*Esta nota fue originalmente publicada el 6 de noviembre de 2015.

El Big Bang es la teoría predominante (aunque no la única) en el modelo físico actual, que describiría el origen del universo… estuve a punto de poner “explicaría”, pero algo que uno debe entender respecto a la física y la ciencia en general, es que esta no está orientada a responder los “por qué”, sino que más bien los “cómo”, las causas observables de que pasen las cosas. 

Por ejemplo: “¿Cómo se originó el universo?”. Según el Big Bang, este se originó por una gran expansión. En cambio, la pregunta “¿Por qué se originó el universo?” corresponde a otros ámbitos más filosóficos y metafísicos, que no son la preocupación central de la ciencia, pues los pensamientos y razonamientos son invisibles, mientras que la ciencia se remite a lo observable.

Hecha esta pequeña aclaración, prosigo.

Cómo llegamos a la teoría del BigBang

El nombre Big Bang lo acuñó, curiosamente, un astrónomo que se oponía a esta teoría, Sir Fred Hoyle, el año 1949, mientras trataba de explicar de una forma gráfica las distintas teorías sobre el origen del universo.

Resulta que allá por 1912, el astrónomo norteamericano Vesto Slipher, se dio cuenta que las galaxias parecían estar alejándose todas de la Tierra. En 1927, George Lemaître plantea que se debe a la expansión del universo. Y luego, en 1931, plantea la idea central del Big Bang: que si retrocedemos en el tiempo, las galaxias y todo el universo, estarán más y más juntos, hasta quedar concentrados en un solo punto, desde el cual surgió todo.

Durante esa época, la teoría predominante era la del estado estacionario: planteaba que el Universo siempre había sido como lo vemos ahora, y que la expansión del mismo se explicaba porque siempre se estaba creando más materia. Además, la teoría del Big Bang tenía el problema de que sonaba sospechosamente religiosa, más aún considerando que George Lemaïtre, además de físico, era sacerdote.

Tras la segunda guerra mundial, las teorías cosmológicas más fuertes eran justamente esas: la del estado estacionario y la del Big Bang. El Big Bang predecía que, para cumplir con el principio cosmológico -el cual dice que mirado desde cualquier parte, el universo parece estar distribuido en forma pareja, o sea, es homogéneo mirado “desde lejos” (siempre me ha parecido curioso ese concepto)-, y como todo había comenzado por una gran expansión energética, debía existir un “eco” distribuido de manera pareja por todo el universo. O sea, los ecos de la gran explosión, en forma de una radiación de fondo prácticamente homogénea.

En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson, trabajaban instalando una antena ultrasensible en los laboratorios Bell, cuando se encontraron con un persistente ruido en su antena, en el área de las microondas, específicamente en los 7.5 cm. Revisaron la antena, vieron si es que algún pájaro había anidado en ella, la limpiaron… pero no. El ruido seguía, no importa dónde apuntaran. Lo único que les quedó, fue asumir que era una radiación que venía de más allá de nuestra galaxia. Paralelamente, los astrofísicos Dickes, Peebles y Wilkinson trabajaban en la Universidad de Princeton, a 60 km. de distancia, en una investigación que predecía la existencia de una radiación de fondo, con exactamente las mismas características que la descubierta casualmente por Penzias y Wilson. Un amigo de Penzias le contó que había visto un preprint del artículo (o sea, una versión en borrador que los investigadores difunden de manera limitada, para obtener opiniones y feedback), y los puso en contacto con Dickes y su equipo. Decidieron publicar sus resultados en conjunto, con lo que la teoría del Big Bang logró un apoyo experimental que no poseía la teoría del estado estacionario, volviéndose el Big Bang la teoría predominante hasta nuestros días.

Por esto, Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel de física en 1978.

Radiación de fondo, producto del Big Bang. Nasa / Equipo CMB

Poco después, en 1968 y 1970, Stephen Hawking, George F.R. Ellis y Roger Penrose publicaron investigaciones donde planteaban que al comienzo del universo, necesariamente debía haber ocurrido una singularidad del tiempo y del espacio. Esto es, un punto en el cual las leyes físicas desaparecen tal como las conocemos.

En 1981, Alan Guth resuelve varios problemas matemáticos y conceptuales que planteaba el modelo, al señalar que hubo un “período inflacionario” donde el universo se expandió 10²⁶ veces, fenómeno que duró un lapso cortísimo (para nuestra experiencia diaria): duró desde los 10^-36 hasta los 10^-32 segundos después del Big Bang (¡eso es un uno, precedido de 36 y de 32 ceros, respectivamente!). Es en ese preciso punto de expansión, cuando se distribuyen las cuatro fuerzas físicas que conocemos (gravedad, electromagnetismo, nuclear débil y nuclear fuerte), se define la estructura del universo, y además explica por qué la estructura del universo es plana, cosa que fue confirmada en 1992 por la misión COBE de la Nasa, que verificó la existencia de pequeñas anomalías en la radiación de fondo (del orden de la cienmilésima de la intensidad media detectada), que fueron predichas en 1970.

Por sus investigaciones, tanto Guth como la misión COBE recibieron el Nobel de Física, en 2002 y 2006, respectivamente.

Actualmente, se trabaja por descubrir qué rol cumplen la materia y la energía oscura en este modelo (para lo cual sería excelente que en primer lugar, se descubriera qué son realmente), y por qué la expansión del universo parece estar acelerándose.

En simple ¿en qué consiste el Big Bang?

Es una teoría, respaldada por información experimental (radiación de fondo, corrimiento al rojo de las galaxias, etc.), que plantea lo siguiente:

• Hubo un momento, hace aproximadamente 15 mil millones de años, en que todo el cosmos, surgió de un punto de infinita concentración que contenía toda la energía del universo (¡sí, toda!).
• Ese punto era necesariamente una singularidad en el tiempo y en el espacio, por lo que no tiene sentido preguntarse qué había “antes” del Big Bang, pues a medida que vamos retrocediendo en el tiempo, llegamos al punto en que el tiempo mismo se altera y pierde sentido.
• Una vez que surge el universo desde la singularidad, sufre una rapidísima expansión, en la cual se definen las correlaciones de las fuerzas del universo, y la estructura a gran escala del mismo. Tras ello, el universo disminuye su tasa de expansión (la cual comienza a aumentar misteriosamente desde hace 7 mil millones de años).
• Posteriormente, el universo se enfría lo suficiente para que haya luz tal como la conocemos, y luego lo suficiente para que haya partículas y no sólo energía.
• Este modelo explica, además de la estructura a gran escala del universo, por qué las galaxias parecen estar alejándose de nosotros y por qué el universo es homogéneo a gran escala (lo que tiene que ver con la distribución de energía en los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang).

El Big Bang según el Modelo Estándar. University of Michigan / Red Estelar

¡Pero hay otras teorías!

Aunque se trata de una teoría respaldada por datos experimentales, ello no implica que los datos no puedan ser explicados por otros modelos teóricos. Incluso, hay variaciones dentro del modelo estándar del Big Bang. Veamos algunos modelos.

1. Universo Cíclico: 

Plantea que el universo pasa por ciclos de expansión (Big Bang) y luego de compresión máxima (Big Crunch), en forma oscilatoria. 

Implica, además que no existen sólo las 3 dimensiones físicas que conocemos, sino que al menos 8 más, para que el modelo sea matemáticamente viable. Ello implicaría una riqueza extraordinaria en el universo que conocemos, y que escapa a nuestros toscos sentidos.

Este modelo tiene la ventaja experimental de que no obliga a la existencia de un multiverso, o sea, sólo existe el universo en el cual estamos, por lo que sería más fácil de probar. Asimismo, explica por qué la gravedad es aparentemente la fuerza más débil de las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza (se debería a que su energía se distribuiría también en las otras dimensiones que no podemos percibir).

"Big Bounce" o "Gran Rebote", en el Modelo Cíclico del Universo. New Scientist.

2. Universo Holográfico:

Juan Maldacena propuso en 1997, que el universo podría ser semejante a un holograma 3D proyectado sobre una esfera. En otras palabras, el universo sería bidimensional (plano), pero para nosotros aparentaría ser tridimensional, el mismo modo que el holograma de una tarjeta bancaria parece tener 3 dimensiones. Según investigadores de la Universidad Tecnológica de Viena, se trata de un modelo viable de nuestra realidad.

3. Torsión del espacio-tiempo:

Atractiva teoría de Nicolas Poplawski, quien plantea que el universo se comportaría como un objeto en el borde de un agujero negro, lo que nos hace pensar tanto en si es posible que ocurra lo mismo al interior de los agujeros negros, como que eso implica que posiblemente haya infinidad de otros universos.

4. Universo sin comienzo ni fin:

Según Roger Penrose, es posible que la singularidad al comienzo del universo, haya sido aparente, dando espacio a la existencia de un universo previo al nuestro.

Esta idea también es planteada, desde otro ángulo, por Ahmed Farag Ali y Saurya Das, quienes indican que además, no hay tampoco una singularidad donde el universo se comprima tras millones de años, sino que siempre se mantendría más o menos parecido, sin un final aparente.

(Gracias Ashniet Caskortish por la información sobre Poplawsky y Ali & Das!)

5. Inflación Eterna:

Planteada por Andrei Linde sobre ideas de Alan Guth, indica que en el período de “inflación” de nuestro universo, muy muy cerca del comienzo, se dieron las condiciones para que aparecieran muchos más universos a partir del nuestro, a partir de “bolsillos” que sufrieron su propio proceso de expansión… lo que da como resultado un universo fractal, que se repite eternamente, y donde cada universo podría tener sus propias leyes físicas, distintas todas entre sí.

Preguntas pendientes

Existen muchísimas preguntas sin responder:

- ¿Por qué las leyes y constantes fundamentales del universo, parecen estar ajustadas para la existencia de vida?

- ¿Por qué la orientación a gran escala del universo, en objetos a 13 mil millones de años luz, parece estar alineada con la orientación de nuestro sistema solar? ¿Es un error en las mediciones que aún no se ha detectado? ¿O existe alguna otra razón?

- ¿Existen otros universos?

- Y si todo empezó con una gran explosión… ¿cómo terminará todo?

Y ustedes, ¿qué piensan? ¿Es el Big Bang una explicación creíble? ¿Podrá la ciencia responder algún día, la pregunta por el origen del universo?