Una de las preguntas que se ha hecho el ser humano desde los tiempos antiguos es, ¿de dónde provienen todas las cosas que existen en el universo? Para responder a esta interrogante, con el paso del tiempo el hombre ha creado varios modelos de tipo místico, filosófico y científico, cuyos principios, criterios de validez e implicaciones son muy diferentes. En este artículo vamos a revisar un modelo científico originado a inicios del siglo XX llamado Cosmología, el cual se encarga de estudiar al universo como un todo. En otras palabras, lo que busca es responder preguntas del tipo ¿por qué el universo que observamos presenta la apariencia y características físicas actuales y no otras? ¿Tuvo nuestro universo un origen? ¿Tendrá un final? ¿O acaso vivimos en un universo que es eterno?
Mecánica cuántica y Relatividad general
Para llevar a cabo este trabajo, la cosmología se basa en las dos teorías que componen a la física moderna, la Mecánica Cuántica, que se encarga del estudio de los fenómenos físicos a escalas atómicas y subatómicas, y la Relatividad General, la cual nos describe la dinámica del universo a grandes escalas. Hasta donde sabemos, en el universo todo fenómeno físico está gobernado por medio de 4 fuerzas a las que denominamos fundamentales, éstas son: la fuerza débil, la fuerza fuerte, el electromagnetismo y la gravedad. Las dos primeras sólo actúan a niveles más pequeños que un núcleo atómico con la diferencia que, mientras la débil es responsable de algunos procesos llamados decaimientos radioactivos, la fuerte es la que mantiene unidos a los quarks para formar a los protones y neutrones, es decir, es responsable de la formación de los núcleos atómicos. Por otro lado, el electromagnetismo se encarga de la atracción y repulsión que experimentan todas las partículas que poseen carga eléctrica y magnética y, finalmente tenemos a la gravedad, la cual es responsable de fenómenos que van desde la caída de los objetos que vemos en la vida diaria, hasta el movimiento de las estrellas, galaxias y demás estructuras observadas en el universo.
La teoría que hasta el momento describe mejor el comportamiento de la gravedad, es la Teoría General de la Relatividad, la cual nos dice que la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo que se genera alrededor de los objetos que poseen materia y energía. Esto puede sonar algo complicado, ya que el término espacio-tiempo no es algo que se emplee todos los días, sin embargo, podemos imaginarlo como todo aquello que nos rodea y sobre el cual podemos localizar a cualquier evento. De manera más formal se refiere a un modelo matemático que nos dice que vivimos en un universo de 4 dimensiones en donde 3 de ellas son espaciales (largo, ancho y altura) más una adicional que es el tiempo. Aunque el sentido común nos dice que espacio y tiempo son cosas distintas, ahora sabemos que estas cantidades están “entrelazadas” formando una especie de malla y por eso le llamamos espacio-tiempo (figura 1). Cuando existe algún objeto que contiene materia o energía, éste modifica la forma de dicha malla, modificando así las trayectorias de los cuerpos cercanos y es a esto lo que denominamos atracción gravitacional.
Modelo Lambda-CDM
Aunque actualmente dentro de la física teórica existen diferentes modelos cosmológicos solamente analizaremos uno de ellos en este artículo. Este modelo es el más popular y es el que mejor reproduce las observaciones astronómicas modernas. Llamamos a éste, el modelo Materia oscura fría con constante cosmológica (Lambda-CDM, por sus siglas en inglés). Éste considera que el universo contiene materia ordinaria (átomos, polvo cósmico, estrellas, galaxias, etc.), radiación electromagnética en forma de fotones (partículas de luz), y dos componentes adicionales a las que llamamos materia oscura fría y constante cosmológica, respectivamente. La naturaleza de la materia oscura es aún desconocida, aunque puede estar dada en forma de materia ordinaria que no emite luz o también de partículas exóticas que no han sido encontradas aún en el laboratorio. Por otro lado, la energía oscura es algo más enigmático, ya que en lugar de causar que los cuerpos se atraigan produce una repulsión. La forma más sencilla de energía oscura se denomina constante cosmológica (Lambda) y puede ser entendida como la energía del vacío que posee el espacio-tiempo[1].
Hasta hace poco menos de 100 años, la mayoría de los físicos consideraban al Universo como un objeto del tamaño de nuestra galaxia que no cambiaba con el tiempo. En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble, presentó un trabajo producto de las observaciones astronómicas que realizó en donde confirmaba que, además de existir muchas galaxias en el océano cósmico, éstas se están alejando unas de otras con velocidades proporcionales a su distancia de separación. Ahora bien, si se están alejando significa que el universo está “creciendo”. 
Esto significa que si pudiéramos viajar al pasado, veríamos a las galaxias acercándose unas con otras y al universo haciéndose cada vez más pequeño, hasta llegar a un instante en el que todo lo existente se encontraba contenido en una región muy densa y mucho más pequeña que cualquier partícula conocida (figura 2). Vamos a suponer que existe un “reloj universal” que comienza a andar cuando el universo nace y vamos a hacer una pequeña lista con algunos de los momentos más significativos del universo:
1) t= 0 -- t=10-43 s[2]: Etapa de Planck. Esta etapa es totalmente especulativa ya que no existe teoría alguna que nos diga cuál era el estado del universo hasta el tiempo de Planck (se trata del intervalo temporal más pequeño que podría ser medido). Una suposición es que todo se originó a partir de algo llamado singularidad, es decir, un estado en el que la densidad y la temperatura son infinitamente altas y en el que la materia y el universo poseían un volumen infinitamente pequeño.
2) t=10-43-- t= 10-35 s: Etapa de gran unificación. Comienza con la separación de la fuerza de gravedad de las otras tres fuerzas fundamentales que formaban algo llamado fuerza electronuclear. Al final de esta etapa la fuerza fuerte se separa de las dos restantes (fuerza electrodébil). Es en esta etapa en donde se forman las primeras partículas y en donde se piensa puede aparecer el proceso responsable de la diferencia entre la densidad observada de materia y de antimateria.
3) 10-35-- t= 10-32 s: Inflación cósmica. Podemos imaginarlo como una etapa de crecimiento exponencial del universo, originada por una partícula que aún no ha sido observada en la naturaleza llamada inflatón. Mientras el universo crecía también se iba enfriando hasta el punto en que la energía del campo inflatón, se convirtió en todas las partículas elementales del modelo estándar (teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales conocidas y las partículas elementales que componen toda la materia). A partir de este instante, el universo es homogéneo e isotrópico a grandes escalas, es decir, cuando analizamos regiones muy grandes es el mismo en todos lados y sin importar hacia qué dirección se observe. En este punto el universo tiene un tamaño aproximado de 1m.
4) t= 10-32 s -- t= 1 s. Universo primigenio. En este periodo el universo se ha enfriado tanto que la interacción débil y el electromagnetismo se separan, quedando así las 4 fuerzas fundamentales en la forma que las conocemos hasta hoy. Posteriormente, del caldo primigenio de quarks y gluones (las partículas que gobiernan la interacción de los quarks) se generan los constituyentes de los núcleos atómicos y se producen las pequeñas anisotropías que aparecerán posteriormente en el fondo de Radiación Cósmica de Microondas (CMB, ver más adelante).
5) t= 1 s -- t= 300,000 años. Universo temprano. La temperatura en el universo sigue descendiendo y comienza la unión de protones y neutrones para formar núcleos atómicos de Hidrógeno y Helio principalmente. Cuando la temperatura ha bajado lo suficiente, los fotones (partículas elementales que componen a la luz) dejan de interactuar con los electrones y éstos se unen con los núcleos átomos para formar así los primeros átomos neutros. Se crea así el CMB, el cual consiste de fotones libres que viajan hasta el día de hoy con una temperatura un poco superior al cero absoluto (figura 3).
6) t= 300,000 años hasta nuestros días. Aquí se forman pequeños “grumos” de materia que comienzan a crecer hasta formar las nubes de polvo que dan origen a las primeras estrellas. Posteriormente, conjuntos de estrellas formaron galaxias, éstas a cúmulos de galaxias y así hasta las más grandes estructuras que vemos en el universo. Si este modelo es correcto, el universo tiene una edad aproximada de 13,700 millones de años.
Es importante mencionar que todo esto es sólo un modelo y, aunque hasta el momento sea el mejor a la hora de contrastar con las observaciones astronómicas, no significa que sea el modelo definitivo. Entre las pruebas más sólidas que nos dicen que vamos por buen camino en el estudio del universo, está la forma característica que muestra la Radiación Cósmica de Fondo (figura 4), las proporciones de átomos ligeros con respecto a la del Hidrógeno y la distribución a grandes escalas observada de las galaxias en el universo. Por otro lado, aún falta entender la naturaleza de la materia oscura y de la energía oscura, hallar el modelo de unificación de las fuerzas fundamentales, entre otras cuestiones. No cabe duda que nos falta un buen trecho por andar, sin embargo, todo parece indicar que nos encontramos ante una de las etapas más emocionantes y enriquecedoras de nuestra historia.
Para Saber Más:
S. Hacyan. 2006. El descubrimiento del Universo, Fondo de cultura económica, México.
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/06/html/descubri.html
S. Weinberg. 1980. Los tres primeros minutos del universo, Alianza editorial, Madrid.
S. Hawking. 1988. Breve historia del tiempo, Crítica, Barcelona.
https://drive.google.com/file/d/0BzQyRhiIzP3lWFpTZk96dzY4dmM/edit
Roberto Carlos De Arcia Solís, es estudiante de Doctorado del Instituto de Física y Matemáticas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
[1] Ahora sabemos que el “vacío” no es tan vacío después de todo ya que realidad hay pares de partículas y antipartículas que se originan y se destruyen a cada instante. Llamamos a esto el vacío cuántico y aunque suena raro, existen experimentos en la Tierra que nos confirman su existencia.
[2] La notación científica es un recurso matemático empleado para simplificar cálculos y representar en forma concisa números muy grandes o muy pequeños y para ello se usan potencias de diez. Por ejemplo, el número 1,000 se escribe como 103, ya que significa un 1 seguido de 3 ceros. Por otro lado, el número .001 se escribe como 10-3, ya que significa que se debe dividir por 1,000.