A lo largo de la
historia de la humanidad y debido a la naturaleza curiosa del hombre, se ha
intentado dar una explicación al origen del Cosmos desde diferentes prismas.
Algunas de estas respuestas estaban basadas en la fe y otras sostenidas por
datos empíricos. A día de hoy no existe una teoría que consiga explicar con
perfecta exactitud el nacimiento del Universo, ni funcionamiento ni su
propósito, de hecho todas las teorías son aceptables, pero necesitan demostrar todo lo que proponen. Según Stephen
Hawking, cualquier cuerpo teórico es perfectamente viable siempre que consiga
explicar la realidad del analizador. Este concepto se denomina `Realidaddependiente del modelo`. Sin embargo, hay teorías más apropiadas que otras dependiendo
del grado con el que puedan explicar el entorno sobre el que trabajan basándose
en datos obtenidos a través de la experimentación. De esta manera, la Física y
su Modelo Estándar de Partículas (que se ocupa de analizar las fuerzas
fundamentales de la naturaleza y su relación con las partículas presentes en
ella) son las mejores herramientas disponibles en la actualidad para cumplir
con este propósito.
Para comprender el
fenómeno que dio origen al Universo es necesario entender antes una serie de
conceptos que juntos forman los pilares básicos del Cosmos.
Todo lo que alguna vez
ha existido, lo que existe en el presente y lo que está por existir forma parte
de una gran entidad global llamada Universo. El Universo es el escenario en el
que se desarrollan todos los eventos naturales de la existencia. Por evento se
entiende la interacción de un cuerpo u objeto cualquiera, conocido en Física
como sistema, con su entorno u otro sistema en un momento determinado. Este
hecho coloca a todos los eventos en un lugar y momento concreto de la existencia,
es decir, se sostienen sobre las tres dimensiones espaciales (altura, anchura y
longitud) y sobre una temporal. Estas cuatro dimensiones que componen el tapiz
del Cosmos, son el esqueleto de la realidad y juntas forman el espacio-tiempo.
Por otro lado hay que
tener en cuenta las fuerzas elementales de las que se ocupa el Modelo Estándar
de Partículas, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza
nuclear débil y la gravedad. Estas fuerzas son las responsables de
absolutamente todo lo que sucede en el universo e interactúan entre sí y con
todas las partículas que se conocen hasta ahora. La fuerza nuclear fuerte es la
más potente de las cuatro, sin embargo, su rango de acción se limita al núcleo del átomo 10.000 veces más pequeño que el átomo en sí y es la responsable de mantener las partículas de los átomos unidas.
Esta fuerza es tan intensa que resulta casi imposible vencerla, hacerlo
conlleva la liberación de enormes cantidades de energía al romper o fusionar un
átomo y es la base sobre la que funcionan las bombas atómicas. La fuerza electromagnética
es la segunda en la escala de intensidad y
se manifiesta gracias a las cargas negativa y positiva de la materia y
es la que domina las reacciones químicas en las que los átomos comparten
electrones para formar unidades más grandes llamadas moléculas. En tercer lugar
está la fuerza nuclear débil y es la responsable de la radioactividad.
Finalmente, la gravedad es la fuerza más débil de todas, no obstante, la que
mayor alcance tiene ya que puede actuar a grandes distancias y la que ha jugado
un papel fundamental en el desarrollo del Universo. La gravedad ejerce su
influencia sobre la materia atrayendo los objetos entre sí. Cuanto más masivo
sea un objeto más gravedad generará.
Es importante destacar
el papel de las partículas elementales ya que son las mediadoras de las fuerzas de la
naturaleza y las que le dan forma. Existen dos grandes familias, los fermiones
y los bosones. Los fermiones son los que al agruparse forman los átomos y la
materia. Los fermiones existen en diferentes formas y tipos como los quarks que
al unirse forman los protones y neutrones del núcleo atómico. También pueden
ser electrones y neutrinos. En llano, los fermiones son las partículas
palpables del universo y tienen masa. Por otro lado están los bosones,
responsables de transmitir las cuatro fuerzas y no todas tienen masa, de hecho
exceptuando el bosón de higgs que aporta la masa a las demás partículas, el
resto de bosones no tienen masa, son partículas `fantasma´. Estas partículas
atraviesan los átomos pasando de unos a otros como si fuesen una ola y de esta
manera afectan de distinta forma a la materia. El fotón transmite la fuerza
electromagnética en forma de luz visible, rayos X, microondas, rayos gamma y
rayos infrarrojos. Las partículas W y Z son las responsables de generar la
radioactividad. Los gluones son los bosones que generan la fuerza nuclear
fuerte, estos unen los quarks entre sí formando protones y neutrones y
manteniendo el núcleo del átomo unido. Por último, el gravitón es el bosón que
transmite la gravedad, aunque aún no se ha demostrado su existencia.
El Modelo Estándar y la
Física en general tienen la unificación de las cuatro fuerzas como una de sus metas
más ambiciosas. Hasta ahora la gravedad ha sido la única que no se ha podido
integrar mediante una teoría sólida con las otras tres, ya que a nivel atómico,
ámbito en el que el resto de fuerzas funcionan, la gravedad es casi nula. Sin
embargo, al existir partículas con masa se entiende que juega un papel
importante. Al mismo tiempo existe un fenómeno natural que tiene la respuesta a
este problema, las singularidades. Una singularidad es la condición excepcional
a la que llega la materia cuando esta está bajo el efecto de un campo
gravitatorio muy intenso. Las singularidades son los astros que dan vida a los
agujeros negros. La gravedad se intensifica cuanto más masivo es un objeto y
cuanto más denso es. De ser suficientemente intensa, esta relación entre
gravedad y materia puede convertirse en un círculo vicioso. En ocasiones un
objeto suficientemente masivo como algunas estrellas se caen sobre sí mismas
debido a su intensa gravedad, volviéndose más densas, pero manteniendo su gran
masa intacta. Esto al mismo tiempo genera más gravedad que vuelve a contraer la
estrella generando más gravedad al mismo tiempo y repitiendo el proceso una y
otra vez. El resultado es un punto subatómico que encierra en su nulo volumen
cuerpos con masas de varias estrellas, convirtiéndose así en la respuesta a la
unificación de las fuerzas, la gravedad en su estado más salvaje actuando a
través de un objeto más pequeño que un átomo. El problema es que llegados a
este punto las leyes físicas que explican el funcionamiento del Universo dejan
de funcionar dentro de las singularidades y resulta imposible estudiarlas
debido a los efectos que tienen sobre el espacio-tiempo, de ahí su nombre.
Entender el funcionamiento de las singularidades y unificar las fuerzas de la
naturaleza es vital para comprender el Big Bang.
En 1929 Edwin Hubble
descubrió que la mayoría de las galaxias se alejaban de la tierra, llegando a
la conclusión de que el Universo se expandía. Este descubrimiento puso fin a la
idea de que el Cosmos era estático postulando que se hacía más grande
exponencialmente, lo que se conoce como Expansión Acelerada. Según el
descubrimiento de Hubble las galaxias no se alejaban de La Tierra sin control,
se alejaban porque el espacio-tiempo, el Universo mismo al hacerse más grande,
agrandaba las distancias entre todos los cuerpos en el, como si las motas sobre
la superficie de un globo se alejasen las unas de las otras a medida que se
infla el globo.
Una de las pruebas
irrefutables de la teoría del Big Bang es la Radiación de Fondo de Microondas.
En 1964 Arno Penzias y Robert Wilson, un par de astrónomos aficionados,
trasteaban con una antena de radio cuando descubrieron que esta detectaba un
ruido de fondo que no conseguían identificar. Más tarde se dieron cuenta de que
ese ´ruido´ estaba presente en todas direcciones y llegaron a la conclusión de
que era un tipo especial de radiación que venía desde todas las partes del
cielo. Con el tiempo se comprobó que esa radiación era el `eco` del Big Bang.
Se trata de la luz emitida cuando el Universo empezó a crecer. Con el paso del
tiempo esa luz ha ido bajando su intensidad y alargando su longitud de onda
bajando hasta la frecuencia más débil para convertirse en microondas e
impregnar todo el Universo homogéneamente.
Sabiendo que el Cosmos
crece a medida que el tiempo pasa, tiene sentido pensar que cuanto más atrás se
mira en el tiempo el Universo era progresivamente más pequeño y más denso.
Siguiendo esta lógica y conociendo el comportamiento de las singularidades y la
relación entre gravedad y materia, al viajar hasta el punto en el que el tiempo
empezó, el Universo debía de ser un lugar muy pequeño. Si la masa de una
estrella grande es suficiente para crear una singularidad, con razón es más
seguro que toda la materia de la creación hubiese partido de una singularidad
primordial. Es imposible hablar del Big Bang en sí, ya que la física no puede
analizar los momentos previos al evento. En las singularidades las dimensiones
y el espacio-tiempo no existen, el tiempo va unido a un espacio sobre el que este
permite a los eventos evolucionar, si no hay un lugar donde estos se desarrollen
no es posible hablar de tiempo y por tanto analizar ese momento. No se conoce
como esa singularidad pudo romperse y dar lugar al nacimiento de todo. Los
agujeros negros sin embargo, pueden desaparecer con el tiempo mediante un
proceso de desgaste llamado Radiación de Hawking, pero para eso es necesario
tener un espacio donde residir. La singularidad primordial no estaba contenida
en nada, es más preciso decir que el Universo nació espontáneamente de la nada.
A diferencia de lo que se cree el Big Bang no fue una explosión propiamente
dicha, ya que para que algo explote necesita propagarse a través de un espacio.
El Big Bang fue un evento silencioso que generó el espacio y con él, el tiempo.
Para poder oír algo es necesario que el sonido se propague a través de un medio
y en el espacio no hay tal cosa, sólo vacío, por eso los sonidos se ahogan con
más razón todavía sería difícil oír algo si no hubiese siquiera vacío. No es
planteable pensar en un cuándo ya que el tiempo no era una variable que
existiese en ese entorno. En los segundos que siguieron a este acontecimiento
el espacio que se generó pasó de ser nulo a tener varias veces el tamaño de la
Vía Láctea. En otras palabras, todo lo que nació se movió más rápido que la
luz, y está fuera de lo analizable por la Física contemporánea debido a las
contradicciones que conlleva tener elementos viajando a velocidadessuperlumínicas. En esta etapa temprana de expansión, el Cosmos experimentó su
crecimiento más energético, la denominada etapa de inflación, que no se ha
vuelto a repetir jamás. El ritmo de expansión se frenó progresivamente debido a
la gravedad que generaba toda la materia del Universo. Ésta ejercía una fuerza
opuesta a la de la explosión, como la que existe en el caso de un globo que se
quiere contraer debido a la tensión de la goma pero que se expande mientras lo
inflamos. Se sabe que el Universo primordial era muy caliente. La materia no
formaba átomos porque contenía mucha energía, tal como pasa en las estrellas.
Las partículas se movían demasiado rápido como para estar lo suficientemente
quietas y dejar que las cuatro fuerzas las atrapasen para formar los primeros
átomos. El Universo era una amalgama caliente de plasma. Sólo cuando se hubo
expandido lo suficiente como para enfriarse a unos cuantos millones de
grados, las partículas no tuvieron
fuerza suficiente para ignorar las fuerzas y se pudieron formar los primeros
átomos de hidrogeno y con ellos las primeras estrellas.
Las condiciones previas
al Big Bang no son planteables para la Física ya que las variables de ese
entorno no forman parte de lo que la ciencia puede medir y por tanto no es
posible estudiarlo. Sin embargo, se pueden analizar los momentos posteriores al
nacimiento del Universo para comprender el comportamiento del Cosmos de hoy en
día y cómo evolucionará.