La expansión del cosmos

La edad del cosmos sigue siendo uno de los misterios más impenetrables para la conciencia humana. La religión y la ciencia, por separado, han especulado e investigado el origen y el fin del universo a lo largo de la historia. Y siempre ha habido una idéntica pregunta en labios de científicos y estudiosos de uno y otro campo. ¿El universo existe desde siempre o tuvo un principio?. Las respuestas poéticas o prodigiosas de las religiones enmudecieron con las ultimas teorías. La iniciativa ha pasado definitivamente a la ciencia y parece que ya hay una respuesta determinante. Pero el autor del artículo afirma y se pregunta: "El universo se encuentra todavía en expansión, pero ¿cual es su destino final?".

La primera pregunta que el hombre se planteó siempre al contemplar "todo lo creado" fue ésta: ¿El universo existe desde siempre o ha habido un principio?. Cuando la ciencia todavía no podía avanzar ninguna respuesta, cada religión que nacía aprovechaba su ausencia para ofrecer su propia explicación, más o menos ingeniosa o poética. Pero también en este crucial punto el largo conflicto entre religiones y ciencia ha concluido definitivamente, pues la ciencia tiene ya la terminante e inesperada respuesta.Hace ahora unos 1010 años, toda la masa-energía del universo se hallaba concentrada en un pequeño volumen y una increíble explosión: el célebre big bang la lanzaba en todas direcciones. Desde entonces el universo no ha dejado de expandirse y enfriarse. Su temperatura inicial superó los 1010 grados Kelvin y el proceso de enfriamiento, muy rápido al principio, todavía continúa. En. el momento actual la temperatura media debida a los gravitones y neutrinos, que continúan propagándose libremente desde el principio, es extremadamente baja y del orden de unos 3º K, es decir, muy cercana al cero absoluto.

Nuestros conocimientos actuales de toda la historia del universo, incluyendo los primeros instantes -es especialmente ilustrativo en este aspecto el texto de S. Weinberg, titulado Los tres primeros minutos del universo- son bastante detallados y están respaldados por una abrumadora cantidad de hechos experimentales. Y sin embargo hasta hace solamente unas decenas de años, hasta comienzos de este siglo, la humanidad creía firmemente que el universo era estático e inmutable. Las primeras dudas sobre la permanencia del universo surgieron en 1917, al aplicar la recién creada teoría general de la relatividad de A. Einstein al problema cosmológico. Las ecuaciones de Einstein predecían -dicho en lenguaje matemático- existencia de una singularidad inicial, lo cual quiere decir que si el universo seguía las leyes descubiertas por Einstein no era ni permanente ni inmutable, y que, por el contrario, había ido aumentando su tamaño constantemene partiendo de un punto o singularidad inicial. Tan firmemente! ancladas estaban en el pensamiento filosófico occidental las ideas de permanencia e inmutabilidad del universo que el mismo Einstein, al conocer estas consecuencias de su teoría, dudó de sus ecuaciones e introdujo en ellas el denominado térm ¡no cosmológico, sin más fin que las nuevas ecuaciones permitieran la tan deseada inalterabilidad. Sólo unos pocos años después, en 1929, el astrónomo americano Hubble comprobaba experimentalmente que el universo, en efecto, se expandía conforme predecía la teoría de la relatividad, y Einstein recuperaba la confianza en sus ecuaciones y confesaba que la mayor equívocación de su vida había sido la introducción del término cosmológico.

De las cuatro clases de fuerzas que existen en la naturaleza, solamente las gravitatorias juegan un papel en este fenómeno, pues son las únicas que actúan a las enormes distancias que existen entre las galaxias.

La masa que falta

Y las fuerzas gravitatorias poseen una intensidad proporcional al producto de sus masas, según la teoría newtoniana, y no linealmente proporcional, según la teoría einsteiniana. De esto se deduce, casi intuitivamente, que si la densidad media de la materia en el universo fuera suficientemente elevada, la atracción debida a las fuerzas gravitatorias que actúan entre las galaxias sería capaz de frenar la velocidad con que se alejan unas galaxias de otras y, posteriormente, dete ner e invertir este proceso, trans formándose así la expansión en contracción. Un elemental ejemplo aclarará bastante la situa ción. Un proyectil lanzado verticalmentae desde la tierra, o bien saldrá al espacio exterior y no regresará jamás, o bien caerá después de un período de ascensión. Lo que finalmente suceda dependerá únicamente de su velocidad inicial al ser lanzado. Si ésta excede de un cierto valor -llamado velocidad de escape-, el proyectil no regresará jamás. Si su velocidad es inferior, caerá inexorablemente de nuevo a la tierra. En el caso del universo, la velocidad es reemplazada por su densidad media. Si ésta excede de un cierto valor, que se ha dado en denominar densidad crítica, el universo llegará a alcanzar unas ciertas dimensiones máximas, pero después empezará una fase de contracción que terminará en una gigantesca implosión -que en el lenguaje relativista se llama "colapso gravitacional"-, con la reunión en un pequeño espacio de toda la masa de las galaxias hoy en expansión.

El valor de esta densidad crítica de la masa-energía es H02 8 Tf siendo Ho el valor de la constante de Hubble en el momento actual, parámetro medible experimentalmente. De acuerdo con esto, la densidad media en el momento actual debería ser del orden de 5 X 10-30 g/CM3. Pero la densidad media determinada experímental es algo menor del orden de 2X 10-31 g/cm3. Esto significaría, si no dicen otra cosa las investigaciones en curso, que el universo continuaría expandiéndose indefinidamente y, como consecuencia, enfriándose cada vez más y más.

Pero una gran mayoría de astrorisicos concede un crédito inagotable a la relatividad general y sus predicciones, y se ha lanzado en busca de la missing mass, de la masa que falta, seguros de que la densidad media del universo debe ser la prevista por Einstein. Y efectivamente, poco a poco van apareciendo nuevas contribuciones a la densidad y su valor experimental sube año tras año. Probablemente antes del fin del presente siglo se habrá determinado experimentalmente si la densidad real llega o no a ser superior a la crítica.

Único o cíclico

Para ser más exactos en la somera descripción de la cosmología einsteiniana hay que añadir que ésta postula -para que todo lo descrito suceda- no solamente la necesidad de una densidad superior a la crítica, sino el carácter cerrado del espacio. Este carácter ¿errado significa que el volumen total del espacio disponible para la expansión es finito.

Hoy día el universo se encuentra todavía en expansión, pero ¿cuál es su destino final? ¿Cuál de los dos caminos descritos seguirá el universo en el futuro? Esta cuestión, aún no dilucidada, es quizá el problema más importante que tiene ante sí la física actual, y ello no solamente por su interés puramente científico, sino por sus consecuencias de todo orden, y en especial por el enorme impacto que, necesariamente, ha de producir en la filosofía.

Es preciso destacar primero que, en cualquiera de los dos casos, toda vida que haya aparecido en el universo tiene un fin inexorable marcado. Si el universo es cerrado y termina con un colapso gravitacional, es obvio que desaparecerá en este final toda vida. Si, por el contrario, la expansión continúa indefinidamentae, el agotamiento lento y continuo de toda clase de fuentes de calor y de energía implicaría idéntico final. En el primer caso la muerte se produciría al ir aumentando continuamente el calor durante el proceso de implosión. En el segundo, el frío iría adueñándose paulatinamente de todos los focos de vida que permanecieran en los distintos lugares del universo.

Pero existe una diferencia esencial entre ambos caminos en cuanto a sus implicacioies filosóficas se entiende. Si la ruta que sigue se demuestra experimentalmente que le conduce a una implosión, y aunque los varios mecanismos que inevitablemente producirían una posterior explosión no están totalmente estudiados, la gran mayoría de los científicos aceptaría que el universo es cíclico y, en consecuencia, que ha pasado por idénticas fases, de una duración aproximada de 6x1010 años entre cada explosión y posterior implosión. Esta alternativa, pues, supondría en definitiva un universo sin principio ni fin, que, por tanto, no exigiría postular ningún Creador.

Si, por el contrario, la expansión continuara indefinidamente, ello implicaría, obviamente, que el universo no puede ser cíclico, cualquiera que haya sido su historia anterior antes del big bang o de otras posibles fases. En esta hipótesis, el universo tendrá un final único, es decir, sería único e irrepetible. Quedará, no obstante, por dilucidar, como en el caso anterior, la cuestión de averiguar qué precedió al big bang. La verdadera gran cuestión pendiente es, pues -en palabras de C. W. Misner, K. S. Thorme y J. A. Wheeler-, la siguiente: "¿Podrá algún día el hombre penetrar en el misterio de la creación? No existe hecho alguno que nos incline más a pensar que la res puesta llegará algún día y que ésta será afirmativa que la constatación de la capacidad del hombre para predecir, y predecir correctamente, y predecir en contra de todas las expectativas, un fenómeno tan fantástico como la expansión del universo". Si, efectivamente, se encuentra la respuesta a esta transcenden tal cuestión, el hombre realmente habrá avanzado en el conocimiento de los que Unamuno llamaba "los grandes y eternos problemas humanos".

Y sería, en cierto modo, para dójico, y al mismo tiempo sor prendente, que el cosmos, que a lo largo de toda la historia humana, desde las tinieblas hasta la relatividad, fue siempre el misterio más impenetrable, fuera la llave que le abriera finalmente los ojos a un nuevo mundo de claridad y de luz, aunque quizá no de esperanza.

es académico de la Real de Ciencias.