Todo lo que debes saber sobre la teoría del Big Bang

Repasamos cuales son las virtudes, y también los defectos, de una de las teorías más conocidas: la teoría del Big Bang

Espacio, TL;DR, Trending  /   /  By Miguel Peiró

El otro día una niña de 9 años, a la que cariñosamente llamo Lu, me dijo que en su colegio, su profesora, les había dicho que el Universo empezó con el Big Bang. En ese instante fui más consciente que nunca de que a los niños de hoy en día no se les explica qué engloba el concepto de teoría, probablemente en este caso ni siquiera la profesora de Lu lo tenga claro.

 

Tras una breve charla con esta niña, y después de explicarle con un poco de detalle qué es una teoría, pude ver cómo su emoción con el tema iba en aumento. Rápidamente Lu me dijo: “así que aún no se sabe si el Big Bang es verdad, pero tampoco si no lo es”. Había captado el concepto enseguida. Pero no solo eso, entendió algo mucho más importante, que las verdades absolutas en la Ciencia no existen y que ahí radica su belleza.

 

 

La teoría del Big Bang es quizá uno de esos ejemplos representativos en los que se obvia que se está hablando de una teoría. Se da por sabido que el Universo empezó con un Big Bang, y esto induce a una opinión cerrada al respecto. Pues bien, el Big Bang es una teoría, sí, es la más satisfactoria que se tiene a día de hoy y encaja con numerosas evidencias observacionales, pero no se debe enseñar como un conjunto de verdades. Por esta razón vamos a intentar profundizar en la teoría del Big Bang y entender cuáles son sus puntos fuertes y cuáles sus puntos débiles.

 

El nacimiento de la teoría del Big Bang

Hay mucha gente que cree que las grandes teorías científicas surgen de la nada, de la cabeza de algún científico loco que un día sentado en su sofá exclama, ¡eureka! Yo no conozco ningún caso en el que esto haya sido de esta forma. Las grandes teorías nacen habitualmente de muchas cabezas, son un proceso lógico de análisis de la Naturaleza, se la observa y se la intenta entender. Se busca dar una respuesta que satisfaga todas aquellas observaciones que se tienen, o al menos un buen puñado de ellas, pero es un proceso que lleva su tiempo.

 

Para entender el proceso de la teoría del Big Bang tenemos que remontarnos a los años 20 del siglo pasado. En 1922, el físico y matemático Ruso Alexander Friedman, encontró soluciones de las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General que correspondían a un Universo en expansión. De hecho, esta fue la primera propuesta teórica al respecto, pero observacionalmente ya se tenía constancia desde 1912, gracias a Vesto Slipher, de que el resto de galaxias (en aquél momento se creía que eran nebulosas) se alejaban de la nuestra, tal y como correspondería a un Universo en expansión.

 

Alexander Friedman (izquierda) y Georges Lemaitre (derecha). Crédito: WordPress

 

Hubo que esperar a 1924, año en el que el astrónomo Edwin Hubble fue capaz de medir con más certeza que las nebulosas que Vesto Slipher había observado alejarse efectivamente lo hacían, y no solo eso, además, ¡esas nebulosas eran galaxias como la nuestra! En este momento la visión que se tenía del Universo cambió. Ahora no éramos los únicos, existían muchas más galaxias como la nuestra en el Universo, y este parecía estar sometido a una expansión. Pero, una expansión siempre tiene un origen, ¿verdad?

 

Llegamos así a 1927, año en el que un cura católico (sí, sí, ¡un cura!), Georges Lemaitre, llegó de forma independiente a las mismas soluciones que años antes Friedman había encontrado, un Universo en expansión. De hecho, es muy curioso que cuando Lemaitre propuso que debía existir un origen, un momento de la “creación”, hubo mucha gente que lo tachó de religión y no de ciencia. Es decir, en sus inicios la teoría del Big Bang se consideró una teoría religiosa.

 

Finalmente, en 1929, Hubble aportó una de las evidencias observacionales más potentes que existen a favor de la teoría del Big Bang. Hubble observó que cuanto más lejos se encuentra una galaxia, más rápido esta se aleja. Y es que las soluciones que Lemaitre había encontrado dos años antes predecían que esto debía ser exactamente así. Parecía claro que nuestro Universo se está expandiendo.

 

En un Universo en expansión las cosas se alejan las unas de las otras, tal y como observó Hubble.

 

La teoría del Big Bang

El nombre de Big Bang fue acuñado un par de décadas más tarde por Fred Hoyle. Este científico era un ferviente defensor de que el Universo debía ser algo estático (tal y como Einstein apuntó años antes), es decir, que la teoría de Lemaitre de la expansión no tenía sentido. Tanto es así que durante una entrevista en una radio en los años 50, Hoyle utilizó el término Big Bang de forma despectiva para referirse a la teoría de Lemaitre. Lo que él no sabía es que acababa de dar nombre a una de las teorías más importantes del siglo XX.

 

Pues bien, con las observaciones de Hubble en la mano, si el Universo está actualmente en expansión, no hay razón para pensar que no lo haya estado siempre. Y si esto es así, debe existir un inicio, un momento en el que si rebobino la cinta de la expansión, todo el Universo este comprimido en una región extremadamente pequeña.

 

En esencia, esta es la teoría del Big Bang. Nos dice que el Universo debió nacer de un punto con una alta concentración de energía, un punto conocido en términos técnicos como singularidad, y que se ha expandido durante más de 13 mil millones de años hasta llegar a ser tal y como hoy lo observamos. Y no, no habla de ninguna explosión (he oído a mucha gente referirse a la teoría del Big Bang como la teoría de la explosión primigenia), esta teoría nos habla de una expansión.

 

 

Observaciones que apoyan la teoría

Una de las evidencias más fuertes a favor de la teoría del Big Bang vino poco después de su establecimiento como teoría. Uno de los pupilos de Friedman, George Gamow, junto con Ralph Alpher y Robert Herman que también llegaron a la misma conclusión de forma independiente, predijeron la existencia de la radiación cósmica de microondas (CMB). Este tipo de radiación debía existir como un remanente del Big Bang llenando todo el Universo, y además, sería observable. Es más, fueron capaces de predecir que la temperatura de ésta radiación debía estar próxima a los 5ºK (-278ºC).

 

Pues bien, en el año 1965 dos científicos que trabajaban en los laboratorios de la compañía telefónica Bell, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson descubrieron una extraña forma de radiación que llegaba del espacio exterior. Esta radiación tenía una temperatura de 3.5ºK, remarcáblemente cerca de los 5ºK que la teoría predecía, y llegaba de  forma homogénea desde cualquier punto del cielo que uno mirase. Se acaba de descubrir el CMB. Tal fue el impacto de este descubrimiento que en el año 1978 Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel.

 

Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson.

 

Otro de los puntos fuertes de esta teoría viene de la abundancia de elementos ligeros en el Universo. Cuando me refiero a elementos ligeros estoy hablando de Deuterio, Helio, y Litio. En el contexto de la teoría del Big Bang, estos, y solo estos elementos se habrían creado en los primeros tres minutos del Universo, mientras que el resto de la tabla periódica se habría creado en el interior de las estrellas.

 

En sus primeros tres minutos de vida, el Universo pasó de una temperatura aproximada de 100000000000000000000000000000000ºK a 1000000000ºK, temperatura a cual pudo tener lugar un proceso conocido como nucleosíntesis del Big Bang. En este momento, la energía térmica ya no era tan grande, los protones y neutrones que antes campaban a sus anchas empezaron a juntarse para formar Deuterio (un protón y un neutrón unidos). La mayor parte del Deuterio empezó a chocar con otros protones y neutrones dando lugar a Helio y algo de Tritio (un protón y dos neutrones). Finalmente, el Litio se pudo haber formado por coalescencia de un núcleo de Tritio y dos de Deuterio.

 

Esquema de la formación de Helio durante nucleosíntesis. Los protones y neutrones forman primero Deuterio, para luego acabar formando Helio, el elemento más abundante del Universo.

 

La teoría de la nucleosíntesis del Big Bang predice que la mayor parte de la materia visible (dejando a un lado la materia oscura) del Universo estaría en forma de Helio, cerca del 25%. Mientras que el Deuterio compondría tan solo un 0.001%, y el Litio mucho menos aún. Lo importante es que las observaciones actuales (esto ya no es la teoría, es experimentación) apuntan a que aproximadamente el 23% de la masa del Universo visible se encuentra en forma de Helio. Esto supone que, es muy probable, que el Universo haya sufrido una etapa temprana de calentamiento, una de las características  principales de la teoría del Big Bang.

 

La necesidad de “inflar” el Universo

Sin embargo, en los años 80 había varias cosas que toda la comunidad científica sabía que se escapaban a la teoría, como por ejemplo, ¿por qué el Universo parece idéntico en todas las direcciones a las que uno mire? Esto es lo que se conoció como el problema de la homogeneidad (hay que recordar que hablamos del Universo a gran escala, como un todo en si mismo, no hablamos de que dé igual donde mires en el cielo nocturno…). El problema era el siguiente: en sus inicios, y según la teoría, el Universo se expandía y no dio tiempo a la materia a alcanzar a un equilibrio térmico (a que toda la materia estuviera a la misma temperatura). Entonces, ¿por qué el Universo, en términos de energía, es igual en todos sitios?

 

El físico estadounidense Alan Guth resolvió este, y otros problemas, añadiendo un nuevo ingrediente a la teoría, la inflación cósmica. En esencia, la inflación nos dice que tras el nacimiento del Universo debió existir una aceleración gigantesca en la expansión del tejido espacio-tiempo, una aceleración producida por una presión negativa (esto no es magia, existen motores que funcionan con un mecanismo de diferencias de presión negativas).

 

Diagrama de la expansión del Universo. Se puede ver como durante inflación el Universo se expandió rapidísimamente.

 

Imaginaos que cogemos una sábana arrugada. Vamos a pensar que las arrugas representan las inhomogeneidades del Universo. Si agarramos la sábana por todos los laterales y pegamos un tirón muy rápido y fuerte habremos hecho que las arrugas desaparezcan, ahora la sábana será homogénea. Pues esto mismo es lo que habría producido la inflación en el Universo, la rápida expansión habría borrado de un plumazo todas las regiones no homogéneas.

 

No todo es tan bonito…

Como en toda teoría científica existen interrogantes a su alrededor que no pueden ser respondidos de forma consistente. Me parece interesante que a la hora de dar a conocer una teoría, sea la que sea, de cualquier ámbito, se digan sus puntos fuertes pero también se digan siempre sus puntos débiles. Así es pues, acabamos de repasar los mayores logros de la teoría del Big Bang, vayamos ahora a ver sus puntos débiles a día de hoy.

 

Básicamente, podemos resumir todos los interrogantes en dos: ¿qué existió antes del Big Bang? y ¿qué lo produjo? Uno tiende a pensar que la singularidad de la que hablábamos anteriormente apareció en algún sitio, en algún punto del espacio. Nuestro cerebro, que no puede pensar en términos del no espacio y no tiempo, nos obliga a situar el comienzo de todo en algún lugar y momento. Sin embargo, según la teoría del Big Bang, el espacio y el tiempo se crearon dentro de la propia singularidad.

 

Esto quiere decir que, no tiene sentido plantearse un dónde o un cuándo porque el espacio y el tiempo fueron creados en la misma singularidad. Así es, la respuesta a estos interrogantes queda incluso fuera del reino de la física actual (esto no es una excusa, es una realidad), y no pasa nada por decirlo, no se sabe qué había antes y qué produjo el Big Bang. Es más, para entender los primeros instantes después del nacimiento del Universo en el contexto de esta teoría va a hacer falta entender la gravedad cuántica, eso en lo que hoy en día la física teórica está poniendo todo su esfuerzo en comprender.

 

Existe también el conocido como problema del Litio. Como hemos visto antes, la teoría de la nucleosíntesis predice cual debe ser la abundancia actual de los elementos ligeros. Para el caso del Helio y el Deuterio, los resultados teóricos cuadran muy bien con las observaciones, pero en el caso del Litio las predicciones teóricas nos dicen que debería haber 3 veces más Litio de lo que se observa en el Universo. Aunque actualmente se cree que este es un problema de precisión en el cálculo de las abundancias (los modelos matemáticos que se usan para describir el comportamiento de los gases en el Universo primitivo podrían ser demasiado simples), aún tenemos que esperar para ver si esto pasa de ser un problema a otro acierto de la teoría del Big Bang.

 

¿Ya sabes que le responderías a Lu?

Efectivamente, ahora no responderías como su profesora. Ahora sabes que la teoría de Big Bang es una teoría increíblemente satisfactoria, pero aún es una teoría. Así pues, no hay que decir que el Universo empezó con el Big Bang, si no que más bien, se cree que el Universo empezó con el Big Bang. Parece lo mismo pero las connotaciones detrás de cada frase son muy diferentes.

 

Quiero dejar claro que yo, como la mayor parte de la comunidad científica, creo que el Universo debió comenzar con un Big Bang, o algo realmente parecido con algún matiz diferente. No obstante, soy consciente de que esto no es una certeza, y por lo tanto tengo la responsabilidad de no transmitirlo como tal. El punto clave de toda la discusión es si existió realmente una singularidad al comienzo del Universo. La teoría del Big Bang establece, como hemos visto, que sí existió tal singularidad, sin embargo, hay que decir que existen otras teorías que explican ciertas observaciones y prescinden de una singularidad inicial. Este tipo de teorías suelen acertar menos que el la del Big Bang, pero existir, existen.

 

Hay que recordar a menudo a mucha gente que la ciencia es una herramienta muy potente, maravillosa en muchos casos, pero donde las certezas absolutas no existen. Esto es en mi opinión lo que la hace grande, que en contra de lo que muchos quieren que parezca, el método científico es una estructura lógica que carece, por definición, de dogmas. Porque como hemos visto en muchos casos a lo largo de la historia, las verdades de hoy son las mentiras del mañana.

 

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Sobre el autor

Doctor en Física Teórica y experto en comunicación pública y divulgación de la ciencia. Proyecto de escritor y explorador de la fusión Ciencia-Arte. Me fascinan Beethoven y tocar el piano, la halterofilia y el snowboard, la materia oscura y mirar al cielo, todo muy normal.

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