¿Quién no ha oído hablar del big bang, o leído algo sobre él?. Es la gran explosión con la que comenzó nuestro universo, tal como lo conocemos.
Un error frecuente en muchas personas cultas es suponer que toda la materia se hallaba reunida en un punto o una región muy pequeña del espacio, y que todo el “resto del universo” estaría “vacío”. En realidad, no es tan simple, pues no solo la materia, sino también el espacio estaría “dentro” de esa pequeña región primera. El astrónomo y abate belga Lemaitre lo llamó átomo primordial, y desde entonces todos los científicos han tratado de hallar la prueba irrefutable de la existencia de dicho átomo. Pero si todo el espacio, en aquel momento (¿alguien puede imaginar un tiempo anterior al big bang? El tiempo que nos es común y cotidiano comenzó también con el big bang), estaba envuelto y ahora está totalmente desarrollado, ¿de qué manera o de qué forma podemos estar seguros de que es así? ¿Cómo podemos saber que el universo se está expandiendo? ¿Cuáles son las huellas de la gran explosión (el big bang), si es que ha dejado alguna? Vamos a ver cuáles son las evidencias experimentales y las teorías físicas que nos han llevado a nuestra actual visión del tema.
El nacimiento de la cosmología, la ciencia que estudia el comienzo y la evolución del universo, se produjo en tiempos muy recientes, aproximadamente sobre la segunda década del siglo XX. Naturalmente, antes también había personas que se planteaban estas cuestiones, pero desde el punto de vista de la física clásica, que nació con Newton, las cuestiones cosmológicas llevaban intrínsecamente una contradicción. La paradoja de Olbers –según la cual, suponiendo que el universo fuese homogéneo e infinito, el cielo nocturno debería resplandecer con un brillo infinito– estaba basada en un razonamiento geométrico y en la estricta aplicación de la ley de propagación de la intensidad luminosa. Del mismo modo, la ley de la gravitación de Newton nos llevaba a la conclusión de que el universo debería colapsarse sobre sí mismo, ya que las estrellas se atraerían entre sí debido a la fuerza gravitatoria que se ejercen mutuamente. Con estas paradojas no es difícil de entender que, desde el punto de vista de la ciencia experimental, la física, no se debatiesen asuntos cosmológicos.
No es extraño suponer que fuese Einstein, con su teoría general de la relatividad, quien sentase las bases de la cosmología moderna. De las ecuaciones de su teoría se deduce que la geometría local, que puede ser interesante desde el punto de vista físico, depende de la distribución de materia y de energía en el entorno en que realizamos las mediciones, es decir, la geometría es local, y además, cada entorno tiene su propio espacio y su propio tiempo, que ya no pueden tratarse separadamente, sino que forman un ente común, el espacio-tiempo. Y todo lo anterior sólo sería válido en un sitio y en un momento determinados, los del observador que realiza las mediciones. Inmediatamente, surge la cuestión de si esta geometría física y local puede generalizarse, es decir, si es extensible a todo el universo, desde el sistema solar a la galaxia más alejada. Para poder hallar soluciones que sean aplicables a todo el universo, debemos suponer que la materia se encuentra uniformemente distribuida en todo el cosmos. Sabemos que esto, en un entorno local, no es así, por ejemplo en nuestro sistema solar, pero en general las observaciones realizadas con telescopios nos muestran un universo altamente uniforme y homogéneo.
Un meteorólogo ruso, Friedman, relativista a horas perdidas, halló un conjunto de soluciones de las ecuaciones de Einstein, que postulan un universo que no es estático, tal como se suponía hasta entonces. De hecho, Einstein estaba tan imbuido de la idea de que el universo tenía que ser estático que introdujo en sus ecuaciones una constante, la constante cosmológica, que frenaría la expansión del universo y lo mantendría estático. Como veremos, fue su mayor error. También los genios se equivocan. Fue el astrónomo norteamericano Hubble quien descubrió que las galaxias más lejanas presentaban un corrimiento hacia el rojo más acusado, lo que indicaba que su velocidad de alejamiento era muy elevada; es decir, todas las galaxias se alejan del observador, con una velocidad proporcional a su distancia: mientras más lejos esté, más rápidamente se aleja. La llamada ley de Hubble vino a dar evidencia experimental a la teoría de la relatividad al mismo tiempo que echaba por tierra la constante cosmológica de Einstein y la visión de un universo estático.
El problema que se vuelve a plantear es: si las galaxias ahora se están alejando entre sí, en un pasado lejano (actualmente se estima en unos trece mil millones de años) deberían estar todas reunidas en un mismo sitio, el átomo primigenio de Lemaitre. Este átomo primigenio sería una singularidad desde el punto de vista físico, un lugar donde las leyes físicas que actualmente conocemos (incluida la teoría de la relatividad general) no tendrían aplicación. Stephen Hawkings demostró de una manera abstracta y general que las soluciones de las ecuaciones de Einstein forzosamente llevan implícita una singularidad.
Una posible solución a las singularidades sería aplicar de manera estricta el principio cosmológico perfecto, que postula que el universo presenta siempre el mismo aspecto (a gran escala), sea cual sea el lugar de observación y el tiempo en que se haga. Según esta teoría, conocida como teoría del estado estacionario, el universo habría estado expandiéndose desde el pasado infinito y continuaría expandiéndose durante el futuro infinito. Para evitar el enrarecimiento de la materia (que la materia sea cada vez más escasa en el universo debido al aumento del espacio provocado por la expansión), debemos suponer que la materia se crea. Este proceso de creación de materia sería inobservable por medios físicos, ya que bastaría que apareciese un átomo de hidrógeno por año en el volumen de un litro para que se pudiese mantener la densidad actual de materia que observamos. Parece muy extraña la idea de la creación de materia, pero no menos que la singularidad. Ahora bien, ¿cuál de las dos hipótesis es la correcta? ¿Hay algún hecho experimental que pueda decidirnos por alguna de las dos teorías, la del estado estacionario o la del big bang?.
En 1946 Gamow, físico ruso asentado en los EE.UU., sugirió que si la teoría del big bang era cierta, en las primeras etapas del universo habría tanta materia comprimida en un lugar tan pequeño que forzosamente tuvieron que producirse reacciones termonucleares que transformaran el hidrógeno en helio, con lo que se explicaría la abundancia de helio en el universo, alrededor de un 10%, lo que es inexplicable suponiendo que el helio se hubiese sintetizado únicamente en el interior de las estrellas por fusión nuclear. Estas reacciones termonucleares elevaron muchísimo la temperatura, y como esta etapa tuvo que durar muchísimo tiempo, se estableció lo que se conoce como equilibrio térmico, es decir, la materia y todo el espacio comenzó a irradiar, de la misma forma que irradia primero calor (infrarrojo) y luego luz visible (rojo intenso) un trozo de hierro puesto a calentar. Esta radiación inicial del universo sería muy homogénea e isótropa, es decir, parecería venir de todos los lugares del universo con la misma intensidad. Gamow calculó que, dado el tiempo que ha pasado desde la gran explosión, esta luz tendría que haberse enfriado paulatinamente, ya que el universo, al expandirse, se enfriaría, y hoy estaría en la región de las microondas (apenas unos centímetros de longitud de onda), el equivalente a una temperatura actual de unos 10 grados kelvin (de 263 grados bajo cero, calculada por Gamow). Pero era imposible, en 1946, concebir que en cierto rango de longitud de onda convenientemente escogido, esta radiación fuera no solamente medible, sino incluso mucho más intensa que cualquier otra fuente de radiación que estuviera fuera de la Tierra.
La predicción de Gamow había sido olvidada cuando en 1965, por primera vez, dos ingenieros de telecomunicaciones norteamericanos, Penzias y Wilson, que se hallaban probando un detector de microondas en un radiotelescopio, descubrieron casi por casualidad que el fondo del cielo emite una radiación correspondiente a una temperatura de 3 kelvin (270 grados bajo cero), a una longitud de onda de radio de 7 cm, con una intensidad cien veces mayor de la que podía esperarse de todas las radiofuentes conocidas. Desde entonces se han realizado numerosos experimentos, y todos han dado resultados positivos en la detección de dicha radiación. Así pues, Gamow estaba en lo cierto, y la teoría del big bang se impuso a su homóloga del estado estacionario, ya que los argumentos que se dieron para explicar la radiación de fondo eran extraordinariamente complicados y, por razones de simplicidad y estética, acabó dominando la teoría del big bang. De todos modos, la cuestión sobre el comienzo del universo no está ni mucho menos resuelta, pues aunque pueda explicar el origen de la radiación de fondo (la luz del big bang), el problema de la singularidad sigue presente, y además, un big bang tan caliente no puede explicar la distribución de materia que observamos, donde la mayoría se encuentra concentrada en estrellas y galaxias con muchísimo espacio vacío entre ellas.
A modo de curiosidad, si ustedes tienen un televisor, lo encienden y lo desintonizan, es decir, que no coja ningún canal, un 5% de la borrosidad que perciben se debe a la radiación de fondo del universo; desde un televisor podemos ver la luz del big bang, la huella presente de la Gran Explosión.