LA FORMA DEL UNIVERSO
¿Alguna vez te has planteado cómo es el Universo? ¿Su forma? ¿Su color? ¿Su tamaño?...Seguro que si me contestas la pregunta me dirías algo así como:
““Pueesss…infinito, de color oscuro, “es como cuando por ejemplo” se va la luz en casa, no ves nada, pero…mucho más grande””
Como cabe esperar, un astrónomo (que no astrólogo) no te daría esta contestación, así que, mediante este artículo, vamos a intentar que tengas una visión algo más científica de esta gran cuestión para la humanidad.
El universo según Ptolomeo
Para empezar a elaborar tu idea “científica” del Universo, debes saber, que la ciencia que se encarga de él se denomina Cosmología. Esta disciplina existe desde hace unos 1700 años, cuando Ptolomeo creó su modelo geocéntrico del Universo, el cual situaba nuestro planeta en el centro del Universo, alrededor del cual existían esferas cristalinas concéntricas formadas por éter (la última capa constituía el límite del universo, era por lo tanto, finito), sobre las que se movían la Luna, el Sol y los planetas entonces conocidos. La Tierra, a su vez, estaba compuesta por cuatro elementos: aire, fuego, tierra y agua. Esta idea, aunque un tanto arcaica, puede parecer la más convincente para los “peques de la casa”, puesto que define los movimientos del universo vistos desde la Tierra.
El universo según Copérnico
Más tarde, durante la Edad Media, la Iglesia hizo su “gran aportación” añadiendo a esta idea El Paraíso, El Purgatorio y El Infierno. Como a toda teoría, le surgieron sus problemas: no podía explicar el movimiento retrógrado (movimiento irregular de los planetas) el cual fue solucionado con los llamados epiciclos (pequeñas esferas que contenían al planeta y rodaban sobre las grandes geocéntricas).
Copérnico (1473-1543) cambió radicalmente esta postura, situando ahora al Sol en el centro del Universo (heliocentrismo).
Posteriormente, Tomás Diggels concibió la idea de un espacio infinito, quitando la última capa concéntrica expuesta por Ptolomeo anteriormente que contenía a las estrellas fijas.
Newton (1642-1727) reforzó la idea heliocentrista con la Ley de Gravitación Universal y sus tres famosas Leyes del movimiento. Para esta concepción también había dificultades: consistieron en las paradojas de Bentley (imposibilidad de distribución estática de masas) y Olbers (si el Universo es estático, infinito y uniforme, cualquier dirección debe finalizar en una estrella entonces; ¿por qué el cielo no está completamente brillante?)
Hubble (1889-1953) descubre una estrella cefeida (emite luz intermitente) en la nebulosa de Andrómeda, la cual está mucho más alejada del resto deduciendo que es una galaxia. Con ayuda del efecto Doppler mide la distancia a otras galaxias encontrando la razón H=V/R (constante de Hubble). Demuestra así que el Universo está en expansión y da comienzo al modelo actualmente aceptado (modelo de Big Bang). Como curiosidad añadimos que a causa de este fenómeno ocurrido hace millones de años percibimos su eco en algunas de las “mijitas” que podemos ver en el televisor cuando perdemos un canal (radiación cósmica de fondo).
Hasta ahora, las distintas teorías no han incluido los conceptos de espacio y tiempo, conceptos éstos sobre los cuales Einstein (1879-1955) puso el foco. Dejaron de ser absolutos y pasaron a depender del observador (relativos).
Para poder explicar este postulado debemos introducirnos un poco en la Teoría General de la Relatividad basada esencialmente en dos principios: 1) Principio de Relatividad General (“las leyes de la física son las mismas para todos los observadores, cuales quieran que sean sus movimientos “) 2) Principio de Equivalencia (“no hay forma de distinguir entre los efectos sobre un observador de un campo gravitacional uniforme o de una aceleración constante”).
A partir de la TGR (teoría general de la relatividad), podemos sacar tres conclusiones diferentes en relación al tema que nos ocupa:
Curvatura positiva: en la cual se abomba uniformemente hacia fuera, como en una esfera.
Curvatura cero: No se abomba en absoluto, como en un plano infinito o una pantalla de videojuego (si sales por la izquierda de la pantalla entras por la derecha o si sales por la parte superior entras por la inferior y viceversa)
Curvatura negativa: Se contrae uniformemente hacia adentro como en una silla de montar.
Para comprender estos tres tipos de curvatura, debemos introducir algunos conceptos relacionados con ellas.
La expansión del Universo aparece directamente como consecuencia de la imposibilidad de una distribución estática de masas, justamente la misma dificultad, que como vimos, planteó Bentley a la cosmología Newtoniana.
La parte espacial de la métrica de Robertson y Walker tiene un factor R (t), llamado función de expansión del universo que corresponde a la variación con “el tiempo” de la distancia media entre galaxias. El tiempo aquí, llamado tiempo cosmológico, corresponde al tiempo propio de los observadores que se mueven con las galaxias, que reciben el nombre de observadores fundamentales. De la ecuación de Einstein se obtiene la evolución de la función R (t) con el tiempo, y se tienen dos posibilidades según el valor de la densidad media de materia. La situación es idéntica al experimento mental newtoniano de lanzamiento hacia arriba de una piedra desde la superficie de la Tierra. Todo depende de la velocidad con la que se lance la piedra. Si dicha velocidad supera los 11.2 kilómetros por segundo, la llamada velocidad de escape, la piedra irá disminuyendo su velocidad, pero ésta nunca llegará a anularse, con lo cual la piedra se alejará indefinidamente de nosotros. Si no se supera la velocidad de escape la piedra volverá a caer sobre la Tierra. Esto es el resultado del principio de conservación de la energía.
En el fenómeno de expansión del Universo se trata de saber si domina la energía potencial gravitatoria o la energía cinética.
Una galaxia situada a una distancia R de nosotros, como la piedra, y la materia contenida en una esfera de centro nuestra galaxia y de radio R como la Tierra. La velocidad a la que se aleja la galaxia, V, la podríamos calcular si conociéramos con precisión la constante de Hubble, ya que H = V / R. Para saber si esta velocidad supera o no a la de escape tendríamos que conocer la masa en la esfera de radio R, y para ello precisaríamos conocer la densidad media de materia en el Universo. La densidad correspondiente a la velocidad de escape se llama densidad critica, y es equivalente a 10 átomos de hidrogeno por metro cúbico. A pesar de ser ésta una cantidad muy pequeña, la estimación actual de la materia luminosa del Universo no llega a un 2 por ciento de dicha cantidad.
De la ecuación de Einstein podemos deducir las diferentes curvaturas del universo:
1) Si la densidad media supera la cítrica, el universo sería cerrado y finito, correspondiendo a una esfera tridimensional.Esta esfera se estaría expandiendo a partir de una singularidad puntual y la distancia entre sus puntos iría aumentando en la misma proporción que R (t). La velocidad de la expansión sería cada vez menor debido a la atracción gravitatoria, llegando a un momento en el que se detendría y comenzaría a contraerse, el llamado big crunch. Propiedades: espacio no euclídeo, la recta no sería el camino más corto, la suma de ángulos de un triángulo sería más de 180º y la longitud de una circunferencia dividida entre en diámetro, es menor que Π.
2) Si la densidad media es menor que la crítica, el universo sería abierto e infinito, a este se le llama espacio hiperbólico. Propiedades: la suma de los ángulos de un triángulo es menor que 180º y la longitud de una circunferencia dividida por el diámetro es mayor que Π, aquí también el universo se expande cada vez más lentamente pero la atracción gravitatoria no es lo suficiente fuerte como para lograr detenerla.
3) Si la densidad media es igual a la crítica, en este caso el universo sería plano, abierto e infinito, se expande indefinidamente y en el límite la velocidad de expansión tiende a cero y regiría la geometría euclídea que nos enseñan en el Instituto.
Para los astrofísicos actuales, la idea de un universo plano es la más convincente (algunas teorías hablan de un universo plano, es decir que partiendo desde un punto exacto se puede recorrer el universo linealmente e infinitamente). Por el contrario otras teorías afirman que el universo es circular o esférico. Esto quiere decir que recorriendo el universo, siempre pasaremos por el mismo lugar una y otra vez ya que seria un universo finito en vez de infinito. Algunos estudios de la Nasa y otras organizaciones, muestran que siguiendo con la teoría de la relatividad y el tiempo de alguna forma las imágenes se distorsionan siguiendo una curva. Esto indicaría que el universo es curvo y que sí tiene fin).
Para los más curiosos la explicación en: http://www.astronomia.net/cosmologia/cosmonews.htm#1%20de%20Mayo%20de%202001 )
Como colofón, exponemos otras teorías relacionadas con la forma del Universo:
1) Universos pequeños: idea de Universo con las características antes expuestas de la curvatura cero, pero finito.
2) Teoría de cuerdas: Universo con diez dimensiones (las tres espaciales habituales, la temporal, y seis más enrolladas en bucles del tamaño de la longitud de Planck).
3) Infinidad de Universos islas: posibilidad de aparición de nuevos Universos a partir de los agujeros negros
4) Hipótesis de los Multiversos (basada en algunas ideas de la teoría cuántica): es la que causa mayor impacto a primera vista ya que expone la ramificación de nuevos Universos de modo que todo lo que puede ocurrir ocurre en cada uno de estos universos (en éste estás leyendo este artículo, en otro estarías dando clase de lengua, en otro en un yate tomando el sol…)
FUENTES DE INFORMACION:
- “La teoría de la relatividad y la forma del universo” José Carlos Criado Cambón
- http://www.astronomia.net/cosmologia/FAQ.htm
- http://es.wikipedia.org/wiki/Forma_del_Universo
