breve historiade la teora

del

big bangPor: Timothy Ferris

DEPROFEC

"Mi mano puso los cimientos de la tie-rra y mi derecha estir los cielos.

-Isaas 48, 13-

"He colocado mis palabras en tu boca y te he escondido bajo mi mano cuando esti-raba los cielos y echaba los cimientos de la tierra.

-Isaas 51, 16-

"l hizo la tierra con su poder, afirm el mundo con su sabidura y con su inte-ligencia extendi los cielos.

-Jeremas 51, 15-

La teora del Big Bang ensea que el origen del universo parte o se inicia en una gran explosin que llev a toda la materia del universo a expandirse, a estirarse, a extenderse. Segn la teora, en el instante antes de la Gran Explosin, el universo era muchsimo ms pequeo que un tomo. Ahora bien, segn la teora, en el primer se-gundo de iniciado la expansin del universo el rango de oscilacin fue tan crtico que de ello dependi si el resultado hubiera sido lo que tenemos hoy (galaxias, estrellas, y un planeta habitable con vida y seres capaces de estudiarlo y conocerlo) o el caos.

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Ocurri que el hombre que uni la relativi-dad de Einstein con los corrimientos al rojo de las espirales no fue un eminente terico ni un hbil observador, sino un oscuro (desconocido)

sacerdote y matemtico belga llamado Georges Lematre. Hijo de un vidriero de Lovaina y la hija de un cervecero, a los nueve aos Lematre decidi ser cientfico y clrigo. No hay ningn conflicto entre la ciencia y la religin, le gus-taba decir. Persona afecta a formar parte de sociedades, a sugerencia de Eddington, Lematre hizo una gira por Estados Unidos, asistiendo a conferencias y repartiendo tarjetas con su nom-bre y direccin. Durante su viaje se enter de los corrimientos al rojo de Slipher, y a su retorno a Bruselas escribi, en 1927, un proftico artculo donde desarrollaba una superestructura mate-mtica que vinculaba los corrimientos al rojo observados con el universo en expansin de la relatividad general.

El artculo pas inadvertido. Lematre lo pu-blic en un oscuro peridico --un hbito admira-blemente humilde pero profesionalmente desven-tajoso que nunca abandon--, y de todos modos no era el tipo de persona que da la impresin de ser un genio. De aspecto claramente burgus, de muchacho hogareo con atuendo de sacerdote, Lematre era ignorado por las luminarias a las que se acercaba en la Conferencia Solvay sobre fsica reunida en Bruselas ese mes de octubre. Hasta Einstein, por lo comn indulgente, perdi la paciencia ante los requerimientos de ese pilar de la normalidad de clase media. Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abomina-ble (Sus clculos son correctos, pero su fsica es abominable), le dijo Einstein a Lematre. (Einstein reconsider su actitud, y en Bruselas, en 1933, entreg una conferencia a Lematre, tranquilizando al nervioso clrigo, que tartamu-deaba al hablar, dicindole en voz baja afirma-ciones como trs joli, trs, trs joli, muy her-moso, muy, muy hermoso.)

El origen del universo desde la cienciaBreve historia de la teora del Big Bang

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Por: Timothy Ferris

La situacin se hizo ms clara para Lematre, si no para sus colegas ms afamados, con la publicacin del artculo de 1929 de Hubble sobre la relacin corrimiento al rojo-distancia. En ene-ro de 1930, Eddington, De Sitter y los otros maestros reconocidos de la cosmologa terica se reunieron en la Royal Astronomical Society y all trabajaron intensamente, y en vano, para cons-truir un puente matemtico entre la cosmologa relativista de De Sitter y el descubrimiento de Hubble. Lematre se enter de sus intentos en el nmero de febrero de The Observatory y le escri-bi a Eddington recordndole que l ya haba resuelto el problema. Eddington envi un ejem-plar del artculo de Lematre a De Sitter, y luego, con la generosidad y buen juicio que haban inspirado sus esfuerzos similares en defensa de Einstein aos antes, proclam ante el mundo que un profesor de matemticas belga poco co-nocido era el autor de la primera cosmologa basada en la expansin del universo. Fue as co-mo Hubble empez a comprender la significacin potencial de sus propios hallazgos.

Entre tanto, Lematre haba empezado a pen-sar en el origen del universo. Un universo en expansin, evidentemente, deba de haber sido antao muy diferente de como es en el presente. Las galaxias actuales estn separadas por millo-nes de aos-luz; en un principio deben de haber estado mucho ms cercanas. En verdad, en el origen, todo debe de haber estado cerca de todo. La densidad del universo joven debe de haber sido muy grande, realmente, tan grande quiz como la de un ncleo atmico. Pensando en trayectorias convergentes que se remontan hacia atrs en el tiempo, Lematre empez a forjar los primeros lazos entre la cosmologa, la ciencia de lo muy grande, y la fsica nuclear, la ciencia de lo muy pequeo.

Esta extrapolacin no le gust al defensor de Lematre, Eddington. Puesto que no puedo evi-tar introducir esta cuestin de los orgenes --es-cribi--, me ha parecido que la teora ms satis-factoria sera una que hiciese de los comienzos

algo no demasiado antiestticamente abrupto (la cursiva es de Eddington). Eddington pensaba que el universo haba empezado como un siste-ma estable, quizs similar a un cmulo estelar, que se haba disgregado de modo que dio origen a la expansin csmica. Lematre adopt una posicin ms radical. Conjetur que el universo pudo haber comenzado como un punto infinita-mente pequeo --una singularidad, en lenguaje matemtico-- en el tiempo cero, un da sin ayer, cuando el espacio era infinitamente curvo y toda la materia y toda la energa estaban concentradas en un solo cuanto de energa. Le-matre llamaba a este estado genesaco el to-mo primordial, y a su erupcin el gran ruido. Ms tarde, el astrofsico Fred Hoyle, a quien la idea le disgustaba ms an que a Eddington, de-sign el suceso de la creacin con un nombre intencionalmente feo que perdur. Hoyle lo lla-m el big bang [el gran bum o gran explo-sin].

El abismo entre la teora europea y las obser-vaciones norteamericanas empez a cerrarse a principios de los aos treinta, cuando Einstein y muchos otros judos alemanes, intelectuales, y otros indeseables, conscientes de los fines de Hitler, empezaron a emigrar a los Estados Uni-dos. En 1931, Einstein visit Monte Wilson, don-de Hubble, echando bocanadas con su pipa, con un desdn digno de Churchill del protocolo del observatorio, le llev a dar una vuelta por la cpula y le mostr las pruebas espectrogrficas de la expansin csmica que haba previsto la teora general. Dos aos ms tarde, de vuelta en el sur de California, Einstein oy a Lematre des-cribir su teora del tomo primordial en una conferencia dada en la biblioteca de la oficina del observatorio de Monte Wilson, en la calle de Santa Brbara, Pasadena. En el comienzo de todo hubo fuegos artificiales de inimaginable be-lleza --dijo Lematre ponindose lrico--. Luego se produjo la explosin y a rengln seguido los cie-los se llenaron de humo. Hemos llegado dema-siado tarde para hacer ms que imaginarnos el esplendor del da de la creacin. Einstein se

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puso de pie al final de la charla y llam a la teora de Lematre la ms bella y satisfactoria interpretacin que he escuchado.

Insuficientemente desarrollada para ser lla-mada una teora, la concepcin de Lematre del gnesis como un suceso de desintegracin nu-clear puede ser descrita mejor como una hip-tesis de trabajo. Lematre lo comprendi tan bien como cualquiera y record a los lectores de su libro El tomo primigenio que no debe darse demasiada importancia a esta descripcin del tomo primigenio, descripcin que tendr que ser modificada, quiz, cuando nuestro conoci-miento de los ncleos atmicos sea ms per-fecto. Con todo, y aunque fuese a manera de tentativa, el enfoque de Lematre previ el curso de la cosmologa en la segunda mitad del siglo xx, contribuy a poner la ciencia en ese camino y tuvo el saludable efecto inmediato de invitar a los fsicos nucleares a ocuparse del mbito cos-molgico. Algunos aceptaron la invitacin, y el resultado fue una infusin de sangre nueva y capacidad intelectual en ese campo. Pronto fsi-cos de la talla de Enrico Fermi, Carl Friedrich von Weizsacker y Edward Teller aportaron su considerable talento a la cuestin de saber qu pas en los primeros momentos del big bang.

En el primer plano de ese esfuerzo estuvo el emigrado ruso, engaosamente tolerante y ama-ble, George Gamow. Ingenioso, iconoclasta e irre-verente hacia las obras de la humanidad, si no las de la naturaleza, Gamow era, como Einstein, uno de esos raros individuos que parecen no per-der nunca su curiosidad infantil y su capacidad de asombrarse. Una de las cosas que ms le intrigaba era cmo empez el universo.

Uno de los principales intereses de Gamow, como veremos, se relacionaba con la formacin de elementos tempranamente en la historia del universo. Razonaba que el material del joven universo puede haber estado bastante caliente y denso como para que los ncleos atmicos se fusionasen para formar combinaciones diversas,

creando los elementos tal como los conocemos. Esta lnea de investigacin tendra resultados variados en las manos de Gamow (la fsica te-rica an era insuficientemente madura para lle-var a cabo muchos de los clculos involucrados), pero su retrato del universo primitivo como un plasma caliente, denso y en rpida evolucin dio origen a una de las ms importantes prediccio-nes de la historia de la ciencia: la de la radia-cin csmica de fondo, una ubicua y latente energa que qued como remanente del big bang.

La idea del big bang caliente de Gamow con-jeturaba que, si el universo empez caliente y ha estado expandindose y enfrindose desde entonces, su temperatura actual, aunque fra, no sera absolutamente fra. Debe haber algn calor residual que quedase del big bang. Esta energa se habra extendido y, por ende, su fre-cuencia habra disminuido por la expansin cs-mica. En trminos tcnicos, los fotones que transportasen la energa del big bang, al ha-berse originado en las longitudes de onda de la luz, tendran que haberse corrido al rojo por la posterior expansin del universo, para convertir-se en las frecuencias menores de energa elec-tromagntica que llamamos radiacin radio de microondas. Los colegas de Gamow, Ralph Al-pher y Robert Herman, al corregir errores arit-mticos en uno de los artculos sobre el big bang, conjeturaron que el universo actual est lleno de un ocano de fotones con una tempe-ratura ambiente de alrededor de cinco grados Kelvin.

En esa poca, se prest poca atencin a la prediccin de Alpher y Herman de que deba quedar una radiacin-reliquia del big bang. Pa-reca algo esotrico y, en todo caso, imposible de verificar. La radioastronoma estaba en su in-fancia, y no haba en la Tierra nada que se pa-reciese a un radiotelescopio de microondas. Una dcada ms tarde, cuando la radioastronoma se convirti en una realidad, Robert Dicke, de la Universidad de Princeton, lleg independiente-

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mente a la misma idea, y se puso a construir un receptor de microondas para escuchar la ra-diacin csmica de fondo. Todava estaba traba-jando en l cuando se enter de que dos inves-tigadores de los Laboratorios Bell, Amo Penzias y Robert Wilson, tenan problemas para explicar un persistente silbido en una antena de micro-ondas que Bell haba construido para experimen-tos en comunicaciones va satlite. La tempera-tura de este ruido no deseado era de 2,7 grados. Aunque ninguno de los tres recordaba la labor de Gamow, Alpher y Herman, ste era exacta-mente el valor que ellos haban predicho (una vez que sus clculos fueron actualizados para incorporar posteriores mejoras en la escala de Hubble de la edad del universo). Penzias y Wil-son ganaron un Premio Nobel de fsica por su descubrimiento, y Lematre, que en ese entonces tena setenta y dos aos, se enter de su hallaz-go en una de las ltimas conversaciones de su vida.

Hoy la afirmacin de que vivimos en un uni-verso en expasin reposa en tres lneas de inves-tigacin fundamentales. La primera es la ley de Hubble. La relacin entre las distancias de las galaxias y el corrimiento al rojo de su luz parece corresponder a los lmites de la observacin ac-tual --hasta cientos de millones de aos-luz--, y la nica explicacin slida conocida para tal hecho es que los corrimientos al rojo son produ-cidos por la velocidad de alejamiento de las ga-laxias en un universo en expansin. El segundo elemento de juicio es la radiacin csmica de fondo. Delinea la curva de cuerpo negro que caracterizara al espectro de fotones liberados en el big bang, y se recibe con igual fuerza desde todas las direcciones, excepto por una pequea anisotropa (o lugar caliente) introducida por el movimiento absoluto de la Tierra dentro de la estructura csmica global. El tercer conjunto de datos es cronolgico. La edad del universo infe-rida de la velocidad de expansin, de diez a veinte mil millones de aos, concuerda con las edades de las ms viejas estrellas conocidas, de doce a diecisis mil millones de aos, y con la

temperatura de la radiacin csmica de fondo.

Cualesquiera que sean sus otras implicacio-nes para el pensamiento humano --y son mu-chas--, la expansin del universo tuvo la enorme ventaja de dar a la cosmologa una dimensin de historia csmica. Puede verse ahora que la estructura del universo, desde los ncleos atmi-cos hasta los vastos supercmulos de galaxias que se extienden por centenares de millones de aos-luz en el espacio, ha evolucionado a partir de estructuras anteriores; para explicar su situa-cin actual necesitamos, evidentemente, lograr una mayor comprensin de su historia

La Aventura del Universo,por: Timothy Ferris.

Pgs. 169-173.Grijalbo Mondadori, S.A. 1990.

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DEPROFECDefensa y Propagacin de la Fe CatlicaEn guerra contra la ignorancia religiosa

2007

Primera Edicin 2007

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Breve historia sobre la teora del Big Bang

Por: Timothy Ferris

Gerardo Cartagena Crespo, MPNMisionero del Padre Nuestro, Dicesis de Caguas

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