VIII. OTRAS TEOR�AS DEL UNIVERSO

�POR QU� LA GRAN EXPLOSI�N?

LA MAYOR�A de los f�sicos y astr�nomos de la actualidad est� convencida de que la teor�a de la Gran Explosi�n es esencialmente correcta. Las pruebas m�s fuertes aparte de la expansi�n misma del Universo, son la radiaci�n de fondo y la abundancia del helio primordial. Estos dos descubrimientos, relativamente recientes, inclinaron definitivamente la balanza hacia la Gran Explosi�n. Hay que insistir en que esta teor�a no es un dogma —nadie pretende que lo sea—, sino una explicaci�n simple y natural de varios hechos observacionales que, de otra forma, no pueden comprenderse y, mucho menos, relacionarse entre s�.

Por otra parte, la objeci�n m�s seria a la teor�a de la Gran Explosi�n era que la edad del Universo, deducida de los datos de Hubble, resultaba inc�modamente corta, pues no exced�a la edad de la Tierra calculada por m�todos geol�gicos; pero este escollo fue superado cuando, en los a�os cincuentas, se revisaron todos los datos observacionales y se encontr� que la expansi�n del Universo era m�s lenta que la estimada por Hubble y, por lo tanto, la edad del Universo bastante mayor de la que se pensaba.

En cuanto al aspecto te�rico, se puede cuestionar la validez de la Relatividad General, sobre la cual est� basada la teor�a de la Gran Explosi�n. Nadie duda de que la mec�nica de Newton tiene limitaciones, pero se han propuesto otras teor�as gravitacionales que tambi�n la generalizan. Son muy pocos los experimentos u observaciones que se han podido hacer hasta la fecha para decidir cu�l teor�a gravitacional es la correcta; hasta ahora, la de Einstein ha pasado todas las pruebas, mientras que otras teor�as se han enfrentado a serias dificultades. Pero no se puede afirmar que la Relatividad General ha sido confirmada m�s all� de toda duda. En todo caso, el gran m�rito de esta teor�a es la simplicidad y la coherencia de sus conceptos, que la distinguen de teor�as rivales; si la est�tica tiene alg�n valor en las leyes de la naturaleza, entonces podemos confiar en la Relatividad General.

Para no ser parciales, vamos a citar a continuaci�n algunas de las teor�as cosmol�gicas rivales de la Gran Explosi�n; se�alando, cuando as� sea el caso, las dificultades con que se han topado para ser aceptadas plenamente. Algunas de estas teor�as proponen premisas totalmente distintas de la teor�a de la Gran Explosi�n, mientras que otras son variaciones sobre este tema.

LA TEOR�A DEL ESTADO ESTACIONARIO

Aquellos que reh�san aceptar que el Universo tuvo un principio, pueden encontrar una opci�n satisfactoria en la teor�a del estado estacionario. Seg�n �sta, el Universo no s�lo es uniforme en el espacio, sino tambi�n en el tiempo; as� como, a gran escala, una regi�n del Universo es semejante a otra, del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier �poca, ya que el Universo existe desde tiempos infinitos. Pero �c�mo reconciliar la expansi�n del Universo con su apariencia eterna? Si se expande, su densidad debe de disminuir al paso del tiempo. La hip�tesis fundamental de los proponentes del Universo estacionario es que nueva materia se crea continuamente de la nada, con lo cual la densidad del Universo se mantiene constante a pesar de la expansi�n. Para ello, es necesario que se creen aproximadamente 10^-24 gramos de materia por kil�metro c�bico cada a�o, masa que equivale a apenas un �tomo de hidr�geno. Evidentemente, queda del todo fuera de nuestras posibilidades comprobar experimentalmente si tal efecto existe. Por otra parte, la teor�a no postula que la materia nueva se crea uniformemente por todo el espacio; podr�a ser que nace en regiones muy espec�ficas, como por ejemplo en los n�cleos de las galaxias, donde ocurren fen�menos muy extra�os, como veremos en el cap�tulo X.

La teor�a del estado estacionario perdi� su popularidad cuando se descubri� la radiaci�n de fondo, ya que no la explica de manera natural, en contraste con la teor�a de la Gran Explosi�n. Adem�s, la suposici�n de que se crea masa, y justamente en la proporci�n necesaria para mantener constante la densidad del Universo, es totalmente ad hoc y no est� sustentada en ninguna teor�a f�sica o hecho observado.

LA HIP�TESIS DEL FOT�N CANSADO

Hemos indicado hasta ahora que el corrimiento de las l�neas espectrales de las galaxias se debe al efecto Doppler: �sta es la �nica explicaci�n en el marco de la f�sica contempor�nea. Sin embargo, no puede excluirse la posibilidad de que alg�n fen�meno desconocido, y no la recesi�n de las galaxias, sea la causa del corrimiento.

El mismo Hubble fue extremadamente cauto al respecto. Siempre tuvo cuidado de se�alar que el corrimiento al rojo se debe, probablemente, al efecto Doppler, pero que otras explicaciones no pueden excluirse a priori. La aprehensi�n de Hubble se deb�a a que la edad del Universo que resultaba de sus observaciones era incompatible con la edad de la Tierra. Cuando esta aparente contradicci�n se resolvi�, cobr� nuevo vigor el concepto de que las galaxias realmente se alejan de nosotros.

Si no se acepta que el Universo est� en expansi�n, sino que las galaxias se encuentran fijas a la misma distancia, s�lo se puede postular que los fotones pierden energ�a —"se cansan"— al atravesar las distancias c�smicas, por lo que nos llegan con menos energ�a de la que dispon�an al iniciar su traves�a —o sea, corridos hacia el rojo—. Empero, nuestros conocimientos de la f�sica no aportan ning�n sustento a esta hip�tesis. Un fot�n no puede perder energ�a a menos de que choque con otra part�cula, pero esto provoca tambi�n que la trayectoria del fot�n se desv�e. Despu�s de un gran n�mero de choques los fotones que transportan la imagen de un objeto se desv�an aleatoriamente, volviendo borrosa la imagen. Sin embargo, nada de esto sucede con las galaxias: sus im�genes son n�tidas, sus l�neas espectrales est�n claramente localizadas, y los objetos c�smicos m�s lejanos no se ven como manchas borrosas.

La �nica otra circunstancia que se conoce en la que un fot�n pierde energ�a es cuando tiene que escapar de la atracci�n gravitacional de un cuerpo masivo. Sin embargo, se puede demostrar que esto ocurre a costa de que las l�neas espectrales se ensanchen notablemente, lo cual no se ha detectado. Adem�s, una galaxia lejana exhibe un corrimiento al rojo uniforme en toda su extensi�n, mientras que su masa est� concentrada en su n�cleo y, por lo tanto, su atracci�n gravitacional es m�s intensa all�.

�ES CONSTANTE LA CONSTANTE DE LA GRAVITACI�N?

�De qu� orden de magnitud es el tiempo caracter�stico de los procesos at�micos? Si combinamos la carga q de un electr�n con su masa m y la velocidad de la luz c, podemos formar la cantidad q²/mc³ que tiene unidades de tiempo: equivale a unos 10^-23 segundos; y es la unidad de tiempo m�s apropiada para describir los fen�menos at�micos.¹

Si medimos la edad del Universo en esa unidad at�mica obtenemos, evidentemente, un n�mero inmenso: aproximadamente 10⁴⁰. No habr�a nada de qu� sorprendernos si no fuera por una curiosa coincidencia. Hemos visto que la fuerza el�ctrica entre un prot�n y un electr�n es unas 10⁴⁰ veces m�s intensa que la gravitacional �Es una casualidad que este n�mero tambi�n sea, aproximadamente, la edad del Universo medida en unidades at�micas? No hay ninguna respuesta obvia; podr�a ser una casualidad, sin ninguna consecuencia, como podr�a ser la clave de un problema cosmol�gico fundamental. Hace algunas d�cadas, el f�sico brit�nico Dirac formul� la hip�tesis de que la constante de la gravitaci�n G no es en realidad constante sino que disminuye con el tiempo, por lo que la fuerza gravitacional en el pasado era m�s intensa. Seg�n Dirac, la fuerza electromagn�tica y la gravitacional entre un prot�n y un electr�n ten�an la misma intensidad cuando naci� el Universo, pero la "constante" gravitacional fue disminuyendo proporcionalmente con el tiempo; en el presente, es 10⁴⁰ veces m�s peque�a que en el "principio", porque han transcurrido 10⁴⁰ unidades at�micas de tiempo.

La conjetura de Dirac ha inspirado diversas teor�as gravitacionales y cosmol�gicas. La �nica manera segura de comprobarlas o refutarlas es medir directamente una posible variaci�n de G. Por ejemplo, si la gravitaci�n disminuye con el tiempo, la Tierra deber�a de inflarse lentamente, lo cual tendr�a implicaciones geol�gicas que merecen estudiarse. Asimismo, la Luna se encontrar�a m�s cercana a la Tierra en el pasado y el mes lunar habr�a sido m�s corto. A partir de estas consideraciones, se ha podido establecer que G no var�a con el tiempo en m�s de una parte en 10¹⁰cada a�o —que corresponde a la precisi�n de las mediciones— pero la hip�tesis de Dirac predice una variaci�n a�n menor, por lo que todav�a no se puede afirmar nada definitivo sobre la constancia de G.

En cuanto al Universo, una fuerza gravitacional m�s intensa en el pasado habr�a afectado la expansi�n inicial, y esto, a su vez, modificado la producci�n de helio primordial. Desgraciadamente, las teor�as con G variable que han aparecido hasta ahora no son lo suficientemente precisas para predecir una abundancia espec�fica de helio u otros elementos, por lo que a�n no se puede afirmar algo sobre la variaci�n de G con base en la s�ntesis de los elementos primordiales.

EL UNIVERSO DE MATERIA Y ANTIMATERIA

Cuando miramos el cielo y vemos estrellas y galaxias, �podemos estar seguros de que est�n hechos de materia y no de antimateria? Una respuesta rigurosa ser�a negativa: las propiedades de la materia y la antimateria son las mismas, excepto por un cambio global del signo de las cargas (y la peque�a asimetr�a que ya mencionamos, pero que no tiene importancia para las consideraciones que siguen). Un anti�tomo estar�a formado por un n�cleo (de carga negativa) de antiprotones y antineutrones, rodeado de positrones (de carga positiva); pero la luz emitida por tal anti�tomo —y particularmente el espectro— ser�a id�ntico a la emitida por un �tomo normal. Por ello resulta imposible determinar si un objeto que se ve a lo lejos, en el espacio, est� constituido de materia o antimateria, ya que el �nico conocimiento que tenemos de �l es a trav�s de la luz que nos manda. Quiz�s la galaxia de Andr�meda est� hecha de antimateria. Y quiz�s algunas de las estrellas que vemos en nuestra galaxia son "antiestrellas". La �nica manera de confirmarlo directamente es enviarles una sonda espacial y ver si, al contacto con ellas, se aniquila �ntegramente.

Sin embargo, no todo lo posible es real, y no hay ninguna raz�n perentoria de que la antimateria sea tan abundante como la materia. Muy por el contrario, el hecho de que el Universo est� en expansi�n y que, por lo tanto, su densidad de masa haya sido alta en el pasado remoto, descarta la posibilidad de que parte de la antimateria haya podido evitar el contacto con la materia y se haya salvado de la aniquilaci�n (cuando la temperatura c�smica baj� a 10⁹ grados Kelvin). En s�ntesis, una abundancia comparable de materia y antimateria es incompatible con la teor�a de la Gran Explosi�n.

Otra dificultad es que si las nubes interestelares fueran parcialmente de antimateria, se estar�an aniquilando y producir�an un flujo continuo de rayos gamma. Los sat�lites artificiales dise�ados especialmente para estudiar rayos c�smicos no han detectado nada que pueda corresponder a tal proceso.

Si existen antiestrellas o antigalaxias en el Universo, podr�an, ocasionalmente, entrar en contacto con estrellas o galaxias de materia y producir explosiones catastr�ficas. Algunos f�sicos han sugerido que �ste es el origen de la actividad en los n�cleos gal�cticos y en los cuasares (v�ase el cap. X). Por lo que respecta a la vida organizada, esperemos que si existen seres de antimateria en alg�n lugar del Universo, no tengan la ocurrencia de visitarnos, pues las consecuencias ser�an fatales para ambos.

NOTAS

1 Como dato informativo: equivale a 10²¹ veces el tiempo de Plank.