El Universo desde Kepler hasta nosotros

Isaac Newton

El siguiente científico en aportar un avance significativo a nuestro conocimiento del Universo fue Newton. Su descubrimiento de la ley de la Gravitación Universal le llevó a formular un razonamiento que ha sido conocido históricamente como el "Silogismo de Newton", y que aún se puede utilizar como modelo de razonamiento lógico. El punto de partida de Newton en su silogismo fue considerar como premisas, por una parte, la idea de que la Tierra se encuentra en el centro del Universo, y por otra su propia ley de Gravitación:

• La Tierra se encuentra en el centro del Universo
• La gravedad atrae a todos los cuerpos hacia el centro de atracción.

La conclusión lógica del razonamiento debería ser, evidentemente, que todos los cuerpos deberían caer hacia la Tierra, pero esa conclusión es opuesta a la observación que cualquiera de nosotros puede hacer. La conclusión a la que Newton llegó finalmente fue, por lo tanto que, dado que los cuerpos no caen hacia la Tierra, nuestro planeta no ocupa el centro del Universo, con lo que negaba la premisa mayor del argumento.

La especulación de Newton le llevó, seguidamente, a proponer un modelo alternativo del Universo: para que los cuerpos celestes no lleguen a caer en el centro de atracción, es necesario que no exista ese centro, de modo que las fuerzas gravitatorias se compensen entre sí. Esto supone, por otra parte, la necesidad de que el Universo sea infinito...

Este es un buen ejemplo de trabajo puramente deductivo dentro del campo de la ciencia. La falsedad del silogismo de Newton le llevó a negar una premisa, una "verdad establecida", y la aplicación de la Lógica le condujo hasta la formulación de un modelo de Universo infinito y eterno...

...Hasta que llegó la paradoja de Olbers (que bien podría ser la de Kepler, porque fue él el primero que hizo la observación. Si el Universo fuera infinito y eterno, el número de estrellas sería tan grande que, finalmente, se solaparían entre sí, cubriendo todo el firmamento. Así que durante la noche no veríamos un cielo negro, sino completamente luminoso, porque miráramos a donde mirárarmos, al final siempre nos encontraríamos con una estrella luminosa. El hecho es que esto no ocurre, de ahí el carácter paradójico de la observación. Se han dado varias posibles explicaciones a la paradoja de Olbers,algunas más fáciles de comprender que otras:

Paradoja de Olbers: en un Universo infinito, cualquier punto de nuestro campo visual debería estar ocupado por una estrella

• El Universo es finito. En consecuencia, el número de estrellas es limitado, y la aparente paradoja se desvanece. Un número finito de objetos pueden separarse en un espacio también finito, si éste es lo suficientemente grande.
• Las estrellas no son eternas, sino que nacen y mueren. Aunque supongamos que el Universo es infinito, si no todas las estrellas están activas simultáneamente, en cada momento puede haber solo un número limitado de ellas, de modo que volvemos a la situación anterior.
• Las estrellas se alejan de nosotros, y debido a eso su luz se vuelve más "débil". En realidad, aquí débil significa que la radiación que nos llega tiene una mayor longitud de onda (menos energía), hasta que, a partir de un cierto momento, queda por debajo del umbral visible. También eso explicaría la paradoja, puesto que simplemente seríamos incapaces de ver las estrellas más lejanas.

El hecho es que, hoy por hoy, las tres soluciones anteriores se consideran correctas: el Universo es finito, las estrellas  tienen una vida limitada y, además, se están alejando de nosotros. Pero antes de llegar hasta aquí, se han formulado otros modelos importantes del Universo.

El Universo de Einstein

Albert Einstein

Incluso en una época tan próxima a nosotros, en términos históricos, como el principio del siglo XX, la idea que los científicos tenían de nuestro Universo era completamente diferente a la que tenemos ahora. Einstein propuso que nuestro Universo estaba formado por una única galaxia, la Vía Láctea, aislada en un espacio infinito. Por esa razón el modelo de Einstein se conoce como modelo de Universo Isla. La hipótesis de Einstein iba aún más allá, de modo que proponía que ese Universo era, además, estático.

Sin embargo, la contradicción a su hipótesis le llegó a Einstein de lugar más inesperado: su propio trabajo. La resolución de las ecuaciones que él mismo había planteado en el seno de su Teoría de la Relatividad, cuya validez, por otra parte, había quedado bien demostrada, llevó a la conclusión de que el Universo no puede ser estático: tiene que estar o bien expandiéndose o bien contrayéndose. Einstein intentó, en todo caso, conjugar los resultados de la Teoría de la Relatividad con su idea del Universo, para lo que introdujo en el modelo matemático un valor llamado Constante Cosmológica. No tuvo éxito a la hora de conseguir que el Universo se mostrara como estático, aunque la constante cosmológica parece jugar un papel fundamental en nuestra visión actual del Universo.

Einstein concebía el Universo como una única galaxia aislada en el vacío

Hubble y el desplazamiento hacia el rojo

Edwin Hubble era un investigador que estudiaba la radiación emitida por objetos muy lejanos. Al repetir, después de un par de años, las observaciones de un mismo objeto apreció que la luz de la segunda medida era más rojiza que la primera. Al repetir las mediciones en otros objetos los resultados fueron similares: la luz de todos los objetos lejanos que Hubble observó se estaba volviendo más roja.

En Física, esto tiene un significado más profundo de lo que cabe suponer a primera vista. El color de la radiación está relacionado con su longitud de onda: la longitud de onda de la radiación azul es más corta que la de la radiación roja. La explicación de este fenómeno es el efecto Doppler, que todos hemos experimentado con otro tipo de ondas, las del sonido: el sonido de un cuerpo que se mueve hacia nosotros cambia de tono a medida que se acerca, y vuelve a hacerlo al alejarse. En este caso, la variación del tono también se debe al cambio de la longitud de onda. Cuando un cuerpo que emite ondas se acerca a nosotros, las ondas tardan cada vez menos tiempo en alcanzarnos, de modo que la longitud de onda que nosotros percibimos es cada vez más pequeña. Por el contrario, cuando el cuerpo se aleja de nosotros las ondas tardan cada vez más en llegar, de modo que percibimos una longitud de onda cada vez mayor.

En la siguiente animación puedes ver el efecto del movimiento de una fuente sonora. Si tienes conectado el sonido de tu ordenador podrás apreciar también el cambio de tono.

El caso general se observa en la siguiente animación, en la que puedes mover la fuente de emisión (S) o el observador (O). Mientras la longitud de onda real sigue siendo la misma (gráfico superior), la percibida por el observador cambia a medida que se produce el movimiento (gráfico inferior).

Por último, la consecuencia del efecto Doppler sobre la luz emitida por una estrella puede apreciarse en esta última animación. La banda coloreada central representa el espectro electromagnético. Cada estrella emite cantidades diferentes de luz en cada longitud de onda, y las líneas negras distribuidas a lo largo del espectro son la "firma espectral" de esa estrella, las longitudes de onda a las que no emite luz. La barra deslizadora de la parte superior permite modificar la velocidad relativa de la estrella respecto a nosotros: hacia la izquierda, la estrella se aleja, mientras que hacia la derecha se acerca. 

Moviendo el cursor se puede apreciar cómo cambia la firma espectral de la estrella; al alejarse, se desplaza hacia la izquierda, hacia el rojo, mientras que al acercarse se desplaza hacia la derecha.

Volviendo a la observación de Hubble, el desplazamiento hacia el rojo que había observado significa que las fuentes que estudiaba se estaban alejando de la Tierra. Sin embargo, Hubble fue más allá y revisó los espectros, separados en el tiempo, de otros astros, encontrando que todos ellos mostraban desplazamiento al rojo, más intenso cuanto más lejanos estaban.  La interpretación que Hubble dio a estas observaciones fue que el Universo está en expansión, por lo que las distancias entre los astros que lo forman aumentan con el tiempo. Más aún, Hubble fue capaz de establecer una relación matemática entre la intensidad del desplazamiento hacia el rojo de un objeto y la velocidad con la que se aleja de nosotros, conocida como "Ley de Hubble".

Llevando el argumento hacia atrás en el tiempo, la deducción lógica de la observación de Hubble es que el Universo fue, en su origen, mucho más pequeño que ahora, y que toda la materia y la energía tuvo que estar concentrada en un volumen extraordinariamente pequeño, y aplicando la ley que Hubble había propuesto, Friedmann y Lemaître calcularon que dicho momento debió tener lugar hace unos 14.000 millones de años. Curiosamente, la expresión "Big Bang", que ahora usa todo el mundo para referirse a la expansión del Universo en ese primer instante, fue una burla de otro importante astrónomo que lo consideraba ridículo, Fred Hoyle.

El conocimiento actual del Universo

Una prueba adicional del big bang llegó de la mano de la llamada radiación de fondo de microondas. Si el Universo realmente se formó en una enorme explosión, una parte de la energía liberada en aquel acontecimiento debería haber llegado hasta nosotros. Los astrónomos calcularon anticipadamente, las características de esta radiación, que debería bañar todo el Universo. Efectivamente, se ha podido observar esa radiación, que se corresponde con la frecuencia de las microondas, y que proporciona una cierta energía, aunque muy baja, al espacio interestelar.

Radiación de fondo de microondas

El estudio teórico derivado de la naturaleza y características de las partículas subatómicas, y de los fenómenos cosmológicos, ha permitido también que nos hagamos una idea de lo que, probablemente, ha debido ocurrir desde los primeros instantes después del Big Bang hasta la actualidad.

Gracias al cálculo de la velocidad con la que se alejan los astros entre sí se sabe también que el Universo está atravesando una fase de expansión acelerada. Sin embargo, los datos conocidos no cuadran con ese proceso de expansión, lo que ha hecho necesario que los astrónomos propongan la existencia de una gran cantidad de materia oscura, que no ha podido ser observada hasta el momento, y de energía oscura, totalmente diferente a las formas de energía conocidas hasta el momento, ya que sería responsable de la repulsión entre masas, fenómeno que aún no se ha observado.

La identificación de la materia oscura y de la energía oscura son los dos retos fundamentales a los que se enfrenta la Cosmología actual.