Breve historia de la cosmología

Hace cuatro mil años los Babilonios ya eran hábiles astrónomos capaces de predecir los movimientos aparentes de la Luna, las estrellas, los planetas y el Sol sobre el cielo, incluso eran capaces de predecir eclipses.

Pero fueron los antiguos griegos los primeros en construir un modelo cosmológico dentro del cual se pudieran interpretar estos movimientos. En el siglo cuarto antes de Cristo, desarrollaron la idea según la cual las estrellas estaban fijas en una esfera celeste que rotaba alrededor de una Tierra esférica cada 24 horas, mientras que los planetas, el Sol y la Luna se movían en el éter comprendido entre la Tierra y las estrellas.

Este modelo fue desarrollado durante los siglos siguientes, culminando en el siglo segundo de nuestra era con el gran sistema de Ptolomeo. El movimiento perfecto debe ser en círculos, por lo tanto las estrellas y los planetas por ser objetos celestiales se mueven en círculos. Sin embargo, para poder explicar el complicado movimiento de los planetas que periódicamente parecían retroceder en su camino, tuvieron que introducirse los epiciclos de tal manera que los planetas se movían en círculos sobre círculos sobre una Tierra fija.

Para Ptolomeo la Tierra era el centro del Universo.

A pesar de su complicada estructura, Ptolomeo desarrolló un modelo que reproducía tan bien el movimiento aparente de los planetas, que cuando en el S. XVI Copérnico propuso un sistema heliocéntrico, no fue capaz de igualar la precisión del sistema centrado en la Tierra de Ptolomeo. Copérnico construyó un modelo donde la Tierra rotaba y, junto con los otros planetas, se movía en una órbita circular alrededor del Sol. Sin embargo, las evidencias de las observaciones de la época favorecían el sistema Ptolemeico.

Existían otras razones prácticas por las que muchos otros astrónomos de la época rechazaban la noción copernicana de que la Tierra orbitara el Sol. Tycho Brahe fue el mayor astrónomo del S. XVI. Comprendió que si la Tierra se movía alrededor del Sol, entonces la posición relativa de las estrellas debería cambiar respecto a cómo se las veía desde distintos puntos de la órbita de la Tierra. Sin embargo no había evidencia de este desplazamiento, llamado paralaje. O bien la Tierra estaba fija, o de lo contrario las estrellas debían estar extraordinariamente lejos.

Sólo con la ayuda del recién inventado telescopio, en los inicios del S. XVII, fue capaz Galileo de dar la puntilla a la idea de que la Tierra era el centro del Universo. Descubrió que había lunas que orbitaban el planeta Júpiter. Y si las lunas pueden orbitar un planeta ¿por qué no podrían los planetas orbitar el Sol?

Al mismo tiempo Kepler, el ayudante de Brahe, descubrió la clave para construir un modelo heliocéntrico. Los planetas se mueven en elipses, no en círculos perfectos, alrededor del Sol. Posteriormente Newton mostró que el movimiento elíptico podía ser explicado por su ley del inverso del cuadrado para la fuerza de la fuerza gravitatoria.

Pero la ausencia de cualquier paralaje observable en la posición aparente de las estrellas mientras la Tierra orbita al Sol, implicaba que las estrellas debían estar a una distancia enorme del Sol. El cosmos parecía ser un vasto mar de estrellas. Con la ayuda de su telescopio, Galileo pudo resolver miles de nuevas estrellas que eran invisibles a simple vista. Newton concluyó que el Universo debía ser un infinito y eterno mar de estrellas muy parecidas a nuestro Sol.

No fue hasta el S. XIX que el astrónomo y matemático Bessel midió finalmente la distancia de estrellas mediante paralaje. La estrella más cercana (aparte del Sol) resultó estar a ¡40 millones de millones de km de distancia¡ (por contraste el Sol está a tan solo 150 millones de km de distancia de la Tierra).

La mayoría de las estrellas que vemos están en la Vía Láctea, la banda brillante de estrellas que se extiende a través de nuestro cielo nocturno. Kant y otros propusieron que nuestra Vía Láctea era de hecho una 'isla en el universo' con forma de lente, o galaxia y que más allá de nuestra propia Vía Láctea debe haber otras galaxias.

Además de estrellas y planetas, los astrónomos localizaron borrosos parches de luz en el cielo nocturno a los que denominaron nebulosas. Algunos astrónomos pensaron que podía tratarse de galaxias lejanas. Fue en 1920 cuando el astrónomo americano Hubble estableció que algunas nebulosas eran en realidad galaxias lejanas de tamaño parecido a nuestra Vía Láctea.

Hubble también realizó el notable descubrimiento de que esas galaxias parecen estar alejándose de nosotros, con una velocidad proporcional a la distancia que nos separa de ellas. Pronto se comprendió que esto tiene una explicación natural en términos de la recién formulada Teoría de la Relatividad General de Einstein: Nuestro Universo está en expansión.

En realidad Einstein podría haber pronosticado que el Universo se está expandiendo con la primera propuesta de su teoría en 1915. La materia tiende a unirse bajo la gravedad por lo que es imposible tener un universo estático. Sin embargo, Einstein se dio cuenta de que podía introducir una constante arbitraria en sus ecuaciones matemáticas que pudiera equilibrar la fuerza gravitatoria y mantener las galaxias separadas. Esto acabó conociéndose como la constante cosmológica. Tras descubrirse que el Universo realmente se estaba expandiendo, Einstein declaró que introducir la constante cosmológica fue la metedura de pata más grande de su vida.

El matemático y meteorólogo ruso Friedmann se había percatado en 1917 de que las ecuaciones de Einstein podrían describir un Universo en expansión. Esta solución implicaba que el Universo tenía que haber nacido en un momento, hace alrededor de diez mil millones de años en el pasado y las galaxias aún continuaban alejándose de nosotros desde aquella explosión inicial. Toda la materia, en realidad todo el Universo, fue creado en sólo un instante. El astrónomo británico Fred Hoyle lo llamó en broma el 'Big Bang', nombre que aún perdura.

Existía un modelo rival, denominado la teoría del Estado Estacionario, defendida por Bondi, Gold y Hoyle, y desarrollada para explicar la expansión del Universo. Esta requería la continua creación de materia para producir nuevas galaxias a medida que se expande el Universo, asegurando que pueda expandirse y permanecer sin cambio en el tiempo.

Durante muchos años parecía un mero asunto académico si el Universo era eterno y sin cambio, o había existido durante un periodo de tiempo finito. Un golpe decisivo y letal para el modelo estacionario acaeció en 1965 cuando Perzias y Wilson descubrieron una radiación cósmica de fondo de microondas. Fue interpretada como el débil remanente de la intensa radiación de un Big Bang caliente, que había sido pronosticado en 1949 por Alpher y Hermann.

Continuando con los trabajos previos de Gamow, y de Alpher y Hermann, durante los cuarenta, los teóricos calcularon la relativa abundancia de hidrógeno y helio que podría ser producida en un Big Bang caliente y encontraron que estaba en concordancia con las observaciones. Cuando se calculó la abundancia de otros elementos ligeros, estos también fueron consistentes con los valores observados.

Desde los setenta casi todos los cosmólogos han aceptado el modelo del Big Bang caliente y han empezado a hacer preguntas más específicas pero todavía fundamentales acerca de nuestro Universo. ¿Cómo se formaron a partir de la expansión primordial las galaxias y cúmulos de galaxias que observamos hoy? ¿Cómo sabemos que ahí fuera no hay agujeros negros o algún tipo de materia oscura que no emite luz como las estrellas? La Relatividad General nos dice que la materia curva el espacio-tiempo, por lo tanto ¿Qué forma tiene el Universo? ¿Hay una constante cosmológica?

Sólo estamos empezando a encontrar respuestas a alguna de estas preguntas. La radiación cósmica de fondo de microondas juega un papel crucial ya que nos da una imagen del universo tal como era sólo cien mil años después del Big Bang. Resulta ser tan extraordinariamente uniforme que no fue hasta 1992 cuando el satélite de la NASA Explorador Cósmico de Fondo (Cosmic Background Explorer) encontró la primera anisotropía en esta radiación de fondo. Hay pequeñas fluctuaciones en la temperatura de la radiación del orden de 1/100 000 que pudiera ser la semilla a partir de la cual se formaron las galaxias.

Desde principio de los ochenta ha habido una explosión de interés por la física del universo primigenio. Las nuevas tecnologías y los experimentos realizados por los satélites como el Telescopio Espacial Hubble nos han facilitado una imagen aun mejor de nuestro Universo, inspirando teorías para crear modelos aún más atrevidos basados en las últimas ideas sobre relatividad y física de partículas.

Artículo de: David Wands , Portsmouth

MacTutor History of Mathematics Archive

Traducción y edición: Jesús Canive