Einstein y el Universo. Nasa.
Todas las civilizaciones tienen una idea sobre el origen de todas las cosas, una teoría sobre el Universo. La Cosmología que ahora nos ocupa es otra posible interpretación del mundo: sus herramientas conceptuales y exegéticas reposan en la Ciencia.
Existe hoy, en el siglo XXI, una teoría del Universo que posee el pedigrí de rigor y la verisimilitud de toda buena teoría física: “el modelo cosmológico estándar”. Veamos sus principios sustentantes.
El Principio de Equivalencia
La cosmología se ocupa de todo lo que hay. El modelo estándar de la física de partículas nos proporciona una teoría sobre la materia. La Relatividad General nos procura una teoría sobre el espacio-tiempo y su relación con la materia-energía. La imposibilidad de distinguir físicamente aceleración de gravedad es lo que llamamos Principio de Equivalencia.
El gran hito intelectual de Einstein consistió precisamente en establecer la identificación entre gravedad y espacio curvado. La gravedad es espacio-tiempo curvado. Pero, ¿qué curva el espacio-tiempo? La respuesta nos la da Einstein en su Teoria de la Relatividad General. La materia-energía deforma el espacio-tiempo. El Sol es el responsable de la curvatura del espacio-tiempo de su entorno.
La ecuación (ecuaciones) de Einstein (son 10 ecuaciones debido al carácter tensorial de la igualdad) consagran la geometrización de la Gravitación. Expresan cómo la materia-energía “obliga” al espacio–tiempo a curvarse. Sus soluciones nos dan la naturaleza concreta del espacio-tiempo correspondiente.
El Principio de Contenencia
(Arcaismo. “Lo que se contiene dentro de una cosa”). La cualidad inmutable del espacio y tiempo clásicos, que les hace ajenos a las propiedades de la materia y de la energía, se pierde totalmente en el paradigma einsteiniano.
El espacio-tiempo cobra un carácter dinámico, activo, íntimamente relacionado con la materia y energía, que influye y es influido por éstas y evoluciona con ellas. Las preguntas frecuentemente formuladas de que había “antes” del origen del Universo o que hay “fuera” del Universo, pierden su sentido original dentro del nuevo paradigma einsteiniano.
El Principio Cosmológico
Resolver las ecuaciones de Einstein para el Universo como una totalidad, no para una parte de él, es un problema intratable. La aceptación del Principio Cosmológico puede simplificar el problema. Establece que ningun lugar en el Universo es privilegiado respecto de ningun otro lugar.
Las propiedades físicas del Universo, como por ejemplo la densidad de materia, promediadas sobre distancias cósmicas, son iguales en cualquier punto del Universo. El Universo aparece homogéneo e isótropo.
Entonces las ecuaciones son solubles y el resultado es un Universo dinámico, un Universo en evolución. Einstein (1916) predijo a Hubble (1929): el Universo se expande. Las galaxias están fijas sobre un “tejido” espacio-temporal en expansión.
El Primer Principio de la Termodinámica
El Universo primordial es muy denso y muy caliente, donde la materia, totalmente desleída, está en equilibrio termodinámico con la radiación. Esta radiación, detectada por primera vez en 1965, es la información más arcaica que tenemos sobre el Universo, y su estudio y análisis es una herramienta fundamental para los cosmólogos. Por ella sabemos hoy que el Universo es a gran escala plano.
El primer principio de la termodinámica, esto es, el principio de conservación de la energía, exige que en el trabajo de expansión del volumen se haga a expensas de una disminución de su energía interna. La importancia de la radiación en las ecuaciones de Einstein es tanto mayor cuanto más primitivo es el Universo.
Hay que recordar que las ecuaciones de Einstein describen el “crecimiento” del Universo causado por el contenido material del Universo. El primer principio de la termodinámica junto con las ecuaciones de Einstein permite obtener el ritmo de crecimiento de las distancias cósmicas en el tiempo.
El Segundo Principio de la Termodinámica
El segundo principio de la termodinámica nos da la clave para colegir la temperatura del Universo en el pasado. La entropía de un sistema termodinámico aislado no puede decrecer. Si la transformación que experimenta el sistema es reversible, la entropía se mantiene constante.
Conocíamos ya la ley de crecimiento de las distancias con el tiempo. Ahora conocemos la ley de decrecimiento de la temperatura con las distancias (y por tanto también con el tiempo).
Conocida la temperatura en cada momento de la vida del Universo primitivo, es posible conocer los procesos físicos que tuvieron lugar gracias a la física de las partículas elementales o física de altas energías. Ello nos permite reconstruir la historia de la evolución del Universo desde las primeras fracciones de segundo.
Existe hoy, en el siglo XXI, una teoría del Universo que posee el pedigrí de rigor y la verisimilitud de toda buena teoría física: “el modelo cosmológico estándar”. Veamos sus principios sustentantes.
El Principio de Equivalencia
La cosmología se ocupa de todo lo que hay. El modelo estándar de la física de partículas nos proporciona una teoría sobre la materia. La Relatividad General nos procura una teoría sobre el espacio-tiempo y su relación con la materia-energía. La imposibilidad de distinguir físicamente aceleración de gravedad es lo que llamamos Principio de Equivalencia.
El gran hito intelectual de Einstein consistió precisamente en establecer la identificación entre gravedad y espacio curvado. La gravedad es espacio-tiempo curvado. Pero, ¿qué curva el espacio-tiempo? La respuesta nos la da Einstein en su Teoria de la Relatividad General. La materia-energía deforma el espacio-tiempo. El Sol es el responsable de la curvatura del espacio-tiempo de su entorno.
La ecuación (ecuaciones) de Einstein (son 10 ecuaciones debido al carácter tensorial de la igualdad) consagran la geometrización de la Gravitación. Expresan cómo la materia-energía “obliga” al espacio–tiempo a curvarse. Sus soluciones nos dan la naturaleza concreta del espacio-tiempo correspondiente.
El Principio de Contenencia
(Arcaismo. “Lo que se contiene dentro de una cosa”). La cualidad inmutable del espacio y tiempo clásicos, que les hace ajenos a las propiedades de la materia y de la energía, se pierde totalmente en el paradigma einsteiniano.
El espacio-tiempo cobra un carácter dinámico, activo, íntimamente relacionado con la materia y energía, que influye y es influido por éstas y evoluciona con ellas. Las preguntas frecuentemente formuladas de que había “antes” del origen del Universo o que hay “fuera” del Universo, pierden su sentido original dentro del nuevo paradigma einsteiniano.
El Principio Cosmológico
Resolver las ecuaciones de Einstein para el Universo como una totalidad, no para una parte de él, es un problema intratable. La aceptación del Principio Cosmológico puede simplificar el problema. Establece que ningun lugar en el Universo es privilegiado respecto de ningun otro lugar.
Las propiedades físicas del Universo, como por ejemplo la densidad de materia, promediadas sobre distancias cósmicas, son iguales en cualquier punto del Universo. El Universo aparece homogéneo e isótropo.
Entonces las ecuaciones son solubles y el resultado es un Universo dinámico, un Universo en evolución. Einstein (1916) predijo a Hubble (1929): el Universo se expande. Las galaxias están fijas sobre un “tejido” espacio-temporal en expansión.
El Primer Principio de la Termodinámica
El Universo primordial es muy denso y muy caliente, donde la materia, totalmente desleída, está en equilibrio termodinámico con la radiación. Esta radiación, detectada por primera vez en 1965, es la información más arcaica que tenemos sobre el Universo, y su estudio y análisis es una herramienta fundamental para los cosmólogos. Por ella sabemos hoy que el Universo es a gran escala plano.
El primer principio de la termodinámica, esto es, el principio de conservación de la energía, exige que en el trabajo de expansión del volumen se haga a expensas de una disminución de su energía interna. La importancia de la radiación en las ecuaciones de Einstein es tanto mayor cuanto más primitivo es el Universo.
Hay que recordar que las ecuaciones de Einstein describen el “crecimiento” del Universo causado por el contenido material del Universo. El primer principio de la termodinámica junto con las ecuaciones de Einstein permite obtener el ritmo de crecimiento de las distancias cósmicas en el tiempo.
El Segundo Principio de la Termodinámica
El segundo principio de la termodinámica nos da la clave para colegir la temperatura del Universo en el pasado. La entropía de un sistema termodinámico aislado no puede decrecer. Si la transformación que experimenta el sistema es reversible, la entropía se mantiene constante.
Conocíamos ya la ley de crecimiento de las distancias con el tiempo. Ahora conocemos la ley de decrecimiento de la temperatura con las distancias (y por tanto también con el tiempo).
Conocida la temperatura en cada momento de la vida del Universo primitivo, es posible conocer los procesos físicos que tuvieron lugar gracias a la física de las partículas elementales o física de altas energías. Ello nos permite reconstruir la historia de la evolución del Universo desde las primeras fracciones de segundo.
El principio antrópico: sólo un Universo para la vida.
El Principio Antrópico
En su enunciado débil, el principio antrópico dice así: “lo que podemos observar debe estar restringido por las condiciones necesarias para nuestra presencia como observadores”. En su forma fuerte y más polémica: “el Universo necesariamente tiene las propiedades requeridas para la existencia de la vida”. De forma más coloquial: “el Universo es como es debido a que existimos”.
Obviamente el cáracter de este principio es completamente distinto de los principios expuestos anteriormente. De alguna manera, aquellos principios “explican” el Universo, el principio antrópico “nos explica”.
Pongamos algunos ejemplos. El mundo no es exactamente simétrico respecto a la materia y la antimateria. La energía de enlace del deuterio es sólo un poco mayor que la diferencia de masas entre neutrón y protón. La gran proporción de la materia oscura es necesaria para la formación de las estructuras del universo. De estos tres hechos, en parte fortuitos, depende que haya vida en el universos y el hombre pueda existir.
El Principio de Incertidumbre
Cuál es el límite que nos impone la física sobre nuestra capacidad de conocer el pasado del Universo? La mecánica cuántica impone, a través del principio de incertidumbre, una indeterminación esencial en las variables que definen el estado de un proceso o sistema físico.
En definitiva, la indeterminación de la energía provoca indeterminación en el campo gravitatorio, es decir, en el espacio-tiempo. El tejido espaciotemporal también fluctúa cuánticamente. En este momento la teoría einsteiniana de la gravitación deja de ser válida. Aquí nos topamos con un muro que sólo podremos salvar con la construcción de una teoría de la gravedad que sea cuántica.
Conclusión: la pérdida del paraíso
Este repaso de la historia del Universo, naturalmente, es selectivo y no toca todos los aspectos de la cosmología. En la penumbra quedan, por ejemplo, la teoría de la inflación o la discusión de las distintas transiciones de fase que se supone sucedieron en el Universo muy primitivo.
En estas edades tan remotas, el Universo tiene, según las especulaciones de los físicos, un grado sumo de simetría o de perfección. Simetría o perfección que va perdiendo en las sucesivas transiciones de fase a las que acabamos de referirnos hace muy poco.
Esta pérdida de la perfección y el orden radical protagoniza la cosmología moderna como una drástica división en el tiempo donde un Universo altamente simétrico existiría “antes” de un cierto instante muy remoto en el pasado. Sin embargo, sólo gracias a haber “perdido” este “paraíso”, en la moderna cosmovisión, nuestra existencia es posible.
Josep Antoni Grifols es Catedrático de Física Teórica y Director del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona. Es ponente de la Tercera Sesión General del Seminario de la Cátedra Ciencia, Tecnología y Religión, 10 de marzo de 2006. Este texto es un resumen elaborado por Guillermo Armengol, de la cátedra CTR, sobre el texto íntegro del Documento Marco de la sesión, elaborado por el profesor Grifols.
Sobre el tema de este documento se puede ampliar información en un artículo de Guillermo Armengol, de la cátedra CTR, que comenta la conferencia del profesor Grifols. Sobre “El modelo cosmológico estándar y su base empírica” puede leerse también la aportación de Manuel García Doncel, discussant del profesor Grifols en la mencionada Sesión y Catedrático de Física Teórica en la Universidad Autónoma de Barcelona.
En su enunciado débil, el principio antrópico dice así: “lo que podemos observar debe estar restringido por las condiciones necesarias para nuestra presencia como observadores”. En su forma fuerte y más polémica: “el Universo necesariamente tiene las propiedades requeridas para la existencia de la vida”. De forma más coloquial: “el Universo es como es debido a que existimos”.
Obviamente el cáracter de este principio es completamente distinto de los principios expuestos anteriormente. De alguna manera, aquellos principios “explican” el Universo, el principio antrópico “nos explica”.
Pongamos algunos ejemplos. El mundo no es exactamente simétrico respecto a la materia y la antimateria. La energía de enlace del deuterio es sólo un poco mayor que la diferencia de masas entre neutrón y protón. La gran proporción de la materia oscura es necesaria para la formación de las estructuras del universo. De estos tres hechos, en parte fortuitos, depende que haya vida en el universos y el hombre pueda existir.
El Principio de Incertidumbre
Cuál es el límite que nos impone la física sobre nuestra capacidad de conocer el pasado del Universo? La mecánica cuántica impone, a través del principio de incertidumbre, una indeterminación esencial en las variables que definen el estado de un proceso o sistema físico.
En definitiva, la indeterminación de la energía provoca indeterminación en el campo gravitatorio, es decir, en el espacio-tiempo. El tejido espaciotemporal también fluctúa cuánticamente. En este momento la teoría einsteiniana de la gravitación deja de ser válida. Aquí nos topamos con un muro que sólo podremos salvar con la construcción de una teoría de la gravedad que sea cuántica.
Conclusión: la pérdida del paraíso
Este repaso de la historia del Universo, naturalmente, es selectivo y no toca todos los aspectos de la cosmología. En la penumbra quedan, por ejemplo, la teoría de la inflación o la discusión de las distintas transiciones de fase que se supone sucedieron en el Universo muy primitivo.
En estas edades tan remotas, el Universo tiene, según las especulaciones de los físicos, un grado sumo de simetría o de perfección. Simetría o perfección que va perdiendo en las sucesivas transiciones de fase a las que acabamos de referirnos hace muy poco.
Esta pérdida de la perfección y el orden radical protagoniza la cosmología moderna como una drástica división en el tiempo donde un Universo altamente simétrico existiría “antes” de un cierto instante muy remoto en el pasado. Sin embargo, sólo gracias a haber “perdido” este “paraíso”, en la moderna cosmovisión, nuestra existencia es posible.
Josep Antoni Grifols es Catedrático de Física Teórica y Director del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona. Es ponente de la Tercera Sesión General del Seminario de la Cátedra Ciencia, Tecnología y Religión, 10 de marzo de 2006. Este texto es un resumen elaborado por Guillermo Armengol, de la cátedra CTR, sobre el texto íntegro del Documento Marco de la sesión, elaborado por el profesor Grifols.
Sobre el tema de este documento se puede ampliar información en un artículo de Guillermo Armengol, de la cátedra CTR, que comenta la conferencia del profesor Grifols. Sobre “El modelo cosmológico estándar y su base empírica” puede leerse también la aportación de Manuel García Doncel, discussant del profesor Grifols en la mencionada Sesión y Catedrático de Física Teórica en la Universidad Autónoma de Barcelona.