Hay muchos errores y malentendidos en el concepto que muchos de nosotros tenemos acerca del Big Bang y, específicamente, acerca de la expansión del universo.

Los astrónomos Charles H. Lineweaver y Tamara M. Davis, del observatorio de Mount Stromlo, cerca de Canberra, Australia, intentan desnudar, en un artículo recientemente publicado en Scientific American, estas malas interpretaciones (muchas de ellas cometidas y motorizadas incluso por científicos de nota) y acercar la ineludible realidad del Big Bang, la expansión eterna del universo y muchos otros difíciles conceptos a los estudiantes, científicos y público en general sin alterar ni un poco la verdad científica.

Vale la pena aproximarse a ellos como una bienvenida variación a los repetidos y socorridos errores de interpretación.

La expansión del universo puede ser el hecho más importante que el Hombre haya descubierto jamás acerca de nuestros orígenes. Usted no estaría leyendo este Zapping si el universo no se expandiera. Los seres humanos jamás habríamos existido. Objetos pequeños y fríos como las formas orgánicas y los planetas de tipo terrestre no habrían cobrado existencia si el universo, formado en una gran y caliente explosión, no se hubiese expandido y enfriado. La formación de todas las estructuras del universo, desde las galaxias y estrellas hasta los planetas y los artículos de divulgación han dependido de la expansión para llegar a ser.

Hace cuarenta años, los científicos anunciaron el descubrimiento de la evidencia definitiva de la expansión del universo, iniciado en un estado primordial denso y caliente. Habían encontrado la resonancia fría remanente del Big Bang: la radiación cosmica de fondo, bajo la forma de microondas. A partir de este hallazgo, la expansión y el brillo residual del Big Bang han sido los temas unificadores de la cosmología, del mismo modo en que la evolución darwinista ha sido el tema unificador de la biología. Como la evolución, la expansión cósmica provee un contexto dentro del cual las estructuras simples pueden cobrar forma y desarrollarse hasta convertirse en estructuras complejas. Sin la evolución y la expansión, la biología moderna y la cosmología no tendrían ningún sentido.

La expansión del universo se parece a la evolución en otro sentido, bastante curioso: la mayor parte de los científicos creen que la entienden muy bien, pero pocos de ellos se ponen de acuerdo acerca de lo que realmente significa. Un siglo y medio después de la publicación de "El origen de las especies", los biólogos todavía discuten los mecanismos y las implicaciones (aunque no la validez) del darwinismo, mientras que la mayor parte del público aún se debate en la confusión de las ideas predarwinianas. Del mismo modo, 75 años luego de su descubrimiento inicial, la expansión universal es todavía ampliamente malinterpretada. Un importante cosmólogo involucrado en la interpretación del modelo de la radiación de microondas de fondo, James Peebles de la Universidad de Princeton, escribió en 1993: "El alcance completo y la riqueza de la visión del modelo de un Big Bang caliente no está tan bien comprendido como pienso que debiera estarlo. Me refiero incluso a aquellos que han hecho algunas de las contribuciones más importantes a este cúmulo de ideas".

Físicos de renombre, autores de libros de texto sobre astronomía y prominentes divulgadores científicos han hecho declaraciones incorrectas, erróneas o fáciles de malinterpretar acerca de la expansión del universo. Como la expansión es la base del modelo del Big Bang, estos malentendidos son fundamentales. La expansión es un concepto fácil en principio, pero ¿qué significa exactamente decir que el universo se expande? ¿Se expande dentro de qué? ¿La Tierra también se expande? Para mayor desorientación, la expansión del universo parece estar acelerándose, un proceso con reales consecuencias de expansión mental.

Cuando un objeto común se expande, como un tobillo esguinzado o el Imperio Romano o la detonación de una bomba, se hace más grande expandiéndose por el espacio que lo rodea. Los tobillos, imperios y bombas tienen centros y bordes. Fuera de sus bordes, hay espacio en el cual expandirse. El universo no parece tener un borde o un centro o un exterior, de modo que ¿cómo puede expandirse?

Una buena analogía es imaginar que usted es como una hormiga que vive en la superficie de un globo. El globo se infla. El mundo de la hormiga —usted— es bidimensional: las únicas direcciones que conoce son izquierda, derecha, adelante y atrás. No tiene idea de lo que significan "arriba" o "abajo". Un día, usted se da cuenta de que el camino que debe hacer hasta el tambo donde ordeña a sus áfidos se le ha hecho más largo: tarda cinco minutos un día, seis al día siguiente, siete al otro... El tiempo que le demanda el camino a otros lugares que suele frecuentar también se está incrementando. Usted está seguro de que no camina más lento que antes y de que los áfidos pastorean al azar como siempre y no se alejan sistemáticamente de usted.

Este es un punto importante: las distancias hasta sus áfidos aumentan pero los insectos no se le escapan. Se quedan en el mismo lugar, al menos respecto de la superficie del globo que se encuentra bajo ellos. A pesar de todo, la distancia entre ellos y usted sigue creciendo. Al notar esto, usted llega a la conclusión de que el suelo bajo sus patas se está expandiendo. Es un hecho raro, porque usted ha recorrido su mundo —el globo— en todas direcciones y nunca encontró el borde ni un "afuera" hacia el cual se pudiese expandir.

La expansión del universo se parece mucho a inflar un globo. Las distancias a las galaxia lejanas se están incrementando. Casualmente, los astrónomos hablan de que las galaxias se están "retrayendo" o "escapando" de nosotros, a pesar de que las galaxias no se están moviendo por el espacio. No son esquirlas de una bomba que hubiese estallado en el Big Bang. Las galaxias individuales se mueven al azar dentro de cúmulos, pero los cúmulos de galaxias están esencialmente en reposo. El término "en reposo" puede definirse en el sentido más riguroso. La radiación de fondo llena el universo y define un marco de referencia universal, análogo a la goma del globo, con respecto al cual se miden los movimientos.

La analogía del globo: el espacio se infla, las galaxias están quietas pero la distancia entre ellas aumenta igual

Esta analogía del globo no debe llevarse demasiado lejos. Desde nuestro punto de vista externo al globo, la expansión de la superficie curva y bidimensional del globo sólo es posible porque está incluido en un espacio tridimensional. Dentro de la tercera dimensión, el globo en efecto tiene un centro, y su superficie se expande en el espacio circundante a medida que se lo infla. Uno podría llegar a la conclusión de que la expansión de nuestro espacio tridimensional necesita de la existencia de una cuarta dimensión. Pero en la teoría general de la relatividad de Einstein —fundacional para la moderna cosmología— el espacio es dinámico. Se puede expandir, contraer y curvar sin estar incrustado en un espacio de más dimensiones. En este sentido, el universo es autocontenido. No necesita tener ni un centro desde el cual expandirse ni tampoco un espacio vacío fuera de él (lo que sea que esto significa) para expandirse a sus expensas. Cuando crece, no reclama espacio previamente desocupado de sus aledaños. Algunas teorías nuevas, como la de las cuerdas, postulan la existencia de dimensiones extra, pero como nuestro espacio tridimensional se expande, no precisa de dimensiones extra en las cuales crecer.

En nuestro universo, al igual que en la superficie del globo, todo se aleja de todo. Por lo tanto, el Big Bang no fue una explosión en el espacio. Fue más bien una explosión del espacio. No se originó en un punto determinado y se desplegó desde allí en cierto vacío imaginario preexistente. Ocurrió en todas partes a la vez.

Si uno imaginara correr el tiempo hacia atrás, cualquier región dada del espacio se contraería y todas las galaxias contenidas en ella se aproximarían más y más hasta amalgamarse todas juntas en una congestión cósmica de tránsito: el Big Bang. Esta analogía del embotellamiento podría implicar una congestión local evitable escuchando el informe radial de la Torre de Tránsito. Pero el Big Bang fue un congestionamiento imposible de evitar. Fue como si la superficie de la Tierra (y todas sus calles y autopistas) se contrajeran mientras que los autos conservasen su tamaño normal. En algún momento, todos los autos llegarán a estar paragolpes con paragolpes en todos los caminos del planeta. Ningún reporte radiofónico podrá ayudarlo en este tipo de bloqueo. La congestión es universal.

De la misma forma, el Big Bang ocurrió en todas partes: en la habitación donde usted está leyendo este artículo, en un punto a la izquierda de Alfa Centauri, en todos lados. No fue una explosión saliendo desde un punto que podamos identificar como el epicentro. De manera similar, no hay un lugar específico en la superficie del globo que podamos definir como centro de la expansión.

Esta ubicuidad del Big Bang se mantiene sin importar cuán grande sea el universo y ni siquiera si es finito o infinito. Los cosmólogos sostienen a veces que el universo comenzó con el tamaño de un pomelo, pero lo que quieren decir en realidad es que la parte del universo que nosotros podemos ver ahora —lo que llamamos nuestro universo observable— estaba contenido en el volumen de un pomelo.

Los observadores ubicados en la galaxia de Andrómeda o más allá verán universos observables distintos del nuestro, pero parcialmente superpuestos. Los astrónomos de Andrómeda pueden ver galaxias que nosotros no vemos, simplemente en virtud de que están ligeramente más cerca de ellos que de nosotros, y viceversa. Su universo observable también tuvo en su momento el tamaño de un pomelo. Por lo tanto, podemos concebir el universo primitivo como una inmensa pila de pomelos parcialmente superpuestos, que se expande infinitamente en todas direcciones. De acuerdo con esto, la idea de que el Big Bang comenzó siendo "pequeño" lleva a confusión. La totalidad del espacio pudo haber sido infinita.

Contraiga el espacio en una proporción arbitraria, y seguirá siendo infinito.

Otro grupo de malentendidos se refiere a la descripción cuantitativa de la expansión. El ritmo al que se incrementa el espacio entre las galaxias sigue un patrón concreto que fue descubierto por el astrónomo norteamericano Edwin Hubble en 1929. La velocidad de retracción de una galaxia con respecto a nosotros (v) es directamente proporcional a la distancia a la que se encuentra (d):

v = Hd

H representa una constante de proporcionalidad denominada Constante de Hubble y cuantifica lo rápido que se estira el espacio, no sólo a nuestro alrededor sin alrededor de cualquier observador del universo.

Algunos se confunden por el hecho de que algunas galaxias no obedecen a la ecuación de Hubble. Andrómeda, nuestra galaxia vecina más grande, no se aleja de nosotros sino que se aproxima. Estas excepciones se presentan porque la ecuación de Hubble sólo describe el comportamiento promedio de las galaxias. Algunas galaxias pueden tener también pequeños movimientos locales producidos al orbitar una respecto de la otra o por causa del tirón gravitacional que las une, como en el caso de la Vía Láctea y Andrómeda. Las galaxias remotas también presentan pequeños desplazamientos locales, pero desde nuestra perspectiva (que implica un altísimo valor de d), estas velocidades azarosas se ven eliminadas por las grandes velocidades de retracción (v). Incluso para esas galaxias la ley de Hubble mantiene una enorme precisión.

Hay que hacer notar que, de acuerdo con esta ecuación, el universo no se está expandiendo a una velocidad única. Algunas galaxias se alejan a 1.000 kilómetros por segundo, otras a 2.000, y así sucesivamente. De hecho, la ley de Hubble predice que las galaxias que se encuentran a más de determinada distancia (denominada, por supuesto, "Distancia de Hubble" ), se alejan a velocidades superiores a la de la luz. Para el valor medido en la Constante de Hubble, esta distancia es de unos 14.000 millones de años luz.
Esta predicción de galaxias más rápidas que la luz, ¿significa que la ley de Hubble está equivocada? ¿No dice la teoría de la relatividad especial de Einstein que nada puede moverse a velocidades superiores a la de la luz? Estas preguntas han logrado confundir a generaciones enteras de estudiantes. La respuesta es que la relatividad especial se aplica sólo a movimientos con velocidades "normales" en el espacio. Estamos hablando de un efecto relativista general que no tiene nada que ver con el límite relativista especial.

Tener una velocidad de alejamiento superior a la de la luz no viola la relatividad especial. Igualmente, sigue siendo cierto que nada puede rebasar a un rayo de luz.

La primera observación de que el universo se expande llegó entre 1910 y 1930. Los átomos emiten y absorben luz de longitudes de onda específicas y ello se midió en experiencias de laboratorio. Los mismos patrones aparecieron en la luz de las galaxias distantes, excepto que esos patrones habían sido desplazados hacia longitudes más largas.

Los astrónomos decían que la luz de esas galaxias habían sufrido un "corrimiento al rojo". La explicación es clara y simple: a medida que el espacio se expande, las ondas de la luz se estiran. Si el universo duplica su tamaño durante el viaje de las ondas, sus longitudes de onda se duplican también y su energía desciende a la mitad.

Este proceso puede ser descripto en términos de temperatura. Los fotones emitidos por un cuerpo tienen colectivamente una temperatura, o sea, una cierta distribución de su energía que refleja cuán caliente es el cuerpo.

A medida que los fotones viajan a través de un espacio en expansión, pierden energía y su temperatura disminuye. De este modo, el universo se enfría a medida que se expande, al igual que el aire comprimido de un tubo de buceo se enfría cuando se lo libera y se le permite expandirse. Por ejemplo: la radiación de fondo tiene hoy en día una temperatura de 3°K, siendo que el proceso que liberó tal radiación ocurrió a una temperatura de 3.000°K. Desde la emisión de esa radiación, el universo incrementó su tamaño en un factor de 1.000, por lo tanto la temperatura de los fotones cayó en la misma proporción. Observando el gas de las galaxias más lejanas, los astrónomos han podido medir en forma directa la temperatura de la radiación en el pasado remoto. Estas mediciones confirman que el universo se ha ido enfriando a medida que pasó el tiempo.

Los malos entendidos cunden acerca de la relación entre el corrimiento al rojo y la velocidad. El corrimiento provocado por la expansión a menudo se confunde con el más familiar corrimiento al rojo causado por el efecto Doppler. El Doppler normal hace que las ondas sonoras se alarguen si su fuente se aleja, como por ejemplo en una ambulancia que va a gran velocidad. El mismo principio se aplica a las ondas de luz, que se hacen más largas si la fuente de luz se aleja de nosotros.

Esto es similar pero no idéntico a lo que pasa con la luz de las galaxias distantes. El corrimiento al rojo cosmológico no es un corrimiento Doppler normal. Los astrónomos a menudo hablan como si lo fuera, pero al hacerlo hacen un flaco servicio a quienes los escuchan. El corrimiento Doppler y el corrimiento cosmológico obedecen a dos fórmulas distintas. El primero proviene de la relatividad especial, que no toma en cuenta la expansión del espacio físico, mientras que el segundo depende de la relatividad general, que sí lo hace. Las dos fórmulas son casi idénticas para las galaxias cercanas, pero divergen en gran medida si tratamos con las muy lejanas.

De acuerdo con la fórmula usada para calcular el Doppler, los objetos cuya velocidad tiende a la de la luz tendrán desplazamientos al rojo que tenderán a infinito. Sus longitudes de onda crecen demasiado como par ser visibles. Si ello fuera cierto para todas las galaxias, los objetos visibles más distantes se retraerían a velocidades justo por debajo de la velocidad de la luz. Sin embargo, la fórmula del corrimiento cosmológico lleva a resultados diferentes. En el modelo cosmológico estándar actual, las galaxias con un corrimiento de 1,5 se alejan a la velocidad de la luz. Un corrimiento de 1,5 es una luz con un corrimiento 150% más largo que el valor de referencia en el laboratorio.

Los astrónomos han observado más de 1.000 galaxias cuyo corrimientos son superiores a 1,5. Esto significa que nos estamos alejando de ellas más rápido que la luz. La radiación de fondo ha viajado aún más lejos, y tiene un factor de corrimiento superior a 1.000. Cuando la radiación que vemos hoy fue emitida por el plasma caliente del universo primigenio, se estaba alejando de nosotros a una velocidad 50 veces superior a la de la luz.

La idea de observar galaxias más rápidas que la luz puede sonar mística, pero ha sido hecha posible por cambios en la tasa de expansión. Imagine un rayo de luz que está más lejos que la distancia de Hubble (14.000 millones de años luz) y que intenta viajar hasta nosotros. Se mueve en nuestra dirección a la velocidad de la luz en su espacio circundante, pero su espacio local se aleja de nosotros más rápido que la luz. A pesar de que la luz viaja hacia la Tierra a la máxima velocidad posible, nunca nos alcanzará debido a que el estiramiento del espacio la aleja más rápido de lo que ella se desplaza. Es como un niño que trata de subir por una escalera mecánica que desciende. Los fotones a la distancia de Hubble son como la Reina Roja y Alicia, siempre corriendo lo más rápido que pueden, sólo para permanecer en el mismo sitio.

Uno podría llegar a la conclusión de que la luz originada más allá de la distancia de Hubble nunca llegará hasta nosotros, y que su fuente será invisible e indetectable para siempre. Pero lo que sucede es que la distancia de Hubble no es fija, porque depende de la constante de Hubble, que cambia con el tiempo. En particular, la constante es proporcional a la tasa de incremento de la distancia entre dos galaxias, dividida por esa distancia. Esto se cumple para dos galaxias cualesquiera. En los modelos del universo que se corresponden con los datos observacionales, el denominador crece más rápido que el numerador de esta división, por lo que la constante de Hubble se va haciendo más pequeña. Simultáneamente la distancia de Hubble aumenta. A medida que esto ocurre, la luz que al principio estaba justo más allá de la distancia de Hubble y alejándose queda en cierto momento dentro de la distancia de Hubble. Los fotones se encontrarán entonces en una región del espacio que se aleja a una velocidad menor que la de la luz. De ahí en más, podrán llegar hasta nuestro telescopio.

La galaxia de la cual proceden, sin embargo, puede seguir alejándose a velocidad superlumínica. Es por esto que podemos observar la luz de galaxias que siempre han estado y siempre estarán alejándose de nosotros a velocidades mayores que la de la luz. Otra forma de expresarlo es que la distancia de Hubble es variable y no determina el límite del universo observable.

¿Qué es lo que determina este límite, entonces? Una vez más, ha habido confusión a este respecto. Si el espacio no se expandiera, el objeto más lejano que podríamos ver sería el que se encuentra a 14.000 millones de años luz de nosotros, la máxima distancia que la luz podría haber viajado en los 14.000 millones de años que han pasado desde el Big Bang. Pero a causa de que el universo se expande, el espacio recorrido por la luz se expande a sus espaldas a medida que viaja. Por lo tanto, la distancia actual al objeto más distante que podemos ver es cerca de tres veces mayor que antes, es decir unos 46.000 millones de años luz.

El reciente descubrimiento de que la tasa de expansión cósmica se está acelerando hace las cosas todavía más interesantes. Anteriormente, los cosmólogos pensaban que vivíamos en un universo en desaceleración, y que cada vez más galaxias quedarían a la vista. En nuestro universo en aceleración, en cambio, estamos circundados por una frontera, más allá de la cual ocurren sucesos que nunca podremos ver. Se la llama "horizonte cósmico de acontecimientos". Si la luz de las galaxias que se alejan más rápido que la luz está destinada a llegar hasta nosotros, la distancia de Hubble tiene que ir aumentando. Pero en un universo acelerando, el aumento de la distancia de Hubble se detiene. Los eventos remotos pueden emitir rayos de luz en nuestra dirección, pero su luz está atrapada por fuera de la distancia de Hubble por la aceleración de la expansión.

Un universo que acelera su expansión recuerda, entonces, a un agujero negro. Éste tiene también su horizonte de acontecimientos, un límite más allá del cual no vemos nada. La distancia a nuestro horizonte de acontecimientos es actualmente de 16.000 millones de años luz, perfectamente dentro de nuestro universo observable. La luz de las galaxias que hoy están ubicadas por fuera del horizonte de acontecimientos nunca llegará hasta nosotros, porque la distancia que hoy es de 16.000 millones crecerá más rápido de lo que la luz se mueve. Podremos ver los eventos que tengan lugar en esas galaxia antes de que hayan cruzado el horizonte, pero los acontecimientos subsiguientes quedarán fuera de nuestra vista por toda la eternidad.

En la película "Annie Hall", el personaje interpretado por Woody Allen explicaba a su madre y al médico por qué no había hecho sus tareas: "El universo se está expandiendo... El Universo es todo, y si se está expandiendo, algún día se romperá en pedazos y ¡eso será el fin de todo!". Pero su madre sabe algo más: "Tú estás aquí, en Brooklin. ¡Y Brooklin no se está expandiendo!".

La madre de Woody tiene razón. Brooklin no se está expandiendo. La gente supone que a medida que el espacio se expande, todo lo que contiene se expande a su vez. Pero esto no es cierto. La expansión por sí misma, es decir, una expansión constante que no acelera ni se frena, no produce ninguna fuerza. La longitud de onda de la luz se expande al mismo ritmo que el universo porque, al revés que los átomos y las ciudades, los fotones no son objetos materiales cuyo tamaño ha sido establecido mediante un compromiso entre distintas fuerzas. Una tasa de expansión cambiante agrega una nueva fuerza al modelo, pero ni siquiera esta nueva fuerza hace que los objetos materiales se expandan ni se contraigan.

Por ejemplo: si la gravedad aumentara, nuestra médula espinal se comprimiría hasta que los electrones de las vértebras alcanzaran un nuevo equilibrio, ligeramente más próximos unos a otros. Usted sería un sujeto más bajo, pero no continuaría encogiéndose. Del mismo modo, si viviésemos en un universo dominado por la fuerza atractiva de la gravedad —como en el modelo que los cosmólogos proponían hace unos pocos años— la expansión se desaceleraría, oprimiendo suavemente a los cuerpos del universo y obligándolos a alcanzar un nuevo equilibrio pero con tamaños más pequeños. Habiendo logrado eso, no se seguirían achicando.

De hecho, en nuestro universo la expansión está acelerándose, y ello provoca un ligera fuerza hacia fuera de los cuerpos. En consecuencia, los objetos son ligeramente mayores que lo que serían en un universo no acelerando, porque el equilibrio entre las fuerzas se alcanza al llegar a un tamaño ligeramente mayor. En la superficie de la Tierra, la aceleración saliente desde el centro del planeta es igual a una infinitesimal fracción ( 10^{- 30} ) de la fuerza centrípeta normal de la gravedad. Si esta aceleración es constante, no hace que la Tierra se expanda; en vez de ello, el planeta simplemente se estabiliza en un tamaño ligeramente mayor que el que hubiese debido tener.

El razonamiento cambia si la aceleración no es constante, como han especulado algunos cosmólogos. Si la aceleración misma aumenta, eventualmente podría llegar a ser tan grande como para romper todas las estructuras, llevando a un "Big Rip" ("el gran desgarrón" ). Pero este desgarrón ocurriría no por la expansión ni la aceleración, sino a causa de una aceleración que se va incrementando.

El modelo del Big Bang se apoya en observaciones de la expansión, la radiación de fondo, la composición química del universo y la forma en que se aglutinan sus estructuras. Como todas las ideas científicas, el modelo puede ser superado algún día. Pero actualmente se ajusta a los datos mejor que ningún otro modelo. A medida que las nuevas mediciones, más precisas, capacitan a los cosmólogos para comprender mejor la expansión y la aceleración, pueden formular preguntas aún más fundamentales acerca de los primeros tiempos y las más grandes escalas del universo. ¿Qué causó la expansión? Muchos cosmólogos atribuyen el proceso a la inflación, un tipo de expansión autoacelerante. Pero esa puede ser sólo una respuesta parcial, porque pareciera ser que para comenzar a tener su inflación, el universo debía estar expandiéndose ya. ¿Y qué hay de las escalas mayores, más allá de lo que nosotros vemos? Las distintas partes del universo, ¿se expanden a distintas tasas, de modo que nuestro universo es una sola burbuja inflacionaria flotando en un mucho más grande "multiverso"? Nadie lo sabe. A pesar de que aún quedan muchas preguntas, las observaciones cada vez más precisas sugieren que el universo va a seguir expandiéndose para siempre. Esperamos, sin embargo, que las confusiones acerca de la expansión se contraigan.

Más datos:

• Misconceptions about the Big Bang
  

(Traducido, adaptado y ampliado por Marcelo Dos Santos de SciAm y de otros sitios de Internet)