17 agosto 2010

Stephen Hawking: El Principio del Tiempo (2 de 4)




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Pese a que las leyes de la ciencia parecían predecir que el universo tuvo un comienzo, también parecían predecir que no pueden determinar como comenzó el universo. Esto era obviamente muy insatisfactorio. Por lo tanto hubo una serie de intentos de dar un rodeo a la conclusión de que hubo una singularidad de densidad infinita en el pasado. Una propuesta fue modificar la ley de la gravitación, de tal manera que se volviera repulsiva. Esto podía llevar a que la gráfica de la separación entre dos galaxias sea una curva que se aproxima a cero, pero que no pasa de hecho por él, en ningún tiempo finito del pasado. En lugar de eso, la idea era que según las galaxias se separaban, se creaban nuevas galaxias en medio a partir de la materia que se suponía que era creada continuamente. Esta era la teoría del “Estado Estable” (Steady State), propuesta por Bondi, Gold, y Hoyle.

La teoría del “Estado Estable”, era lo que Karl Popper llamaría una buena teoría científica: hacia predicciones definidas, que se podían comprobar mediante una observación, y era posible falsificarlas. Desafortunadamente para la teoría, fueron falsificadas. El primer problema apareció con las observaciones de Cambridge sobre el numero de fuentes de ondas de radio de diferentes potencias. En media, uno esperaría que las fuentes más débiles fueran a su vez las más distantes. Además uno esperaría también que fueran más numerosas que las fuentes brillantes, que tienden a estar cerca nuestra. Sin embargo, la gráfica del número de fuentes de ondas de radio con respecto a su fuerza crecía de manera mucho más accidentada en las fuentes de baja potencia de lo que predecía la teoría del “Estado Estable”.

En la teoría evolucinaria (Evolutionary) la densidad de la materia decrece mientras el tiempo avanza, sin embargo en la teoría del “Estado Estable” (Steady State) la densidad permanece constante a medida que el tiempo avanza.


Hubo intentos de explicar las cifras de esta gráfica, recurriendo a que algunas de las fuentes más débiles de ondas de radio estaban en nuestra propia galaxia, y por lo tanto no nos decían nada sobre cosmología. Este argumento no aguantó las observaciones posteriores. Pero el golpe definitivo que envió a la teoría del “Estado Estable” a la tumba ocurrió con el descubrimiento de la radiación de microondas de fondo, en 1965. Esta radiación es la misma en todas las direcciones. Ésta tiene el espectro de radiación en un equilibrio termal de 2 coma 7 grados sobre el Cero Absoluto. No hay ninguna manera de explicar esta radiación en la teoría del “Estado Estable”.

Otro intento de evitar un comienzo del tiempo, fue la sugerencia de que quizás todas las galaxias no se encontraban en un único punto en el pasado. Aunque en media las galaxias se alejan unas de otras con una tasa constante, también tienen pequeñas velocidades adicionales, relativas a la expansión uniforme. Estas llamadas “velocidades peculiares” (peculiar velocities) de las galaxias podían direccionarse lateralmente a la expansión principal. Se argumentó que si se dibujaba la posición de las galaxias atrás en el tiempo, las “velocidades peculiares” laterales habrían provocado que las galaxias no se encontraran todas juntas. En lugar de eso, debería haber una fase previa de contracción del universo en la cual las galaxias se moverían unas hacia las otras. Las velocidades laterales provocarían que las galaxias no chocaran, pero que se precipitaran a pasar unas al lado de otras y que entonces comenzaran a separarse. Esto no habría provocado ninguna singularidad de densidad infinita, ni ninguna rotura de las leyes de la física. Por lo tanto no habría necesidad de que el universo tuviera un comienzo, y que el tiempo en si mismo tuviera un principio. De hecho, uno debería suponer que el universo habría oscilado, a pesar de que no se podría solucionar el problema de la Segunda Ley de la Termodinámica: se esperaría que el universo se iría desordenando cada vez más con cada oscilación. Es por consiguiente difícil ver como el universo podría haber estado oscilando durante un tiempo infinito.

Las galaxias se alejan unas de otras con una tasa constante, también tienen pequeñas velocidades adicionales llamadas “velocidades peculiares” que les permite a las galaxias direccionarse lateralmente a la expansión principal.


Esta posibilidad de que las galaxias se hubieran esquivado las unas a las otras fue sostenida por dos rusos. Argumentaban que no habría singularidades en una solución en el campo de las ecuaciones de la relatividad general que fuera totalmente general, en el sentido de que no tuviera ninguna simetría exacta. De cualquier manera su argumento se probó que era erróneo utilizando unas serie de teoremas de Roger Penrose y míos. Estos demostraban que la relatividad general predecía singularidades, siempre que estuviera presente al menos una cantidad de masa determinada en una región. Los primeros teoremas estaban diseñados para demostrar que el tiempo llega a un final, dentro de un agujero negro, formado por el colapso de una estrella. No obstante, la expansión del universo es como darle la vuelta en el tiempo al colapso de una estrella. Por consiguiente quiero mostrarles que la evidencia de las observaciones indica que el universo tiene suficiente materia como para que sea como el colapso de una estrella, pero al revés, y que por tanto contenga una singularidad.

Para discutir las observaciones en cosmología estamos mirando atrás en el tiempo, porque la luz debió partir de los objetos lejanos hace mucho tiempo para llegar a nosotros en el presente. Esto significa que los eventos que observamos se encuentran en lo que se llama nuestro “cono de luz pasada”. El vértice del cono se encuentra en nuestra posición, en el tiempo presente. Conforme uno se desplaza hacia atrás en el diagrama temporal, el cono de luz se expande a distancias cada vez mayores, y su área se incrementa. En cambio, si hay suficiente materia en nuestro “cono de luz pasada”, ésta curvaría los rayos de luz unos contra otros. Esto significaría que tal como uno se dirige hacia atrás en el pasado, el área de nuestro “cono de luz pasada” alcanzaría un máximo para posteriormente comenzar a disminuir. Este enfoque de nuestro “cono de luz pasada”, provocado por el efecto gravitatorio de la materia en el universo es la señal de que el universo es dentro de su horizonte, como un agujero negro invertido en el tiempo. Si se puede determinar que existe suficiente materia en el universo para enfocar nuestro “cono de luz pasada”, entonces se pueden aplicar los teoremas de las singularidades para demostrar que el tiempo debió tener un comienzo.


(Continuará)


Fuente: Astroseti
Traductores : Sergio Alonso, Felix Diaz y Miguel Artime

Representación del tiempo "antes" del Big Bang.


Quantum opina:

La mayoría de los físicos teóricos creen que el espacio y el tiempo están íntimamente ligados, de forma que no pueden existir el uno sin el otro. Por ello consideran que el espacio pudo iniciar su expansión (y viceversa) sólo cuando el tiempo empezó a transcurrir, concluyendo que no hubo un «antes» del Big Bang pues el tiempo no existía. Según el modelo estándar, en el momento cero el universo tenía (por definición) una densidad material infinita, curvatura infinita y temperatura infinita: un estado que se conoce como "singularidad".

Lo que pasó con la materia en esos instantes donde se da la singularidad, es muy difícil saberlo ya que corresponde a una época muy desconocida, en la cual los modelos matemáticos nos dan como resultados solamente guarismos caóticos y, en cuanto a experimentaciones, estas todavía se encuentran en un tiempo cosmológico lejano a ese momento.

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