A horcajadas en el Tiempo

El Nacimiento de la Cosmología Moderna
La cosmología, que era una ciencia especulativa, se convirtió en ciencia empírica gracias a dos importantes acontecimientos científicos.
El primero fue, a nivel teórico, la creación de la teoría de la relatividad general de Einstein, una teoría general del espacio, el tiempo y la materia,
que aportó una nueva estructura conceptual a nuestra idea del universo como un todo. Y el segundo acontecimiento que proporcionó a la
cosmología su forma moderna fue la aparición de nuevos y potentes instrumentos astronómicos: los grandes telescopios de reflexión y los
radiotelescopios. La teoría de Einstein no exige una cosmología específica o una estructura concreta del universo. Aporta el andamiaje, no los
detalles. Para decidir la estructura concreta de todo el universo, en el espacio y en el tiempo, hacen falta, como siempre, muchas más
observaciones y más ricas en detalles.
En las primeras décadas del siglo, cuando los astrónomos sondearon más profundamente en el espacio, siguieron observando una
jerarquía de estructuras cada vez mayores: de las estrellas a las galaxias y a los cúmulos de galaxias, todo expandiéndose con el universo. Pero,
en las últimas décadas con el uso de nuevos y más poderosos instrumentos de observación como son los distintos satélites que orbitan la Tierra
y el telescopio espacial Hubble, los astrónomos han explorado ya la estructura global del universo mismo, y han descubierto que esta estructura
jerárquica de grumos cada vez mayores se interrumpe. A las enormes escalas de distancia de miles de millones de años luz empieza a verse un
universo liso. Esta lisura parece ser la textura global del cosmos, no sólo una propiedad local de nuestra región del espacio. Contemplamos por
primera vez características espaciales del universo entero. El estudio de ese espacio homogéneo y liso a gran escala, su desarrollo en el tiempo
y cómo influye en la materia que contiene, es el campo científico propio del cosmólogo contemporáneo.
Examinemos ahora esos dos aspectos principales de la cosmología (el teórico y el observacional) más detalladamente, empezando por
la teoría moderna del espacio y el tiempo.
Hagamos abstracción, por un instante, de lo cotidiano de nuestro entorno constituido por un espacio físico concreto e intentemos
imaginar el espacio tridimensional puro y vacío. Imaginémonos que nos encontramos en un cohete espacial, detenidos en el espacio profundo, y
antes de poner en marcha el motor del cohete dejamos flotando un faro en el espacio para orientar nuestro emplazamiento. Dicho faro, como
debe ser obvio, emite un rayo de luz, que seguimos fielmente, sin volver nunca hacia atrás. Al cabo de un tiempo vemos que el mismo rayo
aparece delante de nosotros. Es como si hubiésemos viajado en círculo. Probamos luego en una dirección distinta, pero sucede lo mismo. Es
evidente que este espacio no es un espacio ordinario en el que si partimos en línea recta nunca volvemos al punto de partida. Pues bien, éste es
un ejemplo de espacio no euclidiano y, aunque resulte extraño, es matemáticamente posible.
La primera descripción matemática completa de los espacios curvos fue realizada por el matemático alemán del siglo XIX, Bernhard
Riemann. Normalmente, consideramos plano el espacio físico vacío, de forma que si utilizásemos rayos lumínicos para formar los lados de
triángulos, cubos y otras figuras geométricas, obedecerían a los teoremas de la geometría euclidiana. Si despegásemos en un cohete en línea
recta y siguiéramos esa línea recta, no volveríamos nunca al punto de partida. Pero los trabajos de Riemann generalizaron una noción de
espacio que incluyese también la posibilidad de una geometría no euclidiana, de un espacio no plano sino curvo. Seria como generalizar
espacios bidimensionales para que no sólo incluyesen el espacio plano de una hoja de papel sino también superficies curvas como la de una
pera. Riemann demostró que podía describirse exactamente la curvatura geométrica del espacio no euclidiano con una herramienta matemática
denominada tensor de curvatura. Utilizando rayos lumínicos en un espacio tridimensional y midiendo con ellos ángulos y distancias, podemos
determinar, en principio, el tensor de curvatura de Riemann en cada punto de ese espacio.
La obra geométrica de Riemann es de gran belleza y posibilidades, y se soporta sobre firmes bases matemáticas. En ella, se describen
espacios curvos arbitrariamente complicados en cualquier número de dimensiones espaciales. Con el legado matemático que nos dejó Riemann,
podemos concebir fácilmente la mayoría de los espacios curvos bidimensionales, como la superficie de una esfera o una rosquilla, pero nuestra
capacidad para imaginar el espacio curvo tridimensional falla. Sin embargo, los métodos matemáticos de Riemann nos muestran cómo abordar
esos espacios: las matemáticas pueden llevarnos por donde no puede hacerlo la imaginación visual.
Ya, a principios del siglo XX, tanto las matemáticas como la geometría aplicada a espacios curvos eran bien comprendidas por los
respectivos científicos especialistas. Pero estos avances parecían reducirse al ámbito exclusivamente académico, siendo poco consideradas sus
ideas en el mundo físico real hasta que Albert Einstein postuló su teoría de la relatividad general en 1915-1916.
La teoría de la relatividad general surgió de la teoría especial de la relatividad que Einstein elaboró en 1905, y que establecía una nueva
cinemática para la física y, a su vez, su avenimiento trajo como consecuencia primaria dos modelos cosmológicos del universo. Uno de ellos, lo
proyecta el propio Albert Einstein. Einstein estaba tan convencido de la naturaleza estática del cosmos que, en una actitud muy poco
característica de él, no prosiguió las implicaciones que arrojaban sus propias ecuaciones, añadiéndoles un término que se correspondía con una
fuerza repulsiva cósmica que actuaba contra la gravedad. El término extra, al que llamó la «constante cosmológica», parecía hacer más
manejable el problema de describir el universo. Puesto que la constante estaba directamente relacionada con el tamaño y la masa del universo,
el añadido de Einstein implicó una descripción matemática de un cosmos estructurado por un espacio curvo y estático lleno de gas uniforme de
materia sin presión; o sea, un universo estático de inspiración aristotélica.
En el mismo año en que Einstein introdujo su término «constante cosmológica», o sea, 1917, el astrónomo holandés Willem de Sitter dio
otra solución a las ecuaciones descritas en la relatividad, añadiendo el término de la constante cosmológica pero sin materia: un universo vacío.
La solución que daba de Sitter a las ecuaciones de Einstein podía interpretarse como un espacio en expansión similar a la superficie en
expansión de un globo de goma. Un cosmos desprovisto de materia podía aparecer absurdo a primera vista, pero en verdad puede considerarse
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-04_03.htm (2 of 9)29/12/2004 23:25:19