El Big Bang y Lemaître


INo es usual que los términos científicos tengan resonancia entre los comunes mortales. En este país nuestro probablemente más que en otros. De eso tenemos mucha culpa los que nos dedicamos a la ciencia, ya que por mucho tiempo hemos dejado de lado la divulgación hacia aquéllos que, en definitiva y con los altibajos que las alternativas políticas conllevan, pagan con sus impuestos nuestro trabajo. Afortunadamente las cosas están cambiando y en los últimos años son numerosas las iniciativas que se arrogan la tarea de abrir al gran público los entresijos de la investigación. Este blog es un más que buen ejemplo de ello.

A lo que iba. Si nos molestamos en preguntar en nuestro entorno acerca de conceptos propios de la ciencia seguramente nos encontraremos con “caras raras” que denotan ignorancia completa al respecto. Sin embargo existen algunas excepciones. Un ejemplo es el del ADN (o DNA en su versión inglesa que, lo mismo, es más familiar para muchos hoy día): todo el mundo sabe al menos que es “algo” relacionado con las células y que constituye un elemento fundamental de la vida tal y como la conocemos.

Pero en este post, y en el que seguirá pronto, quiero hablar de otro de esos “términos de oro”: el Big Bang, la teoría aceptada hoy día como la que mejor describe, de acuerdo a las observaciones experimentales disponibles, cómo se inició nuestro Universo. Que no cabe duda de lo exitoso del término puede dar fe que dé título a una serie de tv estadounidense que recomiendo encarecidamente a todos aquéllos que no la conozcan aún: The Big Bang theory.

El término “Big Bang” lo inventó el astrofísico inglés Fred Hoyle en 1949 durante una intervención en un programa radiofónico en la BBC en el que intentaba explicar a la audiencia las características fundamentales de la teoría sobre el Universo que él defendía: la teoría del estado estacionario. Tratando de describir, sin la ayuda de la imagen, la esencia de los modelos que se contraponían al suyo, es decir, todos aquéllos que involucraban un Universo con un “principio”, Hoyle mencionó «la hipótesis de que toda la materia del Universo fue creada en un big bang en un instante particular del pasado remoto», imagen que inmediatamente catalogó como falta de lógica y poco científica.

En muchos escritos se ha tratado de transmitir la idea de que Hoyle usó el término “Big Bang” de forma despectiva para con sus colegas cosmólogos que habían optado por defender la teoría contraria a la suya y con el paso del tiempo esa idea ha arraigado en el ámbito de la cosmología y la astrofísica a pesar de que el propio Hoyle desmintió en varias ocasiones tal extremo.

Una de las características fundamentales que subyace en la teoría del Big Bang es, como se ha dicho antes, un Universo que habría comenzado en un instante más o menos lejano del pasado. Para llegar a esa conclusión fue necesaria, como siempre ocurre con estas cosas, la participación de una numerosa cuadrilla de investigadores a lo largo de casi medio siglo.

La confirmación de la validez del modelo vino, como no puede ser de otra forma, de la mano de la experimentación y en esa línea dos son los hallazgos que pueden considerarse como esenciales. Por un lado, el trabajo del astrónomo estadounidense Edwin P. Hubble, publicado en 1929, en el que mostraba que las galaxias lejanas se alejaban más y más de la Tierra y que lo hacían tanto más rápidamente cuanto más alejadas estaban. Éste era un hecho experimental de capital importancia ya que invalidaba la visión de un Universo estable e inmutable hasta entonces asumida por la mayoría de los cosmólogos y astrofísicos.

Por otro la observación de lo que se denominó el fondo de radiación cósmica de microondas, un descubrimiento afortunado de los físicos estadounidenses Arno A. Penzias y Robert W. Wilson en 1965, cuando trabajaban en los Laboratorios Bell de Holmdel en Nueva Jersey probando una antena para radioastronomía, y que les valió a ambos el Premio Nobel de Física en 1978. Fue este resultado considerado como la prueba definitiva de que el Big Bang, lejos de ser una teoría más sobre el origen del Universo, describía de forma adecuada lo que realmente sucedió al principio.

Sin embargo, como también ocurre muchas veces en ciencia, la idea del Big Bang había sido propuesta con anterioridad en un contexto teórico en el que cabe destacar también dos hitos: el “átomo primigenio” del astrónomo belga Georges Lemaître y el “ylem” de los físicos estadounidenses Alpher, Herman y Gamow.

Lemaître había nacido en Charleroi en 1894. Durante la Primera Guerra Mundial estuvo enrolado en el ejército belga y, finalizado su servicio militar, concluyó sus estudios de física y matemáticas, obteniendo el doctorado en 1920. Habiendo ingresado a continuación en el seminario de Malinas, fue ordenado sacerdote en 1923. El nivel de los trabajos de este cosmólogo hace difícil entender cómo ha podido ser tenido en cuenta de manera tan colateral hasta tiempos recientes, cuando ha sido finalmente puesto en el lugar que sin duda siempre mereció.

lemaitreY es que antes de su intervención en el problema del origen del Universo, Lemaître ya había dado muestras de su genio. En 1927, publicó en Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, una revista bastante desconocida, el artículo titulado “Un universo homogéneo de masa constante y radio creciente que da cuenta de la velocidad radial de las nebulosas extragalácticas”. En este trabajo  Lemaître estudió las soluciones dinámicas de las ecuaciones de la relatividad general asumiendo que el radio del Universo variaba con el tiempo y que su masa total permanecía constante.

Según su modelo, el Universo había evolucionado desde un estado preexistente cuyo radio era el del modelo estático de Einstein. Uno de los resultados de este trabajo es más que destacable: v/r = k·c. Lemaître establece la relación existente entre la velocidad v con la que las nebulosas extragalácticas (que así se denominaban entonces las galaxias externas a la nuestra y cuyo carácter extragaláctico se había discutido hasta hacía poco tiempo) se alejan de la Tierra y la distancia r a la que se encuentran. En esa ecuación c es la velocidad de la luz y k =0.68·10-27cm-1 , un valor que Lemaître estableció usando los valores disponibles entonces para las velocidades medias y las distancias de las galaxias conocidas.

Y ¿por qué es importante este resultado? Pues porque no es más que la que posteriormente se denominó ley de Hubble y que Lemaître formulaba dos años antes de que el propio Hubble publicara sus resultados (a los que nos hemos referido anteriormente). Pero como también ocurre a veces en la ciencia, Lemaître no consideró su hallazgo de importancia y en el trabajo indica que puede utilizar el valor del cociente v/r para establecer el radio del Universo en su estado preexistente que sería de unos 900 millones de años luz.

Además Lemaître puso de manifiesto en este trabajo, por vez primera, el carácter esencialmente cosmológico del mecanismo responsable del estado de expansión en el que se encuentra el Universo: «El alejamiento de las nebulosas extragalácticas es un efecto cósmico debido a la expansión del espacio». Sin embargo, hubo que esperar tres años para que estos resultados fueran conocidos en el mundillo de la cosmología, lo que ocurrió de la mano del astrónomo y físico británico Arthur S. Eddington, de quien Lemaître había sido estudiante, por lo que el modelo de Universo de Lemaître se conoció desde entonces como el modelo de Lemaître-Eddington.

Un Universo con un “principio” no era una idea atrayente para los especialistas de entonces. Muchos de ellos consideraban el resultado de Lemaître más como una “curiosidad” matemática. Sin embargo, la expansión del Universo se había confirmado (tras el trabajo de Hubble y los que le siguieron) y Lemaître, a principios de 1931, publicó “El Universo en expansión” en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, donde se lanzaba al “ruedo” argumentando sobre la posible existencia de un “proto-universo” estático en el que «toda la energía estuviera en forma de radiación electromagnética y súbitamente se condensara en materia.»

Sólo unos meses después incidió en la cuestión publicando en Nature “El principio del mundo desde el punto de vista de la teoría cuántica”, una breve nota que es considerada por muchos como uno de las más excepcionales trabajos de la ciencia. Todo en este trabajo es muy curioso. Para empezar Lemaître no da su filiación profesional sino que incluye su dirección personal (40 rue de Namur, Louvain).

El principio del trabajo es llamativo: «Sir Arthur Eddington dice que, filosóficamente, la noción de un principio en el presente orden de la Naturaleza le repugna. Yo más bien me inclino a pensar que el estado actual de la teoría cuántica sugiere un principio del mundo muy diferente del presente orden de la Naturaleza.» Seguidamente, usando la mecánica cuántica y la termodinámica elabora su tesis para concluir: «Podríamos concebir el principio del Universo en la forma de un átomo único cuyo peso atómico es la masa total del Universo. Este átomo altamente inestable se dividiría en átomos más y más pequeños en el curso de una especie de proceso super-radiactivo.»

En conferencias posteriores desarrolló sus argumentos: «Las primeras etapas de la expansión consistieron en una rápida expansión determinada por la masa del átomo inicial, casi igual a la masa actual del Universo. … La expansión inicial fue capaz de permitir que el radio excediera el valor del radio de equilibrio. La expansión tuvo lugar así en tres fases: un primer periodo de expansión rápida en la que el átomo-universo se rompió en estrellas atómicas, un periodo de ralentización, seguido por un tercer periodo de expansión acelerada.»

El átomo primigenio. Así es como Lemaître denominó al estado inicial desde el que habría evolucionado el Universo. Tal y como él mismo explicó posteriormente: «La idea de esta hipótesis surgió cuando tuvimos noticia de que la radiactividad natural es un proceso físico que desaparece gradualmente y que, por tanto, puede esperarse que haya sido más importante en tiempos anteriores. Si no fuera por unos pocos elementos de vidas medias comparables a TH, la radiactividad natural se habría extinguido completamente ahora.» Aquí TH es el denominado tiempo de Hubble, un valor que proporciona una estimación de la edad del Universo. Lemaître pensaba que no era casual que sus estimaciones de la edad del Universo (del orden de los miles de millones de años) fueran similares a los períodos de semidesintegractión de radioisótopos como  el U-238 o el Th-232 que aún podían encontrarse en la naturaleza: si el Universo hubiera sido mucho más antiguo, estos elementos radiactivos, simplemente, no existirían. Este argumento basado en la radiactividad ya lo  había utilizado en 1911 el físico austríaco Arthur E. Haas para apoyar la hipótesis de un Universo de edad finita. Haas es conocido porque en 1910, en su trabajo de habilitación como Privatdocent en la Universidad de Viena, describió el átomo de hidrógeno usando estados electrónicos cuantizados y adelantándose por tanto en tres años al modelo de Bohr.

Lemaître no elucubró sobre el origen de ese átomo primigenio sino que partió de la hipótesis de que ya existía previamente a la “explosión radiactiva”. Antes de ese evento, la expansión y el tiempo no habrían empezado, las leyes de la física no habrían comenzado a operar aún y no era posible desentrañar información alguna sobre las propiedades físicas del Universo.

Donald H. Menzel, un astrónomo estadounidense describió esa situación de manera muy simplista en 1932 en su artículo “La explosión de un átomo gigante creó nuestro Universo” que apareció publicado en la revista Popular Science: «Nada puede ocurrir donde no hay sitio para que ocurra … El Dr. Lemaître prefiere creer que el Universo completo nació en el destello de un cohete cósmico y que estará expandiéndose hasta que los fuegos artificiales que forman las estrellas se hayan quemado en cenizas y escoria.»

Si bien los resultados que sobre la expansión del Universo había obtenido Lemaître habían encontrado un eco positivo entre astrofísicos y astrónomos, su hipótesis de un Universo finito en el tiempo sólo contó con la aceptación de periódicos y revistas populares. Un hecho notable fue que sólo diez días después de la publicación de la nota de Lemaître en Nature, un detallado artículo de The New York Times apareció con el título: “Le Maître sugiere que un único gran átomo conteniendo toda la energía inició el Universo.” Y revistas de divulgación como Popular Mechanics o Popular Science presentaron la teoría con profusión. Los astrónomos, cosmólogos y astrofísicos por su parte apenas tuvieron en cuenta el átomo primigenio que, en general, fue claramente rechazado.

Quizá el momento no era el adecuado y la hipótesis de la edad finita del Universo resultara un tanto radical para todos ellos. Ejemplos de esa animadversión hay muchos. Por citar algunos, el físico-matemático estadounidense Richard C. Tolman, opinaba que la teoría era uno de los “males del pensamiento autista e ilusorio” de la cosmología. Hubble decía del modelo de Lemaître que era “poco atractivo y bastante dudoso”. El astrónomo canadiense John S. Plaskett era más que claro: «Es la especulación más salvaje de todas, aún más, es un ejemplo de especulación alocada sin una mínima evidencia para respaldarla.» Curiosamente, ninguno de ellos presentaba argumentos bien fundamentados que permitieran rechazarlo. Físicos de renombre como el inglés Dirac, el estadounidense Gamow, y el alemán von Weizsäcker, ni siquiera citaron a Lemaître en sus trabajos, a pesar de que sus modelos de Universo eran similates al de éste. El físico y matemático alemán Jordan fue uno de los pocos que dio crédito al átomo primigenio: en “La física del siglo 20” aparecido en 1936, menciona a Lemaître cuando explica que «hace diez mil millones de años, el Universo inicialmente pequeño surgió de una exploxión original.»

La postura de Lemaître en relación al inicio del Universo ha sido criticada por algunos historiadores de la ciencia que han argumentado sobre su condición de sacerdote católico y cómo sus creencias sobre Dios habrían podido influir al establecer las bases de su modelo de Universo. Tampoco sus colegas eran ajenos a esta idea. El propio Einstein, en 1932, opinó que el átomo primigenio «estaba inspirado por el dogma cristiano de la creación y era completamente injustificado desde un punto de vista científico.» Sin embargo Lemaître siempre se manifestó rotundo acerca de la diferencia entre ciencia y religión: «La teoría cosmológica permanece completamente al margen de cualquier cuestión metafísica o religiosa. Ciencia y religión corresponden a niveles separados del entendimiento.»

Lemaître puede considerarse sin ningún género de dudas una figura preeminente de la cosmología como ciencia y uno de los padres de la teoría del Big Bang, aunque en su formulación actual, el estado inicial del Universo diste mucho de aquel átomo primigenio que inventó con clarividencia.

11 Respuestas a “El Big Bang y Lemaître

  1. Como todos los de Antonio un artículo buenísimo.
    Me ha gustado mucho la introducción y el punto donde recuerda que se debe hacer un esfuerzo en divulgación para explicar a la sociedad porque es importante invertir en ciencia.

    • Muchas gracias Luis. Lo de la divulgación es algo fundamental, cada día más. Y la verdad es que en los últimos años van teniendo lugar cada vez más actividades de divulgación a todos los niveles. Por citar un ejemplo, hace un par de semanas, el viernes por la tarde/noche, se celebró “La Noche de los Investigadores”, un evento que se lleva a cabo en muchas ciudades de toda Europa el mismo día. En cualquier caso, es una labor en la que hay que involucrarse sin dudarlo.

  2. Muchas gracias por tan interesante artículo, me ha encantado, solo me gustaría comentar la frase que dice “Lemaître puso de manifiesto en este trabajo, por vez primera, el carácter esencialmente cosmológico del mecanismo responsable del estado de expansión en el que se encuentra el Universo: El alejamiento de las nebulosas extragalácticas es un efecto cósmico debido a la expansión del espacio”
    No por vez primera, sino por vez segunda, aunque es casi seguro que Lemaitre no tenía conocimiento de los trabajos previos de Aleksandr Fridman.
    En Junio de 1922, el matemático, físico y meteorólogo ruso Aleksandr Fridman publicó en la revista Zeitschrift für Physik el trabajo “Sobre la curvatura del espacio” en el cual plantea que se pueden aplicar la ecuaciones de campo de la Relatividad General a un modelo de Universo homogéneo e isótropo, pero cuyo tamaño no sea necesariamente constante en el tiempo, dando como resultado un universo en expansión.
    Einstein, que en aquella época estaba convencido de que el Universo era estático, estudió el artículo de Fridman y en Septiembre de 1922 publicó en la misma revista una nota en la que planteaba que el trabajo de Fridman contenía un grueso error y no era compatible con las ecuaciones de campo de la Relatividad General.
    Fridman leyó la crítica de Einstein y le escribió una carta en la que le explicaba por qué consideraba que sus cálculos eran correctos; sin embargo, Einstein se encontraba de viaje y muy posiblemente en febrero de 1923 aún no había recibido la carta.
    Como Einstein no contestaba, Fridman pidió a un físico amigo suyo, Yuriy Aleksándrovich Krútkov, que iba a viajar por Centro Europa que intentase hablar con Einstein.
    A principios de Mayo de 1923 Krútov consiguío entrevistarse con Einstein en Leiden, en casa de Ehrenfest y discutir las alegaciones que Fridman hacía en su carta.
    Pocos días después, Einstein solicitó a la revista Zeitschrift für Physik que publicara lo siguiente:
    Nota sobre el trabajo de A. Fridman “Sobre la curvatura del espacio”. Por A. Einstein, Berlín. (Recibido el 31 de mayo de 1923)
    “En una nota anterior critiqué el trabajo citado. Mi objeción, sin embargo, se basaba en un error de cálculo. Creo que los resultados del señor Fridman son correctos y esclarecedores, como el señor Krutkoff y una carta del señor Fridman me convencieron. El trabajo del señor Fridman muestra que las ecuaciones de campo admiten, para la estructura del espacio, soluciones centrosimétricas tanto estáticas como dinámicas, o sea, que varían con el tiempo”
    Desgraciadamente Fridman murió con solo 37 años en 1925, y su trabajo tuvo escaso eco, pues el ambiente general de la Física de la época se inclinaba hacia que el Universo debía ser estático.
    Los trabajos de Fridman y de Lemaitre fueron refinados desde el punto de vista de la formalidad matemática en los años 30 por el estadounidense Robertson y el británico Walker, por eso a la métrica cosmológica se le llama Métrica de Fridman-Lemaitre-Robertson-Walker, abreviadamente Métrica FLRW.
    Y a las dos ecuaciones que describen la Dinámica del Universo, Ecuaciones de Fridman.
    He escrito este comentario con la sana intención de aportar conocimiento adicional y en absoluto como una crítica al excelente trabajo que el autor ha realizado en este post, saludos.

    • Muchas gracias por el comentario. Conocía todo el tema del trabajo de Fridman y de su “encontronazo” con Einstein. Sin interés en polemizar respecto a la frase que te ha dado pie a incluir la información (respecto a la cuál no tengo ninguna objeción), sí que quiero mantenerme en lo que digo, ya que Lemaître fue el primero en indicar: “El alejamiento de las nebulosas extragalácticas es un efecto cósmico debido a la expansión del espacio”. Esto lo escribió textualmente en su trabajo de 1927.

      Es cierto que Fridman, en el artículo que mencionas, y en otro que publicó un poco antes de fallecer, demostró que el radio de curvatura del universo podía ser una función del tiempo creciente, decreciente o periódica, según cómo fuera la densidad media de materia del Universo con respecto a una densidad crítica. Pero Fridman se limitó a realizar un análisis puramente matemático de las soluciones de las ecuaciones relativistas. Ni más, ni menos. De hecho dijo en uno de sus trabajos: «Nuestra información es completamente insuficiente para llevar a cabo cálculos numéricos y distinguir qué clase de universo es el nuestro.» Y no hay que quitarle méritos puesto que demostró que el Universo podría haber surgido de una singularidad inicial. No sólo eso: también estimó la edad del Universo a partir de valores razonables de su masa total y aventuró que la singularidad inicial podría haberse presentado hacía unos 10-20 mil millones de años, un rango en el que podemos encontrar el valor actualmente aceptado: 13800 millones de años.

      Pero Fridman no pudo establecer si el alejamiento de las galaxias estaba relacionado con sus soluciones de un universo en expansión y, por tanto, su carácter cosmológico. Él no disponía entonces de los datos experimentales que sí que conocía Lemaître en 1927.

      • ¡Gracias por tan interesante información complementaria!
        Saludos y ánimos para continuar divulgando Ciencia y Tecnología.

  3. Pingback: El Bing-Bang (II): Alpher, Herman y Gamow | Desayuno con fotones·

  4. Como ya te he comentado en un email, me ha gustado mucho: muy claro en las explicaciones y nuevos datos que no conocía.
    Soy autor de una biografía sobre Lemaître: “La historia del comienzo”.

  5. Muchas gracias. No he visto el e-mail al que te refieres. ¿Dónde se ha publicado la biografía de Lemaître?

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