La Historia del Tiempo - Stephen Hawking

La Historia del Tiempo
Stephen Hawking

( comentada por Iria Fernández Cid)

Capítulo 8: El origen y el destino del universo

Einstein predijo en su teoría, que el universo tendría un final en una singularidad, el big crunch, o bien en una singularidad dentro de un agujero negro; ya que su inicio fue la singularidad del big bang.

Hawking, pensó en la posibilidad de que el espacio – tiempo fuese finito, que no tuviese ninguna frontera, por lo que no habrá ningún principio.

Existe un "modelo de big bang caliente", basado en un modelo de Friedmann, que dice que conforme el universo se expande, toda la materia o radiación existente en él se enfría. A temperaturas muy altas, las partículas se moverían muy deprisa, por lo que serían capaces de vencer cualquier atracción entre ellas debida a las fuerzas nucleares o electromagnéticas. Las partículas comenzarían a agruparse, a medida que se enfriasen.

En el momento del big bang, se cree que el tamaño del universo era nulo, estando infinitamente caliente; y a medida que se iba expandiendo, la temperatura disminuía. El universo contendría entonces, fotones, electrones, neutrinos, sus antipartículas y algunos protones y neutrones. La mayoría de los electrones y los antielectrones se habrían aniquilado, produciendo más fotones. Los neutrinos y los antineutrinos, no se habrían aniquilado; por lo que si pudiéramos, deberíamos verlos. Pueden ser una forma de "materia oscura". Unos cien segundos después del big bang, habrá una temperatura a la que los protones y neutrones no podrían vencer la atracción de la interacción nuclear fuerte, produciendo átomos de deuterio. Éstos se combinarían con más protones y neutrones, dando núcleos de helio, y también berilio y litio.

George Gamow, fue el que hizo esta imagen del universo en su inicio. En un artículo, dijo que la radiación, en forma de fotones, de las etapas tempranas del universo caliente, debían permanecer hoy en día; lo que podría explicar la gran existencia de helio en nuestro universo.

La producción de helio y más elementos se habría detenido después de unas horas del big bang. Sin grandes cambios, el universo se expandiría durante un millón de años. Cuando la temperatura bajase, y los electrones y núcleos no pudiesen vencer la atracción electromagnética, se combinarían dando átomos. Se seguiría expandiendo y enfriándose, aunque algunas regiones serían frenadas y en algunos casos comenzarían a colapsarse. Ésta región se haría más pequeña y aumentaría su velocidad, hasta que llegara a alcanzar la velocidad suficiente para compensar la atracción de la gravedad, y se formarían las galaxias giratorias en forma de disco. Aquellas que no adquirieran rotación, serían galaxias elípticas. Entonces el gas de hidrógeno y el de helio de éstas, formaría nubes más pequeñas que comenzarían a colapsarse por su gravedad. La temperatura del gas aumentaría, iniciándose reacciones de fusión nuclear; convirtiéndose el hidrógeno en helio; aumentaría la presión, impidiendo la contracción de las nubes. Esas nubes serían estables cierto tiempo, como estrellas parecidas a nuestro Sol. Aquellas estrellas de una masa mayor, consumirán su hidrógeno más rápidamente, contrayéndose y calentándose, convirtiendo el helio en carbono u oxígeno. Sus regiones centrales colapsarían en un estado muy denso, como una estrella de neutrones o un agujero negro. Sus regiones externas podrían desprenderse en una explosión, supernova, de un gran brillo. Algunos de los elementos de esa estrella volverían a ser arrojados a la galaxia, para formar parte de próximas estrellas.

La Tierra, estaba muy caliente en un principio y no tenía atmósfera. Poco a poco se enfrió, adquiriendo una atmósfera primitiva que contenía gases venenosos para los humanos. Entonces surgieron unas formas de vida, probablemente por casualidad, que se fueron combinando, para dar cada vez organismos más complicados. Finalmente, estas formas de vida consumirían los gases venenosos y expulsarían oxígeno, cambiando así la atmósfera, llegando a la composición de hoy en día; apareciendo seres como los que conocemos.

Existen algunas preguntas a las que no hemos encontrado respuesta, referentes al universo:

1)
¿Por qué el universo primitivo estaba tan caliente?

2)
¿Por qué el universo es tan uniforme a gran escala? ¿Por qué parece el mismo en todos los puntos del espacio y en todas direcciones?

3)
¿Por qué comenzó el universo con una velocidad de expansión tan próxima a la velocidad crítica?

4)
¿Cuál fue el origen de las fluctuaciones de densidad?

La teoría de la relatividad no puede responder a estas preguntas. Se conocen unas leyes, dentro del principio de incertidumbre, que nos dicen cómo evoluciona el universo en el tiempo si conocemos su estado en cualquier momento. Estas leyes pudieron haber sido dictadas por Dios, y que ahora Éste ya no interviene. Pero los hechos no ocurren de una forma arbitraria, ya que reflejan un orden subyacente que puede estar divinamente inspirado o no.

Existen las llamadas condiciones de contorno caóticas, que suponen que el universo es espacialmente infinito o que hay infinitos universos. El estado inicial del universo sería puramente al azar, y sería muy caótico e irregular, ya que hay más configuraciones caóticas y desordenadas que lo contrario. Si esta afirmación sobre el universo fuese cierta, existirían, probablemente, algunas grandes regiones que habrían comenzado de una forma suave y uniforme; y nosotros podríamos estar en una de esas regiones. Surge entonces el principio antrópico, por el que "vemos el universo en la forma que es porque nosotros existimos". Hay dos versiones de este principio: la débil (en un universo infinito o grande, en el espacio y /o tiempo, las condiciones necesarias para la existencia de seres inteligentes, se darán sólo en ciertas regiones limitadas en el tiempo y en el espacio), y la fuerte (o hay muchos universos diferentes, o muchas regiones diferentes en un único universo, cada uno/a con su propia configuración inicial y, tal vez, con su propio conjunto de leyes de la ciencia). Esta última versión, va en contra de la corriente de toda la historia de la ciencia; y además se acaba reduciendo al débil.

Si aceptamos el modelo del big bang caliente, tenemos que tener en cuenta de que no hubo tiempo suficiente para que el calor fluyese de una región a otra del universo primitivo. Por ello, sería muy difícil explicar por qué comenzó así, a no ser que se piense en la intervención de un Dios.

Alan Guth, propuso que el universo primitivo pudo haber pasado por un una etapa de expansión rápida, llamada "inflacionaria", expandiéndose de una forma creciente, en contra de cómo lo hace hoy en día. Sugirió que el inicio del universo, fue un estado muy caliente y caótico. Las partículas se movían rápidamente debido a las altas energías. El universo se iba expandiendo, y se enfriaba; produciéndose la transición de fase, y se rompía la simetría entre fuerzas; aunque la temperatura podría estar por debajo del valor crítico, que la simetría no se rompería, provocando un estado inestable, con más energía que produciría un efecto antigravitatorio. En este universo la expansión sería acelerada, y habría tiempo suficiente para que la luz viajase de una región a otra en el primitivo.

La idea de inflación, nos dice que todas las partículas del universo, se crean a partir de energía. La energía del universo es cero. La materia está hecha de energía positiva, que se atrae a sí misma por la gravedad; y el campo gravitatorio, puede decirse que tiene energía negativa que anula a la anterior.

El universo actualmente no está expandiendo de una forma inflacionaria, ya que lo observamos hoy en día no corresponde con lo que deberíamos ver.

En 1981, Linde propuso otro modelo del universo, también basado en "burbujas", sólo que la ruptura de simetría era lente. Esta teoría tuvo un fallo, y más tarde, Steinhardt y Albrecht la utilizaron como base para "el nuevo modelo inflacionario". Éste tampoco estaba de acuerdo con lo que se observaba. En 1983, Linde propuso otro modelo inflacionario caótico, que fue mejor que los anteriores y que se adaptaba a lo que se ve.

El universo se pudo haber formado a partir de un gran número de configuraciones, pero no todas éstas nos llevaría al universo que actualmente vemos.

Si es correcta la teoría de la relatividad general clásica, los teoremas de singularidad de Penrose y Hawking, demostrarían que el principio del universo fue un punto de densidad y de curvatura del espacio – tiempo infinitas, y allí las leyes de la naturaleza fallarían, y el campo gravitatorio sería tan fuerte que los efectos gravitatorios cuánticos se hacen importantes; por lo que podemos utilizar una teoría cuántica de la gravedad.

Aún no se tiene una teoría completa, pero lo que sí sabemos es lo que debe estar incluido en dicha teoría:
- La idea de Feynman de formular la teoría cuántica en términos de una suma sobre historias, debe estar incluida. En esta suma de historias hay que utilizar valores imaginarios, porque el tiempo se toma como imaginario.
- La idea de Einstein de que el campo gravitatorio se representa mediante un espacio – tiempo curvo. Los espacios – tiempos deben ser euclídeos.

Existen tres maneras de las que se puede comportar el universo en la teoría cuántica de la gravedad; las dos primeras comunes con la teoría clásica de la gravedad:
- Ha existido durante un tiempo infinito
- Tuvo un principio en una singularidad dentro de algún tiempo finito en el pasado
- El espacio – tiempo es finito en extensión, y no tiene ninguna singularidad que forme una frontera o un borde. Esta propuesta nos indica que no existiría ninguna singularidad. El universo no sería ni creado ni destruido, simplemente sería.

Basándose en esta última propuesta, Hartle y Hawking, calcularon las condiciones que debería cumplir el universo para que fuera cierta. El universo comienza en un único punto, y se va expandiendo en un tiempo imaginario, hasta alcanzar un tamaño máximo, y empieza a contraerse, hasta un único punto. Aunque el tamaño es nulo en esos puntos, no hay singularidades; pero si lo vemos en el tiempo real, sí que existirían estas singularidades. Puede ser que el tiempo imaginario sea el más básico, y que el real es algo que nos hemos inventado para ayudarnos a comprender el universo.