Stephen Hawking
Según la población de Boshongo de África central, en el principio, había solamente oscuridad, agua y el gran dios Bumba. Un día Bumba, en medio de un dolor de estómago, vomitó el sol. El recién salido sol, secó parte del agua apareciendo así la tierra. Todavía con dolor, Bumba vomitó la luna, las estrellas, y después algunos animales. El leopardo, el cocodrilo, la tortuga, y finalmente el hombre.
Este mito de creación, como muchos otros, intenta contestar a las preguntas que todo nos hacemos. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde vinimos? La respuesta dada generalmente era que los seres humanos somos de origen relativamente reciente, porque debe haber sido obvio, incluso en las horas tempranas, que la raza humana mejoraba en conocimiento y tecnología. Por lo que no puede haber estado al inicio del mundo o habría progresado aún más. Por ejemplo, según el obispo Usher, el libro del génesis puso la creación del mundo a las 9 de la mañana el 27 de octubre del año 4.004 A.C. Por una parte, los accidentes geográficos, como las montañas y los ríos, cambian muy poco en un curso de la vida humana. Eran por lo tanto probablemente un fondo constante, y deberían haber existido por siempre como paisaje vacío, o haber sido creados al mismo tiempo que los seres humanos. No todos, sin embargo, eran felices con la idea que el universo tenía un principio.
Por ejemplo, Aristóteles, el más famoso de los filósofos griegos, creyó que había existido el universo por siempre. Algo eterno es más perfecto que algo creado. Él sugirió la razón por la cual vemos el estado de progreso humano era que las inundaciones, u otros desastres naturales, habían parado en varias ocasiones la civilización regresándola de nuevo al principio. La motivación para creer en un universo eterno era el deseo de evitar invocar la intervención divina para crear el universo y para fijar a dónde iba. Inversamente, los que creyeron que el universo tenía un principio, lo usaban como base de discusión para probar la existencia de Dios como la primera causa, o motor del universo.
¿Si uno creyó que el universo tenía un principio, la pregunta obvia era qué sucedió antes del principio? ¿Qué hacía Dios antes de crear el mundo? ¿Preparaba el infierno para enviar a la gente que hiciera tales preguntas? El problema independientemente de si el universo tenía un principio o no era una gran preocupación para el filósofo alemán, Emmanuel Kant. Él sentía que había contradicciones lógicas, o antimonios de todas maneras. ¿Si el universo tenía un principio, por qué esperó un rato infinito antes de que comenzara? Él llamó a eso la tesis. ¿Por una parte, si el universo había existido desde siempre, por qué tardó un tiempo infinito para alcanzar la actual etapa? Él llamó eso la antítesis. La tesis y la antítesis dependieron de la asunción de Kant, junto con casi cada uno, que el tiempo era absoluto. Es decir, fue del pasado infinito al futuro infinito, independientemente de cualquier universo que pudiera o no existir como fondo. Ésta sigue siendo la visión en la mente de muchos científicos hoy.
Sin embargo en 1915, Einstein introdujo su teoría de la relatividad general revolucionaria. En esto, el espacio y el tiempo eran no más el absoluto, no más un fondo fijo a los acontecimientos. En su lugar, eran cantidades dinámicas medibles de acuerdo a la materia y la energía en el universo. Fueron definidos solamente dentro del universo, así que no tenía ningún sentido hablar de una época antes de que el universo comenzara. Sería como buscar un punto al sur del polo sur. No se define. Si el universo fuera esencialmente inmutable en el tiempo, como fue asumido generalmente antes de los años 20, no habría razón para definir el inicio del tiempo arbitrariamente en un momento atrás lejano. Cualquier principio supuesto del universo sería artificial, en el sentido que uno podría suponer iniciar la historia de nuevo a épocas anteriores. Así, puede ser que sea que el universo fue creado el año pasado, pero con todas las memorias y pruebas físicas luce como que es mucho más viejo. Esto plantea preguntas filosóficas profundas sobre el significado de la existencia. Trataré de éstos adoptando lo que se llama el enfoque positivista. En esto, la idea es que interpretamos la entrada de nuestros sentidos en términos del modelo que hacemos del mundo. No interesa si el modelo representa la realidad, sólo si funciona. Un modelo es un buen modelo si primero interpreta una amplia gama de observaciones, en términos de modelo simple y elegante. Y en segundo lugar, si el modelo hace las predicciones definidas que se pueden probar y falsificar posiblemente por la observación.
En términos del enfoque positivista, uno puede comparar dos modelos del universo. Uno en el cual el universo fue creado el año pasado y uno en el cual el universo existió desde mucho antes. El modelo en el cual el universo existió por más de un año puede explicar cosas como los gemelos idénticos que tienen una causa común hace más de un año. Por otra parte, el modelo en el cual el universo fue creado el año pasado no puede explicar tales acontecimientos. El primer modelo es entonces mejor. Uno no puede preguntar si el universo existió realmente antes de un año o acaba de aparecer. En el enfoque del positivista, son iguales. En un universo constante, no habría punto de partida natural. La situación cambió radicalmente sin embargo, cuando Edwin Hubble comenzó a hacer observaciones con el telescopio de cien pulgadas en el Monte Wilson, en los años 20.
Hubble encontró que las estrellas no están distribuidas uniformemente a través de espacio, sino se agrupan en colecciones extensas llamadas galaxias. Midiendo la luz de las galaxias, Hubble podía determinar sus velocidades. Él esperaba que tantas galaxias se acercaran hacia nosotros como las que se separaran. Esto es lo que encontraría uno en un universo que fuera constante en el tiempo. Pero para su sorpresa, Hubble encontró que casi todas las galaxias se movían alejándose de nosotros. Por otra parte, las galaxias más alejadas de nosotros, se movían más rápidamente. El universo no era constante en el tiempo como cada uno había pensado previamente. Se ampliaba. La distancia entre las galaxias distantes aumentaba con el tiempo.
La extensión del universo fue uno de los descubrimientos intelectuales más importantes del vigésimo siglo, o de cualquier siglo. Transformó la discusión sobre si el universo tenía un principio. Si las galaxias ahora se separan, deben haber estado más cercanas en el pasado. Si su velocidad hubiera sido constante, habrían estado una encima de otra hace 15 mil millones años. ¿Era esto el principio del universo? Muchos científicos eran todavía infelices con que el universo tuviera un principio porque parecía implicar que la física terminaba. Uno tendría que invocar un agente externo de conveniencia, uno puede decir, Dios, para determinar cómo el universo comenzó. Por lo tanto, avanzaron las teorías en las cuales el universo se ampliaba actualmente, pero no tenía un principio. Una era la teoría del estado estacionario, propuesta por Bondi, Gold y Hoyle en 1948.
En la teoría de estado estacionario, como las galaxias se separaban, la idea era que nuevas galaxias se formarían de la materia que supuestamente se creaba continuamente a través de espacio. El universo habría existido por siempre y habría lucido igual siempre. Esta última característica tenía la gran virtud, desde un punto de vista positivista, de ser una predicción definida que se podría probar por la observación. El grupo de la astronomía de radio de Cambridge, debajo de Martin Ryle, hizo un examen de fuentes de radio débiles en el principios de los 60. Éstos fueron distribuidos bastante uniformemente a través del cielo, indicando que la mayor parte de las fuentes provienen de fuera de nuestra galaxia. Las fuentes más débiles estarían más lejos, en promedio. La teoría de estado estacionario predijo la forma del gráfico (espectro de la radiación de micro-ondas) del número de fuentes contra intensidad de la fuente. Pero las observaciones demostraron que las fuentes eran más débiles que las predichas, indicando que las fuentes de la densidad más alta estuvieron en el pasado. Esto era contrario a la asunción básica de la teoría de estado estacionario, que todo era constante en el tiempo. Por esto, y otras razones, la teoría de estado estacionario fue abandonada.
Otra tentativa de evitar que el universo tuviera un principio fue la sugerencia que hubo una fase de contracción anterior, pero debido a la rotación e irregularidades locales, la materia no caería en un mismo punto. En lugar, varias partes de la materia no chocarían, se alejarían y el universo se ampliaría otra vez con la densidad manteniéndose finita. Dos rusos, Lifshitz y Khalatnikov, reclamaron realmente haber probado que una contracción general sin simetría exacta llevaría siempre a una expansión manteniendo la densidad finita. Este resultado era muy conveniente para el materialismo dialéctico marxista-leninista, porque evitó preguntas torpes sobre la creación del universo. Por lo tanto, se convirtió en un artículo de fe para los científicos soviéticos.
Cuando Lifshitz y Khalatnikov publicaron su trabajo, yo era un estudiante de investigación de 21 años que buscaba algo para terminar mi tesis del PhD. No creí su supuesta prueba, y propuse con Roger Penrose desarrollar nuevas técnicas matemáticas para estudiar el asunto. Demostramos que el universo no podría expandirse. Si la teoría general de la relatividad de Einstein era correcta, habrá una singularidad, un punto donde la densidad y la curvatura serían infinitas en el espacio-tiempo, donde el tiempo tendría un principio. La evidencia por observación para confirmar la idea que el universo tenía un principio muy denso vino en octubre de 1965, algunos meses después de mi primer resultado de la singularidad, con el descubrimiento de un fondo débil del espectro de microondas proveniente del espacio. Estas microondas son iguales que ésas en su horno microondas, pero de mucho menos alcance. Calentarían su pizza solamente menos de un grado centígrado, no muy bueno para descongelar una pizza, mucho menos para cocinarla. Puede observar realmente estas microondas usted mismo. Fije su televisión a un canal vacío. Un porcentaje de la nieve que usted ve en la pantalla será causado por este fondo de microondas. La única interpretación razonable del fondo es que es radiación dejada por un estado muy caliente y denso anterior. Pues al ampliarse el universo, la radiación se habría enfriado hasta ser apenas el remanente débil que observamos hoy.
Aunque los teoremas de Penrose y mío de la singularidad, prevén que el universo tenía un principio, no explican cómo habría comenzado. Las ecuaciones de la relatividad general fallarían en la singularidad. Así, la teoría de Einstein no puede predecir cómo el universo comenzará, sino solamente cómo se desarrollará una vez ha comenzado. Hay dos actitudes para llevar los resultados obtenidos. Una es que Dios eligió cómo el universo comenzó por razones que no podríamos entender. Ésta era la opinión del papa Juan Pablo. En una conferencia sobre cosmología en el Vaticano, el papa dijo a delegados que era ACEPTABLE estudiar el universo después de que comenzara, pero no debe investigarse el principio en sí mismo, porque ése era el momento de la creación, y el trabajo de Dios. Me alegré de que no se dió cuenta que yo había presentado un papel en la conferencia sugiriendo cómo el universo comenzó. No me imaginaba ser entregado a la inquisición, como Galileo.
La otra interpretación de nuestros resultados, que es favorecida por la mayoría de los científicos, es que indica que la teoría de la relatividad general falla en los campos gravitacionales muy fuertes en el universo temprano. Tiene que ser substituida por una teoría más completa. Uno contaba con esto de todos modos, porque la relatividad general no toma en cuenta la estructura a pequeña escala de la materia, que es gobernada por teoría del quantum. Esto no importa normalmente, porque la escala del universo es enorme comparada a las escalas microscópicas de la teoría de quantum. Pero cuando el universo es del tamaño de Planck, mil millones de trillones de un centímetro, las dos escalas son iguales, y la teoría de quantum tiene que ser considerada.
Para entender el origen del universo, necesitamos combinar la teoría de la relatividad general con la teoría del quantum. La mejor manera parece ser utilizar la idea de Feynman de una suma de historias. Richard Feynman era un personaje pintoresco, que tocaba tambores de bongo en un empalme de vía en Pasadena y era físico brillante en el Instituto de Tecnología de California. Él propuso que un sistema estable pasa de un estado A, a un estado B, por trayectorias o historias posibles. Cada trayectoria o historia tiene una cierta amplitud o intensidad, y la probabilidad del sistema que va de A a B, es dada sumando las amplitudes para cada trayectoria. Habrá una historia en la cual la luna es de queso azul, pero la amplitud es baja, esto implica malas noticias para los ratones.
La probabilidad para un estado del universo es dada actualmente sumando las amplitudes para todas las historias que terminan en ese estado. ¿Pero cómo las historias comenzaron? Ésta es la pregunta en otro modo del origen. ¿Requiere que un creador decrete cómo el universo comenzó? ¿O está el estado inicial del universo, determinado por una ley de ciencia? De hecho, esta pregunta se presentaría incluso si las historias del universo volvieran al pasado infinito. Pero es más inmediata si el universo comenzó hace solamente 15 mil millones años. El problema de qué sucede al principio de tiempo es un poco como la cuestión de qué sucedía en el borde del mundo, cuando la gente pensaba que el mundo era plano. ¿Es el mundo una placa plana con el mar que se vierte por el borde? He probado esto experimentalmente. He viajado alrededor del mundo, y no me he caído. Como sabemos, el problema de qué sucede en el borde del mundo fue solucionado cuando la gente se dió cuenta que el mundo no era una placa plana, sino una superficie curvada. El tiempo, sin embargo, parece ser diferente. Parecía estar aparte del espacio, y ser como una pista ferroviaria. Si tuviera un principio, tendría que haber alguien para fijar el ir de los trenes. La teoría general de la relatividad de Einstein unificó tiempo y el espacio como espacio-tiempo, pero el tiempo era todavía diferente de espacio y era como un pasillo, que tenía un principio y un final, o fue un por siempre. Sin embargo, cuando uno combina relatividad general con la teoría de Quantum, Jim Hartle y yo encontramos que el tiempo puede comportarse en otra dirección al espacio bajo condiciones extremas. Esto significa que uno puede librarse del problema del tiempo que tiene un principio, en una manera similar de la cual nos libramos del borde del mundo. Suponga que el principio del universo era como el Polo Sur de la tierra, con los grados de latitud desempeñando el papel del tiempo. El universo comenzaría como punto en el Polo Sur. Al movernos al norte, los círculos de latitud constante, representando el tamaño del universo, se ampliarían. Saber qué sucedió antes del principio del universo se convierte en una pregunta sin sentido, porque no hay nada al sur del Polo Sur.
El tiempo, según lo medido en grados de latitud, tendría un principio en el Polo Sur, pero el Polo Sur es como cualquier otro punto, por lo menos así me han dicho. He estado en la Antártida, pero no en el polo Sur. Las mismas leyes de la naturaleza se cumplen en el polo Sur como en otros lugares. Esto quitaría la objeción histórica de que el universo tiene un principio; sería un lugar en donde las leyes normales fallaron. El principio del universo sería gobernado por las leyes de la ciencia. La imagen de Jim Hartle y mía de la creación espontánea del quantum del universo sería un poco como la formación de burbujas del vapor en agua hirviendo.
La idea es que las historias más probables del universo serían como las superficies de las burbujas. Muchas pequeñas burbujas aparecen, y después desaparecen otra vez. Éstos corresponderían a los mini universos que se ampliarían pero se derrumbarían otra vez siendo aún de tamaño microscópico. Son universos alternativos posibles pero no de mucho interés puesto que no duran bastante tiempo para desarrollar galaxias y estrellas, mucho menos vida inteligente. Algunas de las pequeñas burbujas, sin embargo, alcanzan cierto tamaño en el cual se aseguran de no re-colapsar. Continuarán ampliándose a una tasa cada vez mayor y formarán las “burbujas” que vemos. Corresponderán a los universos que comenzarían la extensión a una tasa cada vez mayor. Esto se llama inflación, como la manera en que los precios aumentan cada año.
El récord mundial para la inflación estaba en Alemania después de la primera guerra mundial. Los precios subieron por un factor de diez millones en un período de 18 meses. Pero ése no era nada comparado a la inflación en el universo temprano. El universo se amplió por un factor de millón de trillones de trillones en una minúscula fracción de segundo. A diferencia de la inflación en precios, la inflación en el universo temprano era una cosa muy buena. Produjo un universo muy grande y uniforme, apenas como observamos. Sin embargo, no sería totalmente uniforme. En la suma de historias, las historias que son muy levemente irregulares casi tendrán pues tan altas probabilidades como la historia totalmente uniforme y regular. La teoría por lo tanto predice que el universo temprano fue probablemente levemente no uniforme. Estas irregularidades producirían pequeñas variaciones en la intensidad del eco de la microonda de diversas direcciones. El fondo de la microonda ha sido observado por el satélite como un mapa, y se encontraron exactamente la clase de variaciones previstas. Sabemos pues que estamos en el camino correcto.
Las irregularidades en el universo temprano significarán que algunas regiones tendrán densidad levemente más alta que otras. La atracción gravitacional donde la densidad es mayor retardará la extensión de la región, y puede hacer un eventual colapso de la región para formar galaxias y estrellas. Miren bien el mapa de microondas celeste. Es una copia de toda la estructura del universo. Somos el producto de las fluctuaciones del quantum en el universo muy temprano. Dios juega realmente a los dados.
Hemos hecho enorme progreso en cosmología en los cien años pasados. La teoría de la relatividad general y el descubrimiento de la extensión del universo rompieron la vieja visión de un universo siempre existente y siempre duradero. En lugar, la relatividad general predijo que el universo, y el tiempo en sí mismo, comenzarían con la gran explosión. También predijo que el tiempo acabaría en los agujeros negros. El descubrimiento del fondo cósmico del espectro de microondas y las observaciones de agujeros negros apoyan estas conclusiones. Esto es un cambio profundo en nuestra visión del universo y de la realidad misma. Aunque la teoría de la relatividad general predijera que el universo debe haber venido a partir de un período de alta curvatura en el pasado, no podría predecir cómo el universo emergería de la gran explosión. Así la relatividad general en sí misma no puede contestar a la pregunta central en cosmología: ¿Por qué es el universo de la manera que es? Sin embargo, si la relatividad general se combina con la teoría cuántica, puede ser posible predecir cómo el universo comenzaría. Se ampliaría inicialmente a una tasa cada vez mayor.
Durante este período inflacionista supuesto, la unión de las dos teorías predijo que las pequeñas fluctuaciones ocurrirían y llevarían a la formación de galaxias, de estrellas, y del resto de estructuras en el universo. Esto es confirmado por observaciones de pequeñas no uniformidades en el fondo cósmico de la microonda, con exactamente las características previstas. Tal parece que estamos en camino de entender el origen del universo, aunque será necesario trabajar más. Una nueva ventana al universo temprano será abierta cuando podamos detectar ondas gravitacionales exactamente midiendo las distancias entre naves espaciales. Las ondas gravitacionales se propagan libremente a nosotros a partir de las épocas más tempranas, sin obstáculo por cualquier materia interpuesta. No como la luz que es dispersada muchas veces por los electrones libres. La dispersión se produce hasta que los electrones se congelan después de 300.000 años.
A pesar de tener tan grandes éxitos, no se soluciona todo. Todavía no tenemos una buena comprensión teórica de las observaciones de que la extensión del universo está acelerándose otra vez, después de un largo periodo de retraso. Sin tal comprensión, no podemos estar seguros del futuro del universo. ¿Continuará ampliándose por siempre? ¿Es la inflación una ley de la naturaleza? ¿O el universo se contraerá eventualmente otra vez? Los nuevos resultados de observación y los avances teóricos están convergiendo rápidamente. La cosmología es un tema muy emocionante y activo. Estamos cerca de contestar las añejas preguntas históricas. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde vinimos?
Según la población de Boshongo de África central, en el principio, había solamente oscuridad, agua y el gran dios Bumba. Un día Bumba, en medio de un dolor de estómago, vomitó el sol. El recién salido sol, secó parte del agua apareciendo así la tierra. Todavía con dolor, Bumba vomitó la luna, las estrellas, y después algunos animales. El leopardo, el cocodrilo, la tortuga, y finalmente el hombre.
Este mito de creación, como muchos otros, intenta contestar a las preguntas que todo nos hacemos. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde vinimos? La respuesta dada generalmente era que los seres humanos somos de origen relativamente reciente, porque debe haber sido obvio, incluso en las horas tempranas, que la raza humana mejoraba en conocimiento y tecnología. Por lo que no puede haber estado al inicio del mundo o habría progresado aún más. Por ejemplo, según el obispo Usher, el libro del génesis puso la creación del mundo a las 9 de la mañana el 27 de octubre del año 4.004 A.C. Por una parte, los accidentes geográficos, como las montañas y los ríos, cambian muy poco en un curso de la vida humana. Eran por lo tanto probablemente un fondo constante, y deberían haber existido por siempre como paisaje vacío, o haber sido creados al mismo tiempo que los seres humanos. No todos, sin embargo, eran felices con la idea que el universo tenía un principio.
Por ejemplo, Aristóteles, el más famoso de los filósofos griegos, creyó que había existido el universo por siempre. Algo eterno es más perfecto que algo creado. Él sugirió la razón por la cual vemos el estado de progreso humano era que las inundaciones, u otros desastres naturales, habían parado en varias ocasiones la civilización regresándola de nuevo al principio. La motivación para creer en un universo eterno era el deseo de evitar invocar la intervención divina para crear el universo y para fijar a dónde iba. Inversamente, los que creyeron que el universo tenía un principio, lo usaban como base de discusión para probar la existencia de Dios como la primera causa, o motor del universo.
¿Si uno creyó que el universo tenía un principio, la pregunta obvia era qué sucedió antes del principio? ¿Qué hacía Dios antes de crear el mundo? ¿Preparaba el infierno para enviar a la gente que hiciera tales preguntas? El problema independientemente de si el universo tenía un principio o no era una gran preocupación para el filósofo alemán, Emmanuel Kant. Él sentía que había contradicciones lógicas, o antimonios de todas maneras. ¿Si el universo tenía un principio, por qué esperó un rato infinito antes de que comenzara? Él llamó a eso la tesis. ¿Por una parte, si el universo había existido desde siempre, por qué tardó un tiempo infinito para alcanzar la actual etapa? Él llamó eso la antítesis. La tesis y la antítesis dependieron de la asunción de Kant, junto con casi cada uno, que el tiempo era absoluto. Es decir, fue del pasado infinito al futuro infinito, independientemente de cualquier universo que pudiera o no existir como fondo. Ésta sigue siendo la visión en la mente de muchos científicos hoy.
Sin embargo en 1915, Einstein introdujo su teoría de la relatividad general revolucionaria. En esto, el espacio y el tiempo eran no más el absoluto, no más un fondo fijo a los acontecimientos. En su lugar, eran cantidades dinámicas medibles de acuerdo a la materia y la energía en el universo. Fueron definidos solamente dentro del universo, así que no tenía ningún sentido hablar de una época antes de que el universo comenzara. Sería como buscar un punto al sur del polo sur. No se define. Si el universo fuera esencialmente inmutable en el tiempo, como fue asumido generalmente antes de los años 20, no habría razón para definir el inicio del tiempo arbitrariamente en un momento atrás lejano. Cualquier principio supuesto del universo sería artificial, en el sentido que uno podría suponer iniciar la historia de nuevo a épocas anteriores. Así, puede ser que sea que el universo fue creado el año pasado, pero con todas las memorias y pruebas físicas luce como que es mucho más viejo. Esto plantea preguntas filosóficas profundas sobre el significado de la existencia. Trataré de éstos adoptando lo que se llama el enfoque positivista. En esto, la idea es que interpretamos la entrada de nuestros sentidos en términos del modelo que hacemos del mundo. No interesa si el modelo representa la realidad, sólo si funciona. Un modelo es un buen modelo si primero interpreta una amplia gama de observaciones, en términos de modelo simple y elegante. Y en segundo lugar, si el modelo hace las predicciones definidas que se pueden probar y falsificar posiblemente por la observación.
En términos del enfoque positivista, uno puede comparar dos modelos del universo. Uno en el cual el universo fue creado el año pasado y uno en el cual el universo existió desde mucho antes. El modelo en el cual el universo existió por más de un año puede explicar cosas como los gemelos idénticos que tienen una causa común hace más de un año. Por otra parte, el modelo en el cual el universo fue creado el año pasado no puede explicar tales acontecimientos. El primer modelo es entonces mejor. Uno no puede preguntar si el universo existió realmente antes de un año o acaba de aparecer. En el enfoque del positivista, son iguales. En un universo constante, no habría punto de partida natural. La situación cambió radicalmente sin embargo, cuando Edwin Hubble comenzó a hacer observaciones con el telescopio de cien pulgadas en el Monte Wilson, en los años 20.
Hubble encontró que las estrellas no están distribuidas uniformemente a través de espacio, sino se agrupan en colecciones extensas llamadas galaxias. Midiendo la luz de las galaxias, Hubble podía determinar sus velocidades. Él esperaba que tantas galaxias se acercaran hacia nosotros como las que se separaran. Esto es lo que encontraría uno en un universo que fuera constante en el tiempo. Pero para su sorpresa, Hubble encontró que casi todas las galaxias se movían alejándose de nosotros. Por otra parte, las galaxias más alejadas de nosotros, se movían más rápidamente. El universo no era constante en el tiempo como cada uno había pensado previamente. Se ampliaba. La distancia entre las galaxias distantes aumentaba con el tiempo.
La extensión del universo fue uno de los descubrimientos intelectuales más importantes del vigésimo siglo, o de cualquier siglo. Transformó la discusión sobre si el universo tenía un principio. Si las galaxias ahora se separan, deben haber estado más cercanas en el pasado. Si su velocidad hubiera sido constante, habrían estado una encima de otra hace 15 mil millones años. ¿Era esto el principio del universo? Muchos científicos eran todavía infelices con que el universo tuviera un principio porque parecía implicar que la física terminaba. Uno tendría que invocar un agente externo de conveniencia, uno puede decir, Dios, para determinar cómo el universo comenzó. Por lo tanto, avanzaron las teorías en las cuales el universo se ampliaba actualmente, pero no tenía un principio. Una era la teoría del estado estacionario, propuesta por Bondi, Gold y Hoyle en 1948.
En la teoría de estado estacionario, como las galaxias se separaban, la idea era que nuevas galaxias se formarían de la materia que supuestamente se creaba continuamente a través de espacio. El universo habría existido por siempre y habría lucido igual siempre. Esta última característica tenía la gran virtud, desde un punto de vista positivista, de ser una predicción definida que se podría probar por la observación. El grupo de la astronomía de radio de Cambridge, debajo de Martin Ryle, hizo un examen de fuentes de radio débiles en el principios de los 60. Éstos fueron distribuidos bastante uniformemente a través del cielo, indicando que la mayor parte de las fuentes provienen de fuera de nuestra galaxia. Las fuentes más débiles estarían más lejos, en promedio. La teoría de estado estacionario predijo la forma del gráfico (espectro de la radiación de micro-ondas) del número de fuentes contra intensidad de la fuente. Pero las observaciones demostraron que las fuentes eran más débiles que las predichas, indicando que las fuentes de la densidad más alta estuvieron en el pasado. Esto era contrario a la asunción básica de la teoría de estado estacionario, que todo era constante en el tiempo. Por esto, y otras razones, la teoría de estado estacionario fue abandonada.
Otra tentativa de evitar que el universo tuviera un principio fue la sugerencia que hubo una fase de contracción anterior, pero debido a la rotación e irregularidades locales, la materia no caería en un mismo punto. En lugar, varias partes de la materia no chocarían, se alejarían y el universo se ampliaría otra vez con la densidad manteniéndose finita. Dos rusos, Lifshitz y Khalatnikov, reclamaron realmente haber probado que una contracción general sin simetría exacta llevaría siempre a una expansión manteniendo la densidad finita. Este resultado era muy conveniente para el materialismo dialéctico marxista-leninista, porque evitó preguntas torpes sobre la creación del universo. Por lo tanto, se convirtió en un artículo de fe para los científicos soviéticos.
Cuando Lifshitz y Khalatnikov publicaron su trabajo, yo era un estudiante de investigación de 21 años que buscaba algo para terminar mi tesis del PhD. No creí su supuesta prueba, y propuse con Roger Penrose desarrollar nuevas técnicas matemáticas para estudiar el asunto. Demostramos que el universo no podría expandirse. Si la teoría general de la relatividad de Einstein era correcta, habrá una singularidad, un punto donde la densidad y la curvatura serían infinitas en el espacio-tiempo, donde el tiempo tendría un principio. La evidencia por observación para confirmar la idea que el universo tenía un principio muy denso vino en octubre de 1965, algunos meses después de mi primer resultado de la singularidad, con el descubrimiento de un fondo débil del espectro de microondas proveniente del espacio. Estas microondas son iguales que ésas en su horno microondas, pero de mucho menos alcance. Calentarían su pizza solamente menos de un grado centígrado, no muy bueno para descongelar una pizza, mucho menos para cocinarla. Puede observar realmente estas microondas usted mismo. Fije su televisión a un canal vacío. Un porcentaje de la nieve que usted ve en la pantalla será causado por este fondo de microondas. La única interpretación razonable del fondo es que es radiación dejada por un estado muy caliente y denso anterior. Pues al ampliarse el universo, la radiación se habría enfriado hasta ser apenas el remanente débil que observamos hoy.
Aunque los teoremas de Penrose y mío de la singularidad, prevén que el universo tenía un principio, no explican cómo habría comenzado. Las ecuaciones de la relatividad general fallarían en la singularidad. Así, la teoría de Einstein no puede predecir cómo el universo comenzará, sino solamente cómo se desarrollará una vez ha comenzado. Hay dos actitudes para llevar los resultados obtenidos. Una es que Dios eligió cómo el universo comenzó por razones que no podríamos entender. Ésta era la opinión del papa Juan Pablo. En una conferencia sobre cosmología en el Vaticano, el papa dijo a delegados que era ACEPTABLE estudiar el universo después de que comenzara, pero no debe investigarse el principio en sí mismo, porque ése era el momento de la creación, y el trabajo de Dios. Me alegré de que no se dió cuenta que yo había presentado un papel en la conferencia sugiriendo cómo el universo comenzó. No me imaginaba ser entregado a la inquisición, como Galileo.
La otra interpretación de nuestros resultados, que es favorecida por la mayoría de los científicos, es que indica que la teoría de la relatividad general falla en los campos gravitacionales muy fuertes en el universo temprano. Tiene que ser substituida por una teoría más completa. Uno contaba con esto de todos modos, porque la relatividad general no toma en cuenta la estructura a pequeña escala de la materia, que es gobernada por teoría del quantum. Esto no importa normalmente, porque la escala del universo es enorme comparada a las escalas microscópicas de la teoría de quantum. Pero cuando el universo es del tamaño de Planck, mil millones de trillones de un centímetro, las dos escalas son iguales, y la teoría de quantum tiene que ser considerada.
Para entender el origen del universo, necesitamos combinar la teoría de la relatividad general con la teoría del quantum. La mejor manera parece ser utilizar la idea de Feynman de una suma de historias. Richard Feynman era un personaje pintoresco, que tocaba tambores de bongo en un empalme de vía en Pasadena y era físico brillante en el Instituto de Tecnología de California. Él propuso que un sistema estable pasa de un estado A, a un estado B, por trayectorias o historias posibles. Cada trayectoria o historia tiene una cierta amplitud o intensidad, y la probabilidad del sistema que va de A a B, es dada sumando las amplitudes para cada trayectoria. Habrá una historia en la cual la luna es de queso azul, pero la amplitud es baja, esto implica malas noticias para los ratones.
La probabilidad para un estado del universo es dada actualmente sumando las amplitudes para todas las historias que terminan en ese estado. ¿Pero cómo las historias comenzaron? Ésta es la pregunta en otro modo del origen. ¿Requiere que un creador decrete cómo el universo comenzó? ¿O está el estado inicial del universo, determinado por una ley de ciencia? De hecho, esta pregunta se presentaría incluso si las historias del universo volvieran al pasado infinito. Pero es más inmediata si el universo comenzó hace solamente 15 mil millones años. El problema de qué sucede al principio de tiempo es un poco como la cuestión de qué sucedía en el borde del mundo, cuando la gente pensaba que el mundo era plano. ¿Es el mundo una placa plana con el mar que se vierte por el borde? He probado esto experimentalmente. He viajado alrededor del mundo, y no me he caído. Como sabemos, el problema de qué sucede en el borde del mundo fue solucionado cuando la gente se dió cuenta que el mundo no era una placa plana, sino una superficie curvada. El tiempo, sin embargo, parece ser diferente. Parecía estar aparte del espacio, y ser como una pista ferroviaria. Si tuviera un principio, tendría que haber alguien para fijar el ir de los trenes. La teoría general de la relatividad de Einstein unificó tiempo y el espacio como espacio-tiempo, pero el tiempo era todavía diferente de espacio y era como un pasillo, que tenía un principio y un final, o fue un por siempre. Sin embargo, cuando uno combina relatividad general con la teoría de Quantum, Jim Hartle y yo encontramos que el tiempo puede comportarse en otra dirección al espacio bajo condiciones extremas. Esto significa que uno puede librarse del problema del tiempo que tiene un principio, en una manera similar de la cual nos libramos del borde del mundo. Suponga que el principio del universo era como el Polo Sur de la tierra, con los grados de latitud desempeñando el papel del tiempo. El universo comenzaría como punto en el Polo Sur. Al movernos al norte, los círculos de latitud constante, representando el tamaño del universo, se ampliarían. Saber qué sucedió antes del principio del universo se convierte en una pregunta sin sentido, porque no hay nada al sur del Polo Sur.
El tiempo, según lo medido en grados de latitud, tendría un principio en el Polo Sur, pero el Polo Sur es como cualquier otro punto, por lo menos así me han dicho. He estado en la Antártida, pero no en el polo Sur. Las mismas leyes de la naturaleza se cumplen en el polo Sur como en otros lugares. Esto quitaría la objeción histórica de que el universo tiene un principio; sería un lugar en donde las leyes normales fallaron. El principio del universo sería gobernado por las leyes de la ciencia. La imagen de Jim Hartle y mía de la creación espontánea del quantum del universo sería un poco como la formación de burbujas del vapor en agua hirviendo.
La idea es que las historias más probables del universo serían como las superficies de las burbujas. Muchas pequeñas burbujas aparecen, y después desaparecen otra vez. Éstos corresponderían a los mini universos que se ampliarían pero se derrumbarían otra vez siendo aún de tamaño microscópico. Son universos alternativos posibles pero no de mucho interés puesto que no duran bastante tiempo para desarrollar galaxias y estrellas, mucho menos vida inteligente. Algunas de las pequeñas burbujas, sin embargo, alcanzan cierto tamaño en el cual se aseguran de no re-colapsar. Continuarán ampliándose a una tasa cada vez mayor y formarán las “burbujas” que vemos. Corresponderán a los universos que comenzarían la extensión a una tasa cada vez mayor. Esto se llama inflación, como la manera en que los precios aumentan cada año.
El récord mundial para la inflación estaba en Alemania después de la primera guerra mundial. Los precios subieron por un factor de diez millones en un período de 18 meses. Pero ése no era nada comparado a la inflación en el universo temprano. El universo se amplió por un factor de millón de trillones de trillones en una minúscula fracción de segundo. A diferencia de la inflación en precios, la inflación en el universo temprano era una cosa muy buena. Produjo un universo muy grande y uniforme, apenas como observamos. Sin embargo, no sería totalmente uniforme. En la suma de historias, las historias que son muy levemente irregulares casi tendrán pues tan altas probabilidades como la historia totalmente uniforme y regular. La teoría por lo tanto predice que el universo temprano fue probablemente levemente no uniforme. Estas irregularidades producirían pequeñas variaciones en la intensidad del eco de la microonda de diversas direcciones. El fondo de la microonda ha sido observado por el satélite como un mapa, y se encontraron exactamente la clase de variaciones previstas. Sabemos pues que estamos en el camino correcto.
Las irregularidades en el universo temprano significarán que algunas regiones tendrán densidad levemente más alta que otras. La atracción gravitacional donde la densidad es mayor retardará la extensión de la región, y puede hacer un eventual colapso de la región para formar galaxias y estrellas. Miren bien el mapa de microondas celeste. Es una copia de toda la estructura del universo. Somos el producto de las fluctuaciones del quantum en el universo muy temprano. Dios juega realmente a los dados.
Hemos hecho enorme progreso en cosmología en los cien años pasados. La teoría de la relatividad general y el descubrimiento de la extensión del universo rompieron la vieja visión de un universo siempre existente y siempre duradero. En lugar, la relatividad general predijo que el universo, y el tiempo en sí mismo, comenzarían con la gran explosión. También predijo que el tiempo acabaría en los agujeros negros. El descubrimiento del fondo cósmico del espectro de microondas y las observaciones de agujeros negros apoyan estas conclusiones. Esto es un cambio profundo en nuestra visión del universo y de la realidad misma. Aunque la teoría de la relatividad general predijera que el universo debe haber venido a partir de un período de alta curvatura en el pasado, no podría predecir cómo el universo emergería de la gran explosión. Así la relatividad general en sí misma no puede contestar a la pregunta central en cosmología: ¿Por qué es el universo de la manera que es? Sin embargo, si la relatividad general se combina con la teoría cuántica, puede ser posible predecir cómo el universo comenzaría. Se ampliaría inicialmente a una tasa cada vez mayor.
Durante este período inflacionista supuesto, la unión de las dos teorías predijo que las pequeñas fluctuaciones ocurrirían y llevarían a la formación de galaxias, de estrellas, y del resto de estructuras en el universo. Esto es confirmado por observaciones de pequeñas no uniformidades en el fondo cósmico de la microonda, con exactamente las características previstas. Tal parece que estamos en camino de entender el origen del universo, aunque será necesario trabajar más. Una nueva ventana al universo temprano será abierta cuando podamos detectar ondas gravitacionales exactamente midiendo las distancias entre naves espaciales. Las ondas gravitacionales se propagan libremente a nosotros a partir de las épocas más tempranas, sin obstáculo por cualquier materia interpuesta. No como la luz que es dispersada muchas veces por los electrones libres. La dispersión se produce hasta que los electrones se congelan después de 300.000 años.
A pesar de tener tan grandes éxitos, no se soluciona todo. Todavía no tenemos una buena comprensión teórica de las observaciones de que la extensión del universo está acelerándose otra vez, después de un largo periodo de retraso. Sin tal comprensión, no podemos estar seguros del futuro del universo. ¿Continuará ampliándose por siempre? ¿Es la inflación una ley de la naturaleza? ¿O el universo se contraerá eventualmente otra vez? Los nuevos resultados de observación y los avances teóricos están convergiendo rápidamente. La cosmología es un tema muy emocionante y activo. Estamos cerca de contestar las añejas preguntas históricas. ¿Por qué estamos aquí? ¿De dónde vinimos?