Expansión ahora, pero después, ¿qué?
Las soluciones de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein permitieron tres destinos posibles para el universo, dependiendo de la densidad promedio de la materia en él. Dada la expansión inicial a una velocidad promedio y la desaceleración continua que causa la gravedad, el universo puede crecer hasta cierto tamaño y luego volver a caer sobre sí mismo, como una pelota lanzada hacia arriba desde la superficie de la Tierra. Sin embargo, si la velocidad inicial es lo suficientemente grande y si la desaceleración de la gravedad es lo suficientemente débil porque la densidad promedio de la materia es lo suficientemente baja, el universo puede expandirse para siempre y nunca perder toda su velocidad inicial. La tercera posibilidad es el caso límite entre los dos primeros. El universo puede tener la velocidad inicial suficiente para superar la desaceleración de la gravedad después de expandirse durante mucho tiempo. En este caso, a medida que el universo se acerca al tamaño infinito, su velocidad inicial restante se acercará a cero. Los cosmólogos dicen que tal universo se expande a la "tasa crítica".
Los cohetes que lanzamos ahora usan la mayor parte de su combustible en los primeros minutos de vuelo para acelerar a alta velocidad. Si la velocidad final de un cohete después de abandonar la atmósfera terrestre es mayor que la "velocidad de escape", entonces el cohete se alejará para siempre de la Tierra, pero si la velocidad final del cohete es demasiado lenta, volverá a caer a la Tierra. El universo puede actuar de manera similar, eventualmente colapsando hacia adentro o expandiéndose para siempre.
Ninguno de los destinos es atractivo. Si el universo continúa expandiéndose, luego de mucho tiempo todo el combustible para todas las estrellas se habrá agotado. Si nuestra propia galaxia se quema primero, cualquier otra galaxia con un remanente de combustible estaría demasiado lejos para que nuestra posteridad la alcance, sin importar cuán avanzada pueda llegar a ser su tecnología de vuelo espacial. Tal universo terminará con toda la energía y el material restantes esparcidos demasiado ralos para sustentar vida de cualquier tipo. Esa será la “muerte térmica” del universo descrita por Sir James Jeans.[i]
[i] Jeans, James, The Universe around Us (Cambridge, 1960), cuarta edición, p. 280.
Si el universo se colapsa sobre sí mismo, todo será aplastado, quemado y destruido. Tal universo finalmente terminará como un enorme agujero negro, y nada escapará jamás de él.
De las tres posibilidades, la menos atractiva es la expansión a la tasa crítica, porque pospone el desastre por más tiempo. En 1981, los astrónomos sabían que la tasa de expansión se encuentra actualmente dentro de un factor de 100 de la tasa crítica.
Si el universo se expande más lentamente que la tasa crítica, entonces la gravedad finalmente detendrá la expansión y luego producirá una contracción y un Big Crunch [Gran Colapso] al final de los tiempos. Si la expansión hubiera sido sustancialmente menos rápida que la tasa crítica, entonces el Big Crunch llegaría demasiado pronto, antes que galaxias, estrellas, y planetas podrían formarse. El material en expansión habría perdido su impulso hacia el exterior muy rápidamente. Proporcionar el número completo de elementos atómicos, la base de la vida, lleva miles de millones de años. En un universo que se expandió demasiado lentamente, casi nada podría haber sucedido antes de que todo colapsara en un agujero negro. Ni siquiera la luz podría haber escapado de él.
Pero si la expansión hubiera sido sustancialmente más rápida que la tasa crítica, las partículas se habrían dispersado hacia el espacio vacío. Se habrían alejado tanto el uno del otro que su gravedad mutua nunca podría volver a unirlos en regiones densas. Todo el material sería expulsado como un fino gas de átomos. No podría haber una reunión gravitacional de material para producir las galaxias, estrellas y planetas. Sin planetas no podría haber vida en el universo.
Si la tasa de expansión fuera demasiado superior o demasiado inferior a la tasa crítica, la vida no sería posible en ninguna parte del universo.
Al principio, la tasa de expansión debe haber sido ajustada con mucha precisión para que la tasa de expansión actual esté lo más cerca posible de la tasa crítica. Consulte el Apéndice A para obtener una estimación de la precisión requerida. Este ajuste fino requiere un mecanismo de ajuste fino.
No sabemos qué mecanismo de ajuste fino operó o cómo causó el cambio físico que permite que el universo sustente la vida. Guth demostró que un cambio de fase (como el cambio de hielo en agua) podría haber producido el ajuste fino requerido para la tasa de expansión. Esto ayudaría al universo a alcanzar la tasa actual de expansión, la tasa que hace posible la vida. Sin embargo, ni Guth ni nadie más ha encontrado todavía un cambio de fase que funcione. Muchos cambios físicos son posibles. Incluso si los físicos alguna vez encuentran el cambio de fase correcto, aún tendrán que explicar por qué ocurrió ese cambio en lugar de cualquier otro. El único cambio de fase que haría posible la vida sucedió. ¿Fue eso escandalosamente buena suerte, o ¿un Fine Tuner [Afinador fino] benévolo eligió el mecanismo correcto y lo hizo operar en el universo primitivo para hacer posible la vida?
Hoy sabemos que la tasa de expansión es igual a la tasa crítica dentro de más o menos uno por cien. No es razonable creer que “simplemente tuvimos suerte”. Las posibilidades son tan pequeñas que los matemáticos generalmente están de acuerdo en decir que es imposible. Si sucede algo imposible, es un milagro, algo que muestra el funcionamiento efectivo de una inteligencia benéfica. Solo Dios hace milagros.
Expansión, pero no creada
Si uno hace un gráfico de la distancia promedio entre las galaxias a lo largo del tiempo, la línea debe ser ascendente desde el principio. Esta es la fase de expansión. Más tarde, si el universo no tiene suficiente velocidad de expansión para su densidad y gravedad, la línea debe alcanzar un máximo y luego descender. El gráfico de tal universo se parecerá a la trayectoria de una pelota después de su primer rebote y antes de su segundo rebote. Pero una pelota puede hacer varios rebotes. Esto hace que muchos cosmólogos piensen en lo que podríamos llamar el "universo que rebota". La idea tiene una conexión con la idea hindú de los ciclos universales.
El universo cíclico
La filosofía hindú proporciona una cosmología que es a la vez degenerativa y cíclica. El universo era bueno cuando se creó en la primera fase, el Krita Yuga. Luego degeneró a través de fases de cada vez menos bondad hasta la época actual, el Kali Yuga. Esperamos inundaciones y fuego que destruirán el universo. Luego se volverá a crear y comenzará un nuevo ciclo. Algunas personas han visto aquí una predicción de la cantidad física llamada entropía desde 2600 años antes del presente. Sin embargo, confunden degeneración y decadencia con entropía.
La filosofía hindú atrae a algunas personas a las que no les gustan las implicaciones filosóficas de un solo comienzo. El hinduismo, como la mayoría de las religiones antiguas, tiene varias deidades mayores y menores. No existe en hinduismo un Ser Supremo global no creado que puede crear todas las demás cosas y quizás saldar todas las cuentas antes de restaurar el universo a su estado prístino original.
Algunos cosmólogos modernos han buscado hacerse eco de la cosmología hindú y advocan que el universo sea cíclico. Pero notemos que no eluden la idea de creación. Sustituyen muchas épocas de regeneración por un solo acto de creación.
Aparte de las atracciones filosóficas y las conveniencias teológicas de la cosmología hindú, ¿qué tiene que decir la observación científica sobre la posibilidad de que el universo sea cíclico y pase por una serie de rebotes?
Cuando los cosmólogos supieron que el universo podría estar destinado eventualmente a expandirse o contraerse, los astrónomos comenzaron a realizar estudios sobre la distribución de las galaxias. Midiendo cuidadosamente las masas y distancias de las galaxias, concluyeron que la densidad es demasiado baja por un factor de diez para producir suficiente gravedad para detener la expansión. Toda la evidencia decía que el universo debe expandirse para siempre. Nunca habría ni siquiera un ciclo de expansión y contracción.
Un hecho como ese debería haber terminado con el problema, pero los defensores de una eventual contracción no se desanimaron. Señalaron que los astrónomos solo habían examinado la materia luminosa. La gravedad adicional podría provenir de la materia oscura. La búsqueda de materia oscura que mencionamos anteriormente en realidad comenzó hace muchos años.
Los datos del satélite WMAP descartaron recientemente una futura contracción, pero insistieron en que hay suficiente materia y energía oscura para frenar la expansión del universo al ritmo más lento posible.
Las soluciones de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein permitieron tres destinos posibles para el universo, dependiendo de la densidad promedio de la materia en él. Dada la expansión inicial a una velocidad promedio y la desaceleración continua que causa la gravedad, el universo puede crecer hasta cierto tamaño y luego volver a caer sobre sí mismo, como una pelota lanzada hacia arriba desde la superficie de la Tierra. Sin embargo, si la velocidad inicial es lo suficientemente grande y si la desaceleración de la gravedad es lo suficientemente débil porque la densidad promedio de la materia es lo suficientemente baja, el universo puede expandirse para siempre y nunca perder toda su velocidad inicial. La tercera posibilidad es el caso límite entre los dos primeros. El universo puede tener la velocidad inicial suficiente para superar la desaceleración de la gravedad después de expandirse durante mucho tiempo. En este caso, a medida que el universo se acerca al tamaño infinito, su velocidad inicial restante se acercará a cero. Los cosmólogos dicen que tal universo se expande a la "tasa crítica".
Los cohetes que lanzamos ahora usan la mayor parte de su combustible en los primeros minutos de vuelo para acelerar a alta velocidad. Si la velocidad final de un cohete después de abandonar la atmósfera terrestre es mayor que la "velocidad de escape", entonces el cohete se alejará para siempre de la Tierra, pero si la velocidad final del cohete es demasiado lenta, volverá a caer a la Tierra. El universo puede actuar de manera similar, eventualmente colapsando hacia adentro o expandiéndose para siempre.
Ninguno de los destinos es atractivo. Si el universo continúa expandiéndose, luego de mucho tiempo todo el combustible para todas las estrellas se habrá agotado. Si nuestra propia galaxia se quema primero, cualquier otra galaxia con un remanente de combustible estaría demasiado lejos para que nuestra posteridad la alcance, sin importar cuán avanzada pueda llegar a ser su tecnología de vuelo espacial. Tal universo terminará con toda la energía y el material restantes esparcidos demasiado ralos para sustentar vida de cualquier tipo. Esa será la “muerte térmica” del universo descrita por Sir James Jeans.[i]
[i] Jeans, James, The Universe around Us (Cambridge, 1960), cuarta edición, p. 280.
Si el universo se colapsa sobre sí mismo, todo será aplastado, quemado y destruido. Tal universo finalmente terminará como un enorme agujero negro, y nada escapará jamás de él.
De las tres posibilidades, la menos atractiva es la expansión a la tasa crítica, porque pospone el desastre por más tiempo. En 1981, los astrónomos sabían que la tasa de expansión se encuentra actualmente dentro de un factor de 100 de la tasa crítica.
Si el universo se expande más lentamente que la tasa crítica, entonces la gravedad finalmente detendrá la expansión y luego producirá una contracción y un Big Crunch [Gran Colapso] al final de los tiempos. Si la expansión hubiera sido sustancialmente menos rápida que la tasa crítica, entonces el Big Crunch llegaría demasiado pronto, antes que galaxias, estrellas, y planetas podrían formarse. El material en expansión habría perdido su impulso hacia el exterior muy rápidamente. Proporcionar el número completo de elementos atómicos, la base de la vida, lleva miles de millones de años. En un universo que se expandió demasiado lentamente, casi nada podría haber sucedido antes de que todo colapsara en un agujero negro. Ni siquiera la luz podría haber escapado de él.
Pero si la expansión hubiera sido sustancialmente más rápida que la tasa crítica, las partículas se habrían dispersado hacia el espacio vacío. Se habrían alejado tanto el uno del otro que su gravedad mutua nunca podría volver a unirlos en regiones densas. Todo el material sería expulsado como un fino gas de átomos. No podría haber una reunión gravitacional de material para producir las galaxias, estrellas y planetas. Sin planetas no podría haber vida en el universo.
Si la tasa de expansión fuera demasiado superior o demasiado inferior a la tasa crítica, la vida no sería posible en ninguna parte del universo.
Al principio, la tasa de expansión debe haber sido ajustada con mucha precisión para que la tasa de expansión actual esté lo más cerca posible de la tasa crítica. Consulte el Apéndice A para obtener una estimación de la precisión requerida. Este ajuste fino requiere un mecanismo de ajuste fino.
No sabemos qué mecanismo de ajuste fino operó o cómo causó el cambio físico que permite que el universo sustente la vida. Guth demostró que un cambio de fase (como el cambio de hielo en agua) podría haber producido el ajuste fino requerido para la tasa de expansión. Esto ayudaría al universo a alcanzar la tasa actual de expansión, la tasa que hace posible la vida. Sin embargo, ni Guth ni nadie más ha encontrado todavía un cambio de fase que funcione. Muchos cambios físicos son posibles. Incluso si los físicos alguna vez encuentran el cambio de fase correcto, aún tendrán que explicar por qué ocurrió ese cambio en lugar de cualquier otro. El único cambio de fase que haría posible la vida sucedió. ¿Fue eso escandalosamente buena suerte, o ¿un Fine Tuner [Afinador fino] benévolo eligió el mecanismo correcto y lo hizo operar en el universo primitivo para hacer posible la vida?
Hoy sabemos que la tasa de expansión es igual a la tasa crítica dentro de más o menos uno por cien. No es razonable creer que “simplemente tuvimos suerte”. Las posibilidades son tan pequeñas que los matemáticos generalmente están de acuerdo en decir que es imposible. Si sucede algo imposible, es un milagro, algo que muestra el funcionamiento efectivo de una inteligencia benéfica. Solo Dios hace milagros.
Expansión, pero no creada
Si uno hace un gráfico de la distancia promedio entre las galaxias a lo largo del tiempo, la línea debe ser ascendente desde el principio. Esta es la fase de expansión. Más tarde, si el universo no tiene suficiente velocidad de expansión para su densidad y gravedad, la línea debe alcanzar un máximo y luego descender. El gráfico de tal universo se parecerá a la trayectoria de una pelota después de su primer rebote y antes de su segundo rebote. Pero una pelota puede hacer varios rebotes. Esto hace que muchos cosmólogos piensen en lo que podríamos llamar el "universo que rebota". La idea tiene una conexión con la idea hindú de los ciclos universales.
El universo cíclico
La filosofía hindú proporciona una cosmología que es a la vez degenerativa y cíclica. El universo era bueno cuando se creó en la primera fase, el Krita Yuga. Luego degeneró a través de fases de cada vez menos bondad hasta la época actual, el Kali Yuga. Esperamos inundaciones y fuego que destruirán el universo. Luego se volverá a crear y comenzará un nuevo ciclo. Algunas personas han visto aquí una predicción de la cantidad física llamada entropía desde 2600 años antes del presente. Sin embargo, confunden degeneración y decadencia con entropía.
La filosofía hindú atrae a algunas personas a las que no les gustan las implicaciones filosóficas de un solo comienzo. El hinduismo, como la mayoría de las religiones antiguas, tiene varias deidades mayores y menores. No existe en hinduismo un Ser Supremo global no creado que puede crear todas las demás cosas y quizás saldar todas las cuentas antes de restaurar el universo a su estado prístino original.
Algunos cosmólogos modernos han buscado hacerse eco de la cosmología hindú y advocan que el universo sea cíclico. Pero notemos que no eluden la idea de creación. Sustituyen muchas épocas de regeneración por un solo acto de creación.
Aparte de las atracciones filosóficas y las conveniencias teológicas de la cosmología hindú, ¿qué tiene que decir la observación científica sobre la posibilidad de que el universo sea cíclico y pase por una serie de rebotes?
Cuando los cosmólogos supieron que el universo podría estar destinado eventualmente a expandirse o contraerse, los astrónomos comenzaron a realizar estudios sobre la distribución de las galaxias. Midiendo cuidadosamente las masas y distancias de las galaxias, concluyeron que la densidad es demasiado baja por un factor de diez para producir suficiente gravedad para detener la expansión. Toda la evidencia decía que el universo debe expandirse para siempre. Nunca habría ni siquiera un ciclo de expansión y contracción.
Un hecho como ese debería haber terminado con el problema, pero los defensores de una eventual contracción no se desanimaron. Señalaron que los astrónomos solo habían examinado la materia luminosa. La gravedad adicional podría provenir de la materia oscura. La búsqueda de materia oscura que mencionamos anteriormente en realidad comenzó hace muchos años.
Los datos del satélite WMAP descartaron recientemente una futura contracción, pero insistieron en que hay suficiente materia y energía oscura para frenar la expansión del universo al ritmo más lento posible.