cuando la masa fue proyectada a la velocidad de la luz desde su inicio en el big bang. Esta se va transformando paulatinamente en energía, según la demanda efectuada para que la fuerza gravitacional pueda ser efectuada. Esta fuerza es una condición necesaria de la materia para estructurarse en virtud de su propia funcionalidad. El fin del universo no sería su muerte entrópica cuando toda la energía se haya agotado, como fue visualizada por la termodinámica del siglo XIX, sino que será la máxima estructuración permitida a la materia. Si fue posible para la energía (primigenia) convertirse en masa cuando la concentración de la energía era tan alta, también es posible para la masa convertirse en energía (estructural) cuando la densidad va disminuyendo a causa de la expansión del universo. El equilibrio masa-energía se va modificando junto con la expansión del universo y la estructuración de la materia.
Sugiero que la teoría de la gravitación universal como efecto de la expansión del universo explica también la unidad de los campos gravitatorio y electromagnético. La velocidad del efecto gravitatorio está relacionada con la velocidad de expansión del universo. Por una parte, la expansión del universo tiene la misma velocidad que la del desplazamiento de la fuerza electromagnética. La energía contenida en la masa que se aleja a la velocidad de la luz respecto al big bang corresponde a la fuerza gravitacional de la masa en su función específicamente inercial. Por la otra, esta fuerza inercial produce la fuerza específicamente gravitatoria, como se explicó más arriba. Ambas fuerzas, la gravitatoria y la electromagnética, están correlacionadas, aunque estén generando campos distintos. En consecuencia, aunque los campos son distintos, por su origen común contienen una unidad básica, y pueden, por lo tanto, interrelacionarse. La unidad de los campos es la velocidad de la luz, que es la máxima velocidad que puede alcanzar la transmisión de la relación causal. En fin, esta velocidad proviene de la naturaleza de las cosas y no de la velocidad de expansión del universo. Este se expande a dicha velocidad porque la naturaleza de la masa y la carga eléctrica impone dicha limitante. Otro es el problema, que no intentaré solucionar, del por qué éstas tienen dicho comportamiento.
Vimos más arriba que la energía cinética de la masa se transforma en fuerza gravitacional al verse forzada a separarse por la expansión del universo que genera precisamente la energía cinética de la masa. De este modo, el universo se presenta como una unidad. Viene a ser como un inmenso motor del tamaño del mismo universo, cuya energía primigenia produjo masa, carga eléctrica e inercia infinita, y cuya fuerza inercial se va convirtiendo en fuerza gravitatoria a través de la energía cinética de la masa que se aleja radialmente del big bang a la velocidad de la luz. El conjunto va evolucionando y se va estructurando mientras se va expandiendo y consumiendo paulatinamente parte de la energía aportada por el big bang para estructurar la materia.
Superdensidad.
A modo de anexo, el concepto de agujeros negros, que ha tenido una amplia difusión, merece ser analizado. Vimos más arriba que connotados científicos contemporáneos suponen que en el primer instante del comienzo del universo hubo únicamente energía homogénea e indiferenciada. Con su enfriamiento, al expandirse, la energía se condensó en determinadas partículas, las cuales, al estructurarse, provocaron complementariamente la diferenciación de las fuerzas y su acción en distintos campos de fuerza. En la actualidad, los científicos empeñados en la senda de la unificación de los campos de fuerza, encabezados por Stephen Hawking, creen ver signos esperanzadores en el fenómeno de los agujeros negros, hipotéticos cuerpos que se postulan para contabilizar el suplemento de masa que demanda un universo plano en expansión. Ellos han demostrado al menos la posibilidad de que partículas atraídas por las enormes fuerzas gravitacionales de estos cuerpos celestes emitan, al entrar en uno de éstos, radiación electromagnética del tipo de rayos X que escaparía del enorme campo gravitacional ejercido por el agujero. Este fenómeno estaría significando un comienzo de unidad entre la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Hay acuerdo general que la importancia de explicar la unidad de fuerzas reside en que con ello se explica desde una perspectiva adicional la unidad fundamental del universo: su origen común y su comportamiento según leyes universales.
Se denomina “agujeros negros” a masivos cuerpos celestes absolutamente invisibles que existirían principalmente en el centro de las galaxias. Ha sido necesario postularlos para dar cuenta de la enorme fuerza gravitacional necesaria para atraer la enorme masa de una galaxia que gira hacia su centro según las ecuaciones de la teoría general de la relatividad. Estos cuerpos masivos concentrarían materia tan densa que su fuerza gravitacional impediría que ni siquiera llegue a escapar alguna radiación electromagnética que denotara su presencia. Por el contrario, dicha fuerza absorbería toda materia que llegara a pasar por su zona de influencia. Puesto que la materia que ingresara en este cuerpo desaparecería del universo para efectos prácticos, es decir, cesaría de generar campos electromagnéticos, a este aspirador gigante de materia se ha dado en llamar agujero negro. La materia absorbida por ellos quedaría desprovista para ejercer cualquier tipo de función, excepto la gravitacional, o más bien, sería materia que ha agotado sus posibilidades para ser funcional en cualquier respecto excepto la gravitacional.
Ciertamente, la fuerza gravitacional es directamente proporcional a la masa, y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Pero también la masa, al contraerse o más propiamente al densificarse, produce calor, es decir, genera energía. Si una cierta cantidad relativamente grande de masa se contrae, como sería el caso de colapsar una gran estrella cuando termina por agotar su combustible atómico, el cual sostiene su estructura contra su propia gravedad, y aquélla adquiere una enorme densidad, el campo gravitatorio aumenta aritméticamente con el aumento de densidad, y geométricamente con la disminución de tamaño; por lo tanto, la temperatura se eleva exponencialmente. La masa contraída comenzaría a transformarse en energía.
Pero según quienes postulan la existencia de agujeros negros esta energía no podría escapar supuestamente del propio campo gravitatorio así ocasionado. La masa curvaría el espacio-tiempo hasta un radio que haría imposible hasta para un fotón escapar de éste. En consecuencia, la energía, al quedar atrapada dentro del agujero, por esta lógica, tendría que generar su propio tiempo y estructurar su propio espacio, los que irían expandiendo y constituyendo otro universo ajeno al nuestro, pero dentro del pequeñísimo espacio ocupado por el agujero negro, según nuestro propio punto de vista. Además, toda masa que sucediera pasar por los alrededores del agujero negro sería atraída por su campo gravitatorio, quedando atrapada en su interior, y pasaría, como por un túnel, o a la manera de cómo se vuelca una media, a constituir parte del nuevo universo engendrado a partir de éste.
A pesar de la lógica contenida en esta teoría, existen diversos puntos conflictivos. Para comenzar, necesariamente, el fenómeno del agujero negro no puede ser observado directamente, pues un observador que fuera a investigarlo no sólo no podría retornar, sino que no podría emitir señal directa alguna sobre su presencia. Sólo podríamos enterarnos de la existencia de un agujero negro observando el comportamiento de algún cuerpo celeste que esté influenciado por su gravitación, siempre que no lo confundamos con una estrella de neutrones, o a través de la emisión de radiación X, siempre que no se confunda con otro cuerpo celeste emisor de esta radiación. No podría informarnos si el universo generado a partir del agujero negro está en expansión, o forma una infinita sucesión de agujeros negros, o cualquier otra cosa que podamos imaginar. Pero esta objeción es más bien formal y no contradice necesariamente la hipótesis de dicha característica de los agujeros negros.
Una limitante al tamaño de los agujeros negros sería la necesaria extensión en el espacio de una partícula fundamental eminentemente funcional. Por una parte, si uno acepta los postulados de la teoría general de la relatividad, criticada en las sección anterior, un agujero negro es definido, primero, por el radio de Schwarzschild, que es el de una esfera que concentre tanta masa que determine, según las ecuaciones de esta teoría, una curvatura del espacio-tiempo tal que ni siquiera la luz podría escapar de ella, y, segundo, por una alta densidad, de modo que si el volumen de la esfera disminuye, su densidad debería aumentar significativamente para incluir el radio de Schwarzschild.
Por la otra, en la perspectiva de la estructura fundamental de la materia, si bien es cierto que la fuerza de gravedad es la manifestación de la masa, es muy difícil aceptar que una partícula fundamental, centro del ejercicio de la fuerza gravitacional, pueda llegar a adquirir densidades tan grandes como las requeridas por agujeros negros relativamente de poca masa. Si una partícula fundamental tiene masa, es también centro al menos del ejercicio de la fuerza gravitacional, y esta fuerza tiene un centro espacial de gravedad que, aunque concebiblemente muy pequeño, al menos impide que pueda ser violado por otra partícula. Cada partícula masiva posee una dimensión espacial mínima, incluida su radio de acción exclusiva, la que es determinada por la constante de Planck. Así, si un agujero negro es tan activo como para que la gravedad que ejerce impida escapar toda partícula, incluyendo al fotón, entonces debe tener un grado de estructuración en la escala fundamental que genere dicha fuerza. Pero, si posee una estructura, entonces no puede ser infinitamente pequeño, pues toda estructura es espacial al generar su propio espacio para ejercer fuerza.
En otras palabras, el problema para sostener la existencia de agujeros negros relativamente pequeños, como los supuestos por Hawking, es que una partícula masiva tiene un límite espacial absoluto de densificación, según lo comentado en la sección “Espacio-tiempo cuántico” del capítulo anterior. La masa en cuanto tal no tiene existencia por sí sola, sino que es una propiedad de la materia condensada como partícula fundamental, y ésta, por ejercer fuerza nuclear fuerte, también tiene extensión. La fuerza gravitacional es ciertamente proporcional a la masa, pero a una masa ya constituida espacialmente y que para adquirir la densidad requerida por agujeros negros superdensos, difícilmente podría contraerse a una dimensión menor que el alcance de la fuerza fuerte o corta de las partículas que contiene.
Una estrella de neutrones, como la postulada por J. Robert Oppenheimer, en 1938, tiene una densidad equiparable a la del núcleo atómico, es decir, unas 10 millones de tm/cm3. Se supone que los pulsares serían estrellas de neutrones. Su fuerza de gravedad es enorme, pero no logra retener la radiación electromagnética. La densidad máxima posible que podría llegar a tener un cuerpo masivo sería la de un espacio ocupado por materia condensada continua, como un gran conglomerado de neutrones pegados unos a otros; esto es, no podría existir masa cuyo volumen fuera menor que el volumen de los neutrones que contiene. Así, pues, sólo la ocupación de un apreciable volumen de espacio por neutrones permitiría una concentración de masa y su consecuente fuerza gravitacional requeridas por un agujero negro. Desde luego, este gran volumen estaría lejos de la densificación absoluta.
En consecuencia, la densidad requerida por un agujero negro de nulo o pequeño espacio rompería la necesaria estructuración espacial de la materia condensada, una de cuyas propiedades es la masa para que ésta pueda ser funcional en ejercer fuerzas gravitacionales. Por otra parte, si existiera un punto de transición energética entre gravitación y generación de un nuevo universo, entonces estaría disminuyendo la fuerza gravitacional en beneficio de la nueva generación y, con ello, la capacidad de actuar efectivamente como agujero negro. Además, el agujero negro actuaría también como tal con el nuevo universo, por lo que éste no podría existir. Adicionalmente no se ha observado en el universo algún mecanismo que pudiera producir una estrella de neutrones gigante, que sería el equivalente de un agujero negro, pues la evolución de las estrellas tiene un camino bastante determinado.
Probablemente, la idea de agujero negro como un cuerpo celeste infinitamente denso parte de la simplificación implícita de la idea de masa de la que, para los propósitos de las leyes de Newton, se abstrajo las propiedades dimensionales, aunque, como ya vimos, Newton mismo no lo hizo. En segundo lugar, la idea de agujero negro supone la validez de la teoría general de la relatividad. La falta formal en la que incurren los que propician agujeros negros de densidad absoluta es que asumen únicamente algunos parámetros de la compleja realidad y los someten a la lógica, llegando forzosamente a resultados aparentemente sorprendentes, pero fantásticos.
Por otra parte, podríamos decir que el tiempo en el universo no es simétrico en cuanto a que si el universo se expandió a partir de una singularidad, corresponde que se contraiga en algún futuro hasta tornarse nuevamente en una singularidad. Si bien el universo tuvo su inicio en un punto infinitamente pequeño que contuvo una energía infinitamente grande, no puede suponerse que su existencia termine cuando vuelva a concentrarse en un punto infinitamente pequeño, en un supuesto big crunch. La razón es que la energía primordial se transformó en materia y ésta se ha ido estructurando de modo irreversible. Precisamente, en eso consiste en síntesis la evolución del universo. Esta estructuración significa que cada parte de ella es funcional al ser capaz de generar su propio campo gravitatorio y/o electromagnético donde interactúa con cada otra parte según el espacio-tiempo que ambas partes generan al entrar sus campos en contacto. Si bien el postular un big crunch está fuera de la forma como el universo funciona, según se ha visto a lo largo de este libro, tampoco se puede suponer que alguna parte estructurada pueda regresionar a una singularidad de pura energía y sin espacio-tiempo.
La existencia de agujeros negros sin espaciotiempo pertenece a la ciencia ficción. Si algún día se llegara a demostrar la existencia de un invisible cuerpo superdenso y de enorme fuerza gravitatoria, no sería un agujero negro, sino que otra estrella de neutrones. Este tipo de estrellas podrían existir en el centro de las galaxias como anclas de su estructuración y, por ende, de las posibilidades de estructuración de la materia. Ahora, si el improbable destino de la materia es quedar encerrada en estos cuerpos superdensos, entonces este fenómeno estaría anunciando la forma como terminaría el universo, encerrado en miles de millones de estas masivas cápsulas unifuncionales, tras haber desplegado la más extraordinaria diversidad estructural en todas las escalas posibles.
Nota: Este texto corresponde al capítulo 3 de mi 1er Libro I www.matener.blogspot.com
viernes, 9 de mayo de 2008
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