domingo, 20 de diciembre de 2009

3 Cosmología. Introducción a la Cosmología.

L a cosmología constituyó hasta hace un poco más de un siglo una especie de rama de la metafísica. Se concebía como un conjunto de hipótesis y razonamientos relativos al origen y evolución del universo, al cual se le daban diferentes significados. A medida que el conocimiento de la materia, de la energía y de las profundidades estelares aumentó, empezaron estos estudios a ser considerados con el rango de una rama de la ciencia. También el acercamiento de la física a imprecisas fronteras hizo que las teorías cosmológicas debieran ser planteadas en el terreno científico.

Las ideas de la cosmología brotan desde las propias interrogantes que se embrionan en el interior de los seres humanos. Interrogantes comunes en la naturaleza humana como: ¿ Y antes? ¿Y después?, son las que se convierten como base de partida de prácticamente todas las teorías que exhibe la cosmología.
Todas las culturas se han hecho las mismas preguntas y de algún modo se han respondido. En algún momento de su historia, cada cultura ha tenido su propia cosmología, su interpretación de cómo llegó a formarse el universo y hacia dónde se dirige.

Dentro de esta disciplina, y sin una muy precisa distinción, caben la cosmogonía, ciencia que trata de la formación del universo, y la cosmografía, que estudia la constitución física de los cuerpos celestes, sus distancias, dimensiones y demás, y agrega hipótesis y razonamientos cuando la observación parece insuficiente. Pero se entiende que sus estudios se centran en el cosmos a gran escala. El objetivo de la cosmología es entregar el diseño global del universo, abordando principalmente su origen y evolución. ¿Cómo es el universo? ¿Cuál fue su origen? ¿Cuál será su destino final? Estas son algunas de las preguntas básicas que hoy hombres de ciencias intentan, a través de estudios teóricos cosmológicos, respuestas que si bien no siempre se insertan dentro del el sentido común, sí reflejan la realidad que se percibe a través del método de investigación científica.

La cosmología tolomeica que veremos en nuestro siguiente capítulo, pese a sus complicados ciclos y epiciclos, coincidía con el sentido común tan plenamente que dominó la cosmología occidental unos 1.000 años, hasta la época de Copérnico. Y no gozó de la protección confesional solo por que se adaptaba mejor a las Escrituras, ni tampoco fue un simple accidente fruto de la ignorancia. Hoy olvidamos que son la física de Aristóteles y la cosmología de Ptolomeo las que corresponden con el sentido común, no la física de Newton ni la cosmología de Copérnico, que son ya grandes abstracciones distanciadas de nuestra experiencia ordinaria.

Hoy, y dado los progresos que se han logrado en el conocimiento que se tiene sobre el cosmos y los instrumentos que se han elegido para obtenerlo, se requieren personas que hayan alcancanzado dominio a niveles superiores en ciencias como las matemáticas y la física en varias de sus ramas. Por ello, y en forma definitiva, les corresponde a los científicos los que se preocupan y sugieren las teorías cosmológicas, las teorías que intentan explicar el origen y evolución del universo.

Al finalizar el segundo milenio del calendario occidental, asombrosamente, la cosmología se ha convertido en una ciencia empírica, pero también a su vez comporta rasgos de una ciencia especulativa. Se convirtió en 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 y, más recientemente, el telescopio espacial. La teoría de Einstein no exige una cosmología específica o una estructura concreta del universo. Aporta el andamiaje, no los detalles. Para poder elaborar una idea más acabada sobre la estructura de todo el universo, en el espacio y en el tiempo, hacen falta, como siempre se enfrentan las aspiraciones que el hombre tiene para ello, una mayor cantidad y calidad de observaciones, y para ello seguirá siendo necesario la creación de nuevos y más capaces instrumentos.

La palabra teoría se deriva del griego «contemplar, examinar». Una teoría viene a ser como una descripción de la realidad. Es una coherencia satisfactoria que no necesariamente forma parte de la mera percepción. Es una imagen de la visión externa que captamos, que ordena con formas nuevas nuestra experiencia y hace inteligible la complejidad de nuestras percepciones. Pero todo lo anterior queda tergiversado si confundimos nuestra imagen de la realidad con la realidad misma. Una teoría que nace de las ciencias naturales, pese a su coherencia, su capacidad de predicción y su profundidad de visión, solo viene a ser un medio de describir la realidad material y no la realidad misma. Por ejemplo, según la teoría de Newton, las leyes del movimiento son ecuaciones diferenciales. Pero cuando los planetas se mueven en sus órbitas alrededor del Sol, no están resolviendo ecuaciones diferenciales que les dice cómo deben moverse, simplemente lo hacen. Las teorías son una invención humana, y somos nosotros los que resolvemos las ecuaciones diferenciales y vemos si nuestra imagen se corresponde con la realidad. Los planetas tan solo se mueven y punto.

Las teorías físicas y la cosmología pueden considerarse como descripciones de la realidad. Esto no quiere decir, claro, que tales descripciones sean invenciones arbitrarias. Unas descripciones son mejores y más precisas que otras, explicando un ámbito más amplio de la realidad. Podemos hacer comparaciones entre ellas y elegir a aquella que consideremos que se corresponde más con la realidad. Por ejemplo, es muy posible que lo que cada uno de nosotros capta, sin previos prejuicios, como una visión del firmamento tenga fallas insoslayables cuando examinamos de cerca al universo. A la descripción aristotélica la sustituyó la newtoniana, a la que, a su vez, sustituyó una descripción einstiana. A medida que los científicos van sabiendo más de la realidad, gracias a la observación y a los experimentos, las descripciones cambian para ajustarse a lo que se descubre. A veces, los descubrimientos experimentales son tan desconcertantes que ninguna teoría existente puede describir las nuevas realidades descubiertas. Y entonces han de cambiar hasta las reglas de elaboración de las descripciones teóricas, como sucedió a principios del siglo XX al aparecer la relatividad y la teoría cuántica. Continuamos elaborando nuevas ideas y descripciones teóricas y la realidad simplemente sigue existiendo. Es importante tener esto presente cuando hablamos de cosmología. Todas las cosmologías son modelos del universo, no el universo mismo.

LEYES UNIVERSALES

Para desarrollar y propugnar una descripción teórica cosmológicas, debe asumirse en forma irrenunciable y como una premisa ineludible, que las leyes que hemos logrado descubrir en nuestro planeta son idénticas a las que rigen a la totalidad de los grandes confines del cosmos. Es posible que lo anterior pueda ser considerado como una tremenda presunción; pero no tenemos otro medio si queremos saber más; sólo nos cabe aplicar tales leyes y verificar sus resultados.

Por fortuna, los acontecimientos cósmicos parecen mostrar cada día en forma más fehaciente su sometimiento a las mismas ordenaciones y sistemas de conducta que se cumplen en la Tierra. El movimiento de nuestro satélite natural, la Luna, se atiene a las leyes que controlan la caída de una manzana; el movimiento de las estrellas de nuestra galaxia sigue las leyes generales del péndulo; los átomos que hemos logrado observar alojados en mundos distantes de la Tierra muestran las mismas líneas espectrales que las de aquellos que examinamos en nuestros laboratorios; los planetas solares se trasladan y graznan sobre órbitas que corresponden a las mismas curvas y ecuaciones estudiadas hace siglos por los griegos..., y los delicados equipos que se han empotrado en sofisticados satélites que se han construido aquí en la Tierra y puestos en el espacio por la voluntad humana, a millones de kilómetros de nuestra morada, cumplen rigurosamente con las previsiones aquí formuladas y con las órdenes que les han sido impartidas desde tan lejos. Por otra parte, los únicos elementos que observamos en el amplio universo estelar, corresponden a aquellos que nos son terrícolamente familiares y que cuya clasificación parte de la serie de Menderlejeff.

Sin embargo, por los modestos alcances que aun tienen nuestros conocimientos sobre la magnificencia del universo y sus complejidades, se debe considerar que puedan existir otras leyes aún desconocidas o diferentes que, de ser así, las que todavía tenemos serán las que nos conducirán a distinguirlas y entenderlas.

LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA

El núcleo medular del reino de la ciencia de la cosmología está constituido por cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza, las que comúnmente las llamamos «fuerzas de campo»: gravedad, electromagnetismo, y las fuerzas subatómicas fuerte y débil. Se trata de un cuarteto que difiere fundamentalmente de las familiares fuerzas mecánicas que cohabitan con nosotros cotidianamente.
Nuestra noción común de fuerza implica la participación de un agente tangible que actúa directamente sobre algún objeto, como en el caso de una yunta de bueyes atada a una carreta. La yunta tira; la carreta se mueve. Los científicos explican la gravedad y las demás fuerzas de campo de otra manera. Cuando se recurre al ejemplo de la caída de una manzana se trata de explicar que ese fenómeno no es el resultado de una fuerza mecánica transmitida por la Tierra a través de algún invisible medio. En vez de ello, la manzana se mueve debido a su interacción con el campo gravitacional local creado por la masa de la Tierra.

El campo es gravedad; en cada punto del espacio existe una magnitud que puede ser medida en términos de la fuerza que ejerce sobre un objeto situado allí. El campo gravitatorio de la Tierra, por ejemplo, es más débil en la cima de una montaña que en el fondo de un océano.
El movimiento de un objeto cualquiera desarrollado a través de un campo genera más de una situación compleja. Por ejemplo, cuando una partícula cargada atraviesa un campo electromagnético, induce cambios en el campo. El campo alterado, a su vez, somete a la partícula a niveles de fuerzas constantemente variables.

Los científicos identifican y clasifican esta dinámica recurriendo al uso de expresiones matemáticas que son conocidas bajo el nombre de ecuaciones de campo, puntales de las teorías de fuerza. Puesto que estas ecuaciones también hacen posible calcular características anteriores de un campo, son herramientas importantísimas para el trabajo de los cosmólogos. Siguiendo el rastro de las interacciones de materia y campos de fuerza, los teóricos cuentan con capacidad para poder describir situaciones que se pudieron dar en el universo cuando éste todavía se encontraba en su "infancia".

LOS MODELOS CIENTÍFICOS

Creemos que es pertinente aquí una breve disgresión para hablar de los modelos en la ciencia. Durante este siglo veinte se han desarrollado varios modelos cosmológicos con soporte científico que iremos describiendo en capítulos posteriores. Lo que nos interesa aquí es subrayar qué es lo que los científicos identifican como modelo. Un modelo científico comienza con un objeto o un sistema físico verdadero, sustituye el objeto original por uno más simple y luego representa el objeto simplificado con ecuaciones que describen su comportamiento.

Lo anterior lo podemos describir con otras palabras sobre la base de los dos principios fundamentales que orientan el avance de la ciencia. Uno, que si vamos a preguntarnos sobre los objetos en el cielo, lo primero es mirar hacia arriba y ver qué nos dice la observación de lo que allí hay. Podemos imaginar o discurrir acerca de lo que no es fácil o posible de observar. Sin embargo, si el comportamiento imaginado contradice lo que se observa, debe ser abandonado. Es lo que se llama «principio de sometimiento al fenómeno», a lo que ocurre y puede medirse: el comportamiento de la naturaleza, si uno quiere conocerla, siempre manda.
El otro principio es el de simplicidad: de dos explicaciones, la más simple es siempre la mejor. Pero no tan simple que viole el primer principio. Einstein dice: "Todo debe ser lo más simple posible, pero no más simple".

Un modelo científico viene a ser, en alguna medida, una versión a escala de un sistema físico al que le falta algunas partes del original. Se requiere de gran juicio y habilidad para decidir qué partes no deben incluirse. Si se han omitido características esenciales, el modelo carece de toda validez. Por otra parte, si nada se excluye, significa que no ha habido simplificación y el análisis resulta a menudo demasiado complicado. Un ejemplo recurrente para entender esta definición es el que se basa en la construcción de un modelo para un péndulo oscilante. Para realizar el modelo, al principio podríamos intentar incluir la forma detallada del peso que está en el extremo, la densidad y la presión del aíre en la habitación, y así sucesivamente. Si consideramos tal desarrollo demasiado complejo, podríamos sustituir el peso por una simple bola e ignorar el aire completamente. De hecho, en la práctica este sistema muchísimo más simple funciona igual que el original. En cambio, si dejamos la gravedad fuera, el péndulo teórico resultante dejaría de ser tal, ya que no oscilaría de un lado hacia el otro. Al resolver las ecuaciones de un modelo se puede predecir, y luego poner a prueba, el sistema físico original.

I-Concepto Cosmología EH

PRINCIPIOS COSMOLÓGICOS A ESCALA HUMANA

Por su naturaleza y los objetivos que persigue, se puede considerar a la cosmología como una ciencia inmersa en continuos períodos de trastornos. Frecuentemente, las últimas observaciones que se van haciendo en las profundidades del espacio van revelando aspectos de un universo que dejan en entredicho y sin explicación a cuestiones importantes de modelos cosmológicos. Sin embargo, los cosmólogos han desarrollado nuevas teorías que les permiten estudiar cómo puede haber sido el universo durante la primera billonésima de segundo de su vida, un período que antes se consideraba imposible de calcular. Puede que estas nuevas teorías no sean correctas, pero por primera vez se ha podido situar el nacimiento mismo del universo sobre una base científica. Brillantes personeros de ciencia han focalizado su atención reflexiva en interrogantes que no hace muchos años se consideraban excluidas del ámbito científico.

En las últimas décadas han sido los astrónomos y físicos quienes han intentado responder las interrogantes cósmicas. ¿Siempre ha existido el universo? Si no es así, ¿cuándo comenzó? ¿Y cómo? ¿Se acabará? ¿Está cambiando el universo con el tiempo? ¿Se extiende el espacio en forma infinita en todas direcciones? ¿Cómo llegó a formarse la materia en el universo? Las descripciones teóricas que intentan dar respuesta a esas interrogantes tienen ahora en su formulación, a diferencia del pasado, un soporte científico, que puede ser empírico o matemático, y siempre sometido a las leyes consuetudinarias que rigen la conducta del hacer ciencia, que les permite, por lo menos, gozar de una atención. Pero lo anterior, no implica que la cosmología se haya podido desagregar tajantemente en sus descripciones teóricas de algo de sueño y mucha imaginación especulativa. El modelo cosmológico más ampliamente difundido, como es la del Big Bang, descansa en cuatro soportes observacionales: el desplazamiento de las galaxias, que se alejan unas de otras a enormes velocidades (descubierto en 1929 y que ha sido interpretado como una de las evidencias de la expansión producida por una gran explosión que dio origen al cosmos); la concordancia que se puede registrar entre la edad del universo - calculada por la velocidad a que las galaxias se distancian entre sí - y la edad de la Tierra, medida por la desintegración radiactiva del uranio; el baño de ondas de radio provenientes del espacio, pronosticado como el necesario remanente de un universo más joven y caliente, descubierto en 1965; y la composición química general del universo -cerca de un 25% de helio y un 75% de hidrógeno-, lo que puede explicarse en términos de procesos atómicos en el universo recién creado. Si dejamos de lado estas escasas observaciones críticas, lo que sostiene al modelo del Big Bang es sólo teoría, supuestos, suposiciones e intuiciones; o sea, el aporte de algo de sueño y mucho de imaginación. De todas las ciencias, la cosmología es la que requiere las extrapolaciones más extremas en el espacio y en el tiempo.

Es indudable que todas las teorías cosmológicas tienen algo de sueño y mucho de imaginación; es posible que llegue a establecerse cuál de ellas expresa mayor certeza en lo acaecido en el cosmos; pero todavía todas viven sostenidas por un alto porcentaje de especulación.

Sostener, como veremos en capítulos posteriores, que el universo no tuvo principio ni tendrá fin, o conformarse con no preguntar de dónde proviene toda la materia o la energía que habría formado el inconcebible y gigantesco átomo primigenio del Big Bang o del Universo Pulsante, es enterrar la cabeza en la arena. «Un tiempo o un espacio infinitos, se contesta, no tiene principio». Tal posibilidad es, lógica y naturalmente, incomprensible y nos hace penetrar, nos guste o no nos guste, en un terreno que objetivamente puede ser calificado como especulativo, pretendiendo explicar, con palabras que tienen solo un sentido abstractamente matemático, un fenómeno todavía inexplicable.

Concebir algo sin principio ni fin; entramos a tratar con conceptos que debemos de reconocer que se encuentran ausentes en la naturaleza humana. Por ello, pienso que todas las teorías cosmológicas necesitan iniciarse en un acto de creación, no solo de la materia y de la energía necesarias, sino también de las leyes o normas de conducta a las cuales habrán de atenerse en su devenir. Ello presupone dar respuestas a preguntas que la ciencia no está, ni tal vez estará nunca, en condiciones de poder contestar: ¿Y antes? ¿Y cómo? ¿Y para qué?. Lo sabio, en este caso, es asumir una posición honesta y simple: no remplazar la ignorancia por palabras o frases tan sin sentido como «generación espontánea» o «no me interesa, porque la ciencia no tiene cómo saberlo todavía».

Pienso que lo recurrente en nuestro quehacer científico debe ser la modestia y la honestidad de aceptar nuestra actual incapacidad. Referirnos a estas condiciones de orden ético nos enfrenta al gran mundo dentro del cual han nacido y se han configurado las imágenes y los conceptos capaces de ordenar lógicamente, según Einstein lo dijo, los fenómenos sensoriales; un mundo del cual el de la ciencia es humanamente hijo y sin el cual no podría existir el análisis de los fenómenos que lo conforman. Es el mundo de la inteligencia y del conocimiento, en el cual nacieron el ansia de saber, de verdad, y todo el vastísimo material de ideas que nos nutre espiritualmente.

Por último, y con el objeto de precisar una posición personal, creo que no deja de ser científico aceptar que los agujeros negros, las estrellas, los planetas y los átomos han sido en último término creados por Dios, pero a la vez estoy convencidos de que, en su naturaleza material, su existencia obedece a un proceso cósmico sin categorías ni privilegios especiales, todos sometidos a las mismas leyes. Si unas estrellas son más masivas que otras, o tienen mayor brillo, o más influyentes sobre la vida en el planeta que otras, ello es explicable en términos de principios o leyes físicas universales que rigen para todas sin excepción. Antares sabemos que es una estrella muchísimo más grande que el Sol, pero su comportamiento físico se rige por las mismas leyes que operan para nuestro Sol. Pienso, y así humanamente lo acepto como una concepción inserta en mi formación científica, que las leyes universales de la física son la estructura misma de la Creación.

Fuente: http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-01_02.htm

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