TEÓRICOS VERSUS EXPERIMENTALES en los descubrimientos cosmológicos

La investigación científica es un método de conocimiento que consiste en la formulación de hipótesis que deben ser comprobadas mediante la observación de la realidad.

Por muy bella que sea una teoría, no se considerará científica hasta que no sea corroborada experimentalmente; y al contrario, un experimento o la observación de un nuevo fenómeno natural carece valor científico si no hay una teoría que explique el por qué de ese suceso.

En astronomía, Galileo y Kepler son dos ejemplos de científicos que fueron a la vez grandes teóricos y grandes observadores, pero posteriormente estas dos vertientes del oficio se fueron separando hasta la especialización definitiva de los científicos en el campo teórico o en el experimental.

Dos de los ejemplos más emblemáticos de esta especialización en el siglo XX fueron Einstein, el genial teórico que puso patas arriba la concepción newtoniana del cosmos y Hubble, a quién debemos nuestra visión actual del cosmos.

A veces, el equipo de los experimentales “le mete un gol” a los teóricos: observan algún fenómeno que no cuadra con la teoría vigente obligando a los teóricos a desarrollar otra mejor, con lo que los primeros se llevan el Nobel.

Otras veces ocurre justo al revés: los teóricos desarrollan una teoría con sólo su pensamiento que desafía la visión convencional de la realidad; luego los experimentales realizan las pruebas necesarias para comprobar la validez de la teoría (y generalmente vuelven a llevarse el Nobel).

La historia de las teorías sobre el Cosmos, desde el Big Bang hasta la hipótesis de los multiversos, es como un largo partido de fútbol entre teóricos y experimentales que no deja de dar sorpresas a cada nuevo descubrimiento.
Relatividad especial y la curvatura de un rayo de luz (Teóricos 1 – Experimentales 0)

Einstein ideó su teoría de la relatividad imaginando cómo vería el mundo una persona subida encima de un rayo de luz. Ideas en estado puro y matemáticas, estas fueron las únicas herramientas de Einstein para determinar que el tiempo y el espacio son relativos y dependientes el uno del otro en el tejido del cosmos que llamamos espacio-tiempo.

En 1919 su teoría sería aceptada tras la observación de la curvatura de la luz a su paso por el tirón gravitatorio de una gran masa durante un eclipse solar, en una expedición especialmente ideada por Arthur S. Eddington para comprobar la validez de la teoría de Einstein.

einstein and eddington
Cartel de la película Einstein and
Eddington Fuente: IMDB

El Universo se expande (Teóricos 1 – Experimentales 1)

Los descubrimientos de Edwin Hubble, mirando a través del telescopio más potente de la época, fue tan revolucionario como las teorías de Einstein. Para empezar, antes de Hubble se pensaba que el Universo se limitaba a nuestra propia galaxia, pero el astrónomo observó una nebulosa que resultó ser Andrómeda, nuestra galaxia vecina. Y luego vinieron muchas más. Nuestra concepción del cosmos había cambiado para siempre.

Pero además Hubble descubrió, mediante la observación de un tipo concreto de supernovas, que el espacio entre galaxias estaba aumentando, o dicho de otro modo, que el universo se está expandiendo.

Hasta 1929 se creía que el Universo era algo estático e inmutable. Tan profundo era ese convencimiento en la sociedad y en la comunidad científica, que incluso su miembro más revolucionario e imaginativo metió la pata descomunalmente en una ocasión. Sí, el mismísimo Einstein.

Lo curioso es que cuando Einstein estaba desarrollando su teoría de la relatividad general, se encontraba una y otra vez que al aplicar sus propios cálculos el Universo no dejaba de expandirse. Pero eso no podía ser correcto, porque como todo el mundo sabía, el Universo debía ser ESTÁTICO.

Tras muchas ecuaciones, revisiones y quebraderos de cabeza, y viendo que no sabía como solucionar ese “error”, introdujo una constante matemática, la “constante cosmológica” para lograr que el Universo se estuviera quieto de una vez.

Poco tiempo después, Hubble anunciaba su descubrimiento y Einstein tuvo que admitir que la constante cosmológica había sido la mayor metedura de pata de su vida.

¿Lo fue? Más adelante veremos que no está tan claro, quizás sea finalmente su triunfo póstumo más esplendoroso. En cuanto a Hubble, el telescopio que lleva su nombre ha hecho unas observaciones tan impresionantes que ha logrado desbancar en popularidad al propio astrónomo, al menos en Internet.

El descubrimiento de Hubble también fue el origen de la teoría del Big Bang.

einstein y hubble
Einstein mirando a través del telescopio de Hubble en Mount Wilson (1931)

 

El Big Bang no acepta preguntas (Teóricos 2 – Experimentales 2)

Hace poco me pusieron una multa por conducir contra dirección. Intentaba aparcar hacía rato y entré despacito por una calle estrecha, ignorando la enorme señal de prohibición, donde había visto un hueco. Nadie me había visto pero cuando volví me encontré con la multa en el parabrisas. No vi al policía que me la puso, pero estaba claro lo que había sucedido: al ver el coche aparcado en sentido contrario el policía dedujo que había entrado en el callejón contra dirección. El policía había rebobinado mentalmente el curso de los acontecimientos y había llegado a la conclusión correcta.

Así es más o menos cómo se originó la teoría del Big Bang. Desde el momento en que el astrónomo Hubble observó que el Universo se estaba expandiendo, los científicos rebobinaron mentalmente ese suceso y se dieron cuenta de que si los astros se están separando unos de otros esto significa que antes estaban más juntos, y cuanto más atrás en el tiempo, más cercanos estaban. Siguieron rebobinando hasta el principio de la “película” y llegaron a la conclusión de que al principio, toda la materia y energía del Universo se concentraba en un punto infinitamente pequeño y denso, que por motivos desconocidos un día estalló.

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Big Bang y expansión del Universo. Fuente: Wikipedia

Y esto es lo que nos enseñaron en el colegio. De modo muy similar al credo cristiano sobre la creación del Universo en 6 días (y el séptimo descansó), no hay lugar para preguntas del tipo ¿por qué estalló? ¿qué había antes del Big Bang? Se nos dijo que era incorrecto preguntarse eso porque antes del Big Bang no había tiempo ni espacio. Ésta era hasta hace poco la ortodoxia de la cosmología moderna.

Sobre lo cual Andrei Linde comentó una vez:

“bien, pero no evitaréis que la gente siga pensando sobre ello”.

Y esto es lo que ha sucedido en los últimos tiempos: una nueva generación de físicos está trabajando con la mecánica cuántica para intentar comprender qué es lo que hizo bang, por qué, y de donde salió esa energía inicial tan explosiva.
Ni big ni bang (Teóricos 3 – Experimentales 2)

Alan Guth fue otro hombre que elaboró una teoría a base únicamente de “pensamiento puro” o lo que es casi lo mismo, matemáticas. Se metió en la madriguera del Big Bang y se cuestionó lo incuestionable: ¿cuáles fueron las condiciones iniciales del Big Bang? Así dio con la teoría de la inflación.

Esta teoría parte de la base de que, bajo condiciones extremas, la gravedad puede cambiar su signo y comportarse de forma repulsiva. En un micro-instante una tremenda fuerza repulsiva provocó una expansión exponencial del tejido del espacio tiempo inflando literalmente el universo.

Tras ese instante inflacionario, el punto infinitamente pequeño que contenía todo el Universo había crecido hasta el tamaño de un pomelo.

 

La huella de la creación (Teóricos 3 – Experimentales 3)

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La radiación de fondo de microondas.
Fuente: NASA / WMAP Science Team

Una de las predicciones de la teoría de la Inflación es que la expansión del Big Bang tiene que haber dejado huella en el Universo en forma de calor, concretamente en forma de radiación de microondas, y eso fue lo que encontraron de pura casualidad en 1965, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson en los Laboratorios Bell, mientras construían una antena para realizar comunicaciones por satélite.

La antena detectaba un “ruido térmico” de origen desconocido. Tras descartar que hubiera interferencias en forma de ratones o pájaros, encontraron la prueba que Guth necesitaba. (Y sí, se llevaron el Nobel). Lawrence Krauss suele bromear en sus conferencias afirmando que:

“le dieron el Nobel a dos tipos que no tenían ni idea de lo que estaban haciendo”.

 

El universo se acelera (Teóricos 3 – Experimentales 4)

En 1998 los investigadores se quedaron con la boca abierta. Dos equipos independientes habían diseñado un sistema de observación para calcular la tasa de RALENTIZACIÓN en la expansión del Universo. Era lo lógico: tras la expansión provocada por el Big Bang, la gravedad debía estar frenando su velocidad. Pero los resultados no fueron los esperados. Revisaron mil veces sus cálculos en busca de fallos pero la conclusión estaba clara: la velocidad de expansión no sólo no se estaba ralentizando, ¡sino que se estaba ACELERANDO!

A los físicos teóricos el descubrimiento les agarró con el paso cambiado, y se lanzaron masivamente a investigar cuál podía ser esa fuerza misteriosa que provoca la expansión acelerada del cosmos. De ahí nació el término “energía oscura”, una fuerza repulsiva (en oposición a la fuerza atractiva de la gravedad) que constituye el 68’3% del total de energía y materia del Universo.
Por cierto que la materia ordinaria (átomos, fotones…)sólo representa un 4’9% del total, mientras otra misteriosa entidad, la materia oscura supone un 26’8% de todo lo que hay en el Universo.
“No somos muy buenos con los nombres. Cuando no tenemos ni idea sobre algo lo bautizamos como oscuro”- han comentado varios físicos – “El término oscuro es una medida de nuestra propia ignorancia”. Por suerte, los teóricos son capaces de reírse de sí mismos.
La venganza de Einstein (Teóricos 4 – Experimentales 4)

Cuando los investigadores realizaron los cálculos para conocer el alcance de la supuesta energía oscura, responsable de la aceleración del universo, se toparon con una posibilidad que les resultó inmediatamente familiar: la constante cosmológica de Einstein, que es un valor de la densidad de energía en el vacío capaz de contrarrestar la fuerza de la gravedad. La misma constante cosmológica que mucho tiempo antes Einstein había calificado de gran metedura de pata. Alucinante.

La constante cosmológica trae de cabeza a todos los cosmólogos del mundo. Sus cálculos indican que debería ser mucho mayor, pero en realidad tiene un valor minúsculo. Si fuera ligeramente mayor, las galaxias y planetas no se habrían formado jamás. Si fuera un poco menor, el cosmos habría colapsado por la fuerza de la gravedad. Es lo que se conoce como el “ajuste fino” del Universo.
No hay futuro

De modo que una fuerza de repulsión está ganando la batalla a la atracción de la gravedad. No importa cuánto se esfuercen las partículas, los planetas, las galaxias en atraerse las unas a las otras, hay otra fuerza que está expandiendo el mismísimo tejido del espacio tiempo y las aleja entre sí.

Si adelantamos la película del cosmos, el futuro pinta muy negro: lo más probable, si la expansión no se detiene, es que el cosmos acabe desgarrándose, haciéndose añicos por la separación de la materia. Primero caerán las galaxias, luego los sistemas solares y los planetas, y con ellos la vida. Luego las moléculas serán desgarradas, así como los átomos. Sólo un puñado de partículas fundamentales sobrevivirán, vagando por un espacio-tiempo totalmente negro. A esta posibilidad se le llama el “Big Rip”.

A no ser que….
La inflación eterna en la bañera cósmica
El trabajo de Guth sobre los orígenes del Big Bang evolucionó con la ayuda de otros teóricos que se plantearon por qué la inflación se detuvo abruptamente en el Universo. Llegaron a la conclusión de que, en realidad, el proceso inflacionario continuó en algunas regiones del espacio mientras que en otras se detuvo, en un proceso eterno. Como pompas de jabón formándose continuamente en una bañera cósmica, infinidad de universos estarían naciendo constantemente, muchos con propiedades físicas completamente distintas al nuestro, otros incluso exactamente iguales al mundo que conocemos, con clones de nosotros mismos haciendo vaya usted a saber qué.

El multiverso explicaría de paso el problema del ajuste fino del Universo: si hay infinidad de Universos, cada uno con distintos valores para la gravedad, el electromagnetismo, la energía oscura… Bien, no es extraño que vivamos en el Universo que tiene los valores correctos para la formación de estrellas, planetas y vida, porque de no ser así no estaríamos aquí para hacernos estas preguntas. Este razonamiento se conoce como el principio antrópico, y es bastante controvertido.
Roja, penalti y expulsión

Una fuerte prueba a favor de la inflación eterna y la hipótesis de los multiversos podría llegar de la observación de las ondas gravitacionales primigenias. Diversos experimentos están intentando detectar deformaciones en el mismo tejido del espacio-tiempo originadas por la violencia del Big Bang.

El 17 de marzo de 2014, investigadores del telescopio Bicep2 anunciaron la detección de estas ondas, con los valores exactos que predice la teoría de la inflación eterna. Incluso se filmó un vídeo anunciando la noticia a Andrei Linde en directo en su propia casa. El viejo físico se emocionó y el vídeo se hizo viral en YouTube.

Pero los experimentales le hicieron, sin querer, una mala jugada al viejo teórico. Posteriores comprobaciones demostraron que lo que se pensaba que eran ondas gravitatorias eran en realidad señales de, literalmente, basura cósmica, o sea, polvo y poco más.

Esto no significa que en un futuro cercano no puedan detectarse las ondas primordiales del Big Bang. Recientemente el experimento LIGO ha realizado un descubrimiento histórico, con la detección de otro tipo de ondas gravitacionales originadas por la fusión de dos agujeros negros. Pero la falsa alarma de las ondas primigenias supuso en aquel momento una gran decepción para los teóricos y una situación bastante embarazosa para los experimentales.
Tiempo de descuento

Puede que el próximo gran descubrimiento venga de la mano de los experimentos del CERN, o del sucesor del telescopio Hubble, el James Webb. O quizás los teóricos de la teoría de cuerdas desarrollen una ecuación maestra que unifique la relatividad de Einstein y la física cuántica en una gran teoría del todo.

Lo que es indudable es que las teorías deberán ser demostradas experimentalmente, y jamás serán 100% definitivas, porque no se puede descartar una hipotética observación futura que desmienta la teoría.

Es por esto que en ciencia las teorías son eso, teorías. La ciencia jamás afirma que una teoría es verdadera, solo es válida o aceptada hasta que alguien o algo demuestre lo contrario.

Autor: tecnotrad

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