Grandes resultados de la Física: La teoría del Big Bang

Continuando con mi línea de post divulgativos de física, le llega el turno a otro espectacular resultado de la física del S.XX; la teoría del big bang. En la licenciatura, esta teoría no se estudia como asignatura troncal ni optativa, se imparte por iniciativa propia del profesorado.

A grandes rasgos, todos sabemos el núcleo de la teoría: todo ese cuento de que el universo estuvo "comprimido", y una explosión es la que dio origen al universo... Con este post y sus previsibles continuaciones pretendo eliminar ciertas ideas erróneas y apuntar las grandes evidencias, implicaciones e incógnitas de esta teoría.

Para empezar, la teoría del big bang se fundamenta en las observaciones astronómicas realizadas a principios del S.XX por Edwin Hubble, quien observó un alejamiento paulatino de las galaxias... en todas direcciones. Este hecho experimental causó notable controversia en su momento, ya que todo el universo parecía alejarse de nosotros. El cómo se detectó este alejamiento galáctico está relacionado con el efecto Doppler (fenómeno que será carne de cañón en algún futuro post) y con el aparente corrimiento al azul/rojo de los elementos astronómicos.

Ocurre entonces que nos encontramos en un momento legendario de nuestra comprensión del universo, ya que por entonces empiezan a darse los primeros pasos en la teoría de la relatividad... y los físicos empiezan a plantearse la naturaleza del universo, su forma de moverse y su evolución en términos de la relatividad de Einstein. Dado que las distancias en el universo son realmente aterradoras, los efectos relativistas son muy notorios (además, desconocemos gran cantidad de cosas sobre la naturaleza del universo: materia oscura, agujeros negros, etc..).

Dado que la relatividad trabaja con el tiempo como una variable más, deberemos trabajar en el espacio 4D de Minkowsy, generalizando el concepto de matriz a Tensor, y encontrando sus componentes (construyendo el que se conoce como tensor de Riemann-Christoffel). En un primer modelo, se asume que el universo, a una distancia suficientemente grande es homogéneo e isótropo (es igual en todas direcciones y está homogéneamente distribuido). Por lo que se modela como un "gas relativista". El resultado es que se encuentra que el universo tiene una "métrica" fruto de los elementos del tensor anteriormente mencionado. La elección más simple de esta métrica nos lleva a la llamada "métrica de Schwarzchild", que nos da algo así como la ecuación de estado del universo (si recordáis, la ecuación del gas ideal era p·V=N·R·T... pues algo similar).

Esta ecuación de movimiento resulta ser función del tiempo, pudiendo estudiarse el límite cuando este tiende a 0, y encontrándose como resultado una singularidad matemática, pero no física. El resultado matemático estaba en perfecto acuerdo con el hecho experimental del distanciamiento aparente de las galaxias... pero además arrojaba un nuevo resultado: ¡el gas debía tener una cierta temperatura!. ¿Sería eso posible?. De acuerdo con la métrica anteriormente citada, se postuló una temperatura de vacío distinta de cero, un calor residual de 270,43ºC (2,72 Kelvin) aunque se suele redondear a 3 Kelvin (-270,15ºC)... lo sorprendente fue llevar una sonda al espacio y comprobar, estupefactos, que efectivamente el vacío no estaba a T=0... Este resultado además es necesario, porque está de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisemberg. Desarrollaremos esta, y más ideas, en futuros posts.