HCH 7 / Noviembre 2015

Nuestro universo y nosotros (esos insectos insignificantes). La Steady-State Theory versus el Big Bang, por Antonia Tejeda Barros

Hermann Bondi (matemático y cosmólogo), Thomas Gold (astrofísico) y Fred Hoyle (astrónomo) desarrollaron en 1948 la Steady-State Theory (SST). La idea de la SST fue desarrollada en dos artículos: uno de Bondi y Gold, más filosófico, titulado “The steady-state theory of the expanding universe”[1], y otro de Hoyle, más matemático, titulado “A new model for the expanding universe”[2]. Bondi, Gold y Hoyle se revelaban contra la teoría del Big Bang. El universo había existido siempre. Eso del Big Bang era una estupidez y apestaba a creacionismo.

La SST se basaba en el principio cosmológico perfecto, según el cual el universo sería homogéneo e isotrópico (uniforme en todas las direcciones) a través del espacio y el tiempo: independientemente del punto –en el espacio– del universo en el cual nos encontremos e independientemente del momento –en el tiempo– en que nos encontremos, el universo, a gran escala, sería el mismo: “The universe would … look roughly the same at all times as well as at all points of space“, dice Hawking en A Brief History of Time. Según la SST, “not only is our patch of the universe the same as any other patch, but our era in the universe is the same as any other era“[3]. Así pues, en la SST, el principio cosmológico da paso al principio cosmológico perfecto: “The theory is deductive in the sense that its conclusions are derived from the cosmological principle (…) the arguments supporting the usual narrow cosmological principle imply the validity of the wider perfect cosmological principle, according to which the large-scale aspect of the observer should not only be independent of the position of the observer but also of the time of making the observation”[4]. El universo presentaría, a gran escala, un aspecto inmutable.

Pero si el universo está en expansión, ¿cómo es posible que sea homogéneo e isotrópico en el tiempo? Hoy, la ciencia ya no sostiene el principio cosmológico perfecto, sino el principio cosmológico, el cual afirma que el universo es homogéneo e isotrópico en el espacio, pero no en el tiempo.

La SST sostenía que a medida que el universo se expande se crea nueva materia y nueva energía. La cantidad de materia creada entre galaxias que la SST describía era tan pequeña que era imposible captarla mediante observación, por lo que la teoría de la SST no se contradecía científicamente: “The idea was that as the galaxies moved away from each other, new galaxies were continually forming in the gaps in between, from new matter that was being continually created (…) The steady state theory required a modification of general relativity to allow continual creation of matter, but the rate that was involved was so low (about one particle per cubic kilometer per year) that it was not in conflict with experiment“[7]. Bailyn apunta: “[according to the SST] the universe expands but … new matter and energy is created to fill in the voide“[8]. Pero, ¿dónde se hallaba la nueva materia, y de dónde venía? Estas cruciales preguntas parecían no tener una respuesta satisfactoria. Hoyle propuso un área o campo de creación (creation field –C-field–), donde se generaban átomos espontáneamente. Para Hoyle el C-field era más plausible que el Big Bang: “Hoyle had to admit that he had no idea of the physics behind his notional C-field, but as far as he was concerned his model of continuous creation was far more sensible than creation in one almighty Big Bang“[9].

En Cosmology, Bondi afirma que el índice de creación de materia y energía debe ser constante en el espacio y tiempo. Para que el universo siga siendo homogéneo e isotrópico a medida que se expande, de acuerdo con el principio cosmológico perfecto, “new nebulae must condense in the growing spaces between the older ones“[10]. En un párrafo-puzzle inteligible sólo para cerebros matemáticos, Bondi detalla la cantidad de materia que se crearía: “the amount of matter created in a small four-dimensional element of space-time is proportional to the volume of the element, the factor of proportionality being three times the product of Hubble’s constant (I/T) and the mean density of matter in the universe (po)”[11].

La luz viaja en el vacío a 299.792.458 m/s o, simplificando, a 300.000 km/s. Por solidaridad a aquellos que, como yo, sean pésimos para las matemáticas, añado aquí algunos cálculos. Un año luz es 9.460.730.472.580.800 metros. El parsec equivale a 3,26 años luz. Un megaparsec es un millón de parsecs. La constante de Hubble (H(0)) es un parámetro de medida del universo que describe su velocidad de expansión. Tiene un valor de 50–100 km/s/megaparsec, lo que significa que una galaxia que está alejada 1 megaparsec tendrá una recesión de 50 a 100 km/s. La constante de Hubble se obtiene a partir de la ley de Hubble, la cual establece que la velocidad de recesión de una galaxia es proporcional a su distancia: “In an expanding universe, or for that matter an expanding balloon, the greater the distance between two points, the faster they recede from each other. The relation between distance and velocity is called Hubble’s Law, and it says that the recessional velocity between two points is proportional to the distance separating them“[12].

Bondi y Gold propusieron “una creación de materia equivalente a la de tres átomos de hidrógeno por metro cúbico cada millón de años”[13], cantidad muy pequeña para ser detectable. Hoyle describió esta creación de materia de una manera matemática “sustituyendo el término cosmológico por un ‘tensor de creación’ … en las ecuaciones relativistas”[14].

Georges Lemaître fue un sacerdote católico y astrónomo belga. En L’Hypothèse de l’atome primitif, essai de cosmogonie (1946) desarrolla su “théorie de l’atome primitif“, la cual se conocerá más tarde como Big Bang. El modelo de Lemaître suponía que el universo era absurdamente joven, y la SST (con su creación de materia y energía) resolvía este problema, puesto que defendía un universo eterno (sin principio ni fin): “Gold had the idea that if there were a process of continual creation of matter it should be possible for the Universe to continue in a steady state, despite its general expansion, so that the ‘age’ problem would disappear“[15]. El universo explicado por la SST estaría en expansión pero no cambiaría, y sería constante y eterno: “Such a universe would apparently be developing and expanding, yet it would be largely unchanging, constant and eternal“[16].

Así pues, la expansión del universo quedaba compensada por la creación de nueva materia y nueva energía a medida que las galaxias se alejaban, manteniendo una densidad total constante. Según Singh, la SST proponía un modelo difícil de conciliar: “it described a universe that was expanding but which was still truly eternal and essentially unchanging“[17]. Aunque, bien pensado, la supuesta idea paradójica de cambio e inmutabilidad que defiende la SST se halla en realidad muy presente en la naturaleza. Nuestro cuerpo cambia y es constante: nuestras células cambian continuamente (mueren y nacen) y, sin embargo, seguimos siendo los mismos.

Según Hawing, la idea de que el universo y, por consiguiente, el tiempo tengan un principio, como ocurre en la teoría del Big Bang, puede tener un matiz un tanto religioso y esto puede resultar incómodo. La SST fue un intento por unir la idea de un universo sin principio ni fin con la idea de un universo en expansión y, a la vez, constante, homogéneo e isotrópico en el espacio y en el tiempo: “Many people do not like the idea that time has a beginning probably because it smacks of divine intervention (…) There were therefore a number of attempts to avoid that conclusion that there had been a big bang. The proposal that gained widest support was called the steady state theory“[18].

Bondi y Gold eran austríacos. Hoyle era británico. Bondi, de padres judíos, estudió en Cambridge en 1937. Gold nació en Viena, de padre judío. Su familia se mudó primero a Berlín y emigró en 1933, escapando del brutal antisemitismo. Estudió en Suiza y en 1939 entró en Cambridge. Al empezar la Segunda Guerra Mundial, Bondi y Gold fueron internados como “alien enemies” en Suffolk, Inglaterra, donde se conocieron, y luego fueron enviados a Canadá y de nuevo a Inglaterra. Bondi, Gold y Hoyle fueron destinados a investigar radares en 1942 en Surrey, donde compartieron sus intereses en astronomía: “they became fascinated by Hubble’s observations of an expanding universe and its implications“[19], apunta Singh. Bondi, Gold y Hoyle aceptaban la expansión del universo, pero pensaban que el modelo relativista debía ser modificado. La colaboración de Bondi, Gold y Hoyle devino tan famosa como la de Gamow, Alpher y Herman (los grandes defensores de la teoría del Big Bang).

Aunque suene cómico, la SST nació a raíz de la película de terror Dead of Night (1945), que contiene seis historias (dos dirigidas por Alberto Cavalcanti, una por Charles Crichton, dos por Basil Dearden y una por Robert Hamer). Las historias se desarrollan en el tiempo pero la película acaba exactamente igual como empieza (por el despertar de una pesadilla). Bondi, Gold y Hoyle se preguntaron: “‘How if the universe is constructed like that?’ One tends to think of unchangings situations as being necessarily static. What the ghost-story film did sharply for all three of us was to remove this wrong notion. One can have unchanging situations that are dynamic, as for instance a smoothly flowing river‘”[20]. En el modelo que proponían Bondi, Gold y Hoyle, el universo seguía estando en expansión, pero no tenía principio ni fin. Los “bigbangueros” defendían y siguen defendiendo que el universo fue creado hace 13.798 ± 0.037 miles de millones de años, número que siempre me ha sorprendido. ¿Por qué 13.798 y no 14. 798 o 15.798? ¿Cómo se mide el principio del tiempo? Singh nos cuenta: “the Big Bang supporters had assumed that an expanding universe implied that the universe had been smaller, denser and hotter in the past, which pointed logically to a moment of creation a few billion years ago“[21]. La SST concebía, siguiendo la estructura de Dead of Night, un universo en expansión pero eterno e inmutable.

De 1948 a 1955, la SST y la teoría del Big Bang se hallaron en continuo debate, pero a partir de 1955 la SST empezó a declinar: “The first observational evidence that worked against the steady-state theory came from counts of celestial radio sources, done primarily by … Ryle (…) in 1955“[22]. Martin Ryle (Premio Nobel de Física en 1974) había trabajado con Bondi, Gold y Hoyle en radares durante la guerra. Las fuentes de ondas de radio (radio waves) se sitúan fuera de la Vía Láctea y se habían observado más fuentes de ondas de radio débiles (lo que apuntaba a que estaban más lejanas) que intensas (más cercanas). Esto contradecía la SST. Luego, con el descubrimiento de la radiación de microondas en 1965 por Arno Allan Penzias y Robert Woodrow Wilson, la cual indicaba que el universo había sido más denso en el pasado, la STT quedó abandonada. Penzias nació en Múnich en 1933, de padres judíos, y a los 6 años fue evacuado a Inglaterra en el Kindertransport (operación de rescate de niños judíos). Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física en 1978.

La teoría del Big Bang es “the currently accepted model of the universe, according to which time and space emerged from a hot, dense, compact region between 10 and 20 billion years ago“[23]. No debe confundirse el billion inglés (= mil millones) con el billón español (= un millón de millones). En inglés americano (y en inglés británico desde 1974), el universo fue creado hace 13.798 ± 0.037 billion years; en español, hace 13.798 ± 0.037 miles de millones de años. En español, mil millones puede decirse también millardo, aunque se usa poco. Este lío se debe a que existen dos escalas (la corta y la larga) para nombrar a los grandes números, y ambas suelen confundirse.

Irónicamente, el nombre “Big Bang” fue dado por Hoyle, peyorativamente, en el programa de radio de la BBC Third Programme el 28 de marzo de 1949 (antes, el modelo que hoy se conoce como Big Bang se denominaba “dynamic evolving model“): “Big Bang was … used like an insult by the Steady-State people to make fun of the ideas of the Big Bang which we now actually know to be correct“[24]. Bondi, Gold y Hoyle, los más grandes críticos de la teoría del Big Bang, contribuyeron a que la teoría del Big Bang se afianzara. Y, aunque la SST fue calificada de “errónea”, influyó extraordinariamente en el desarrollo de la ciencia y la cosmología: “the steady-state theory, wrong as it is … it did much to advance cosmological knowledge“[25], apunta Kragh.

A modo personal, aunque la propuesta de Bondi, Gold y Hoyle pueda resultar audaz (debido principalmente a la creación de nueva materia), su originalidad no es menos escandalosa que la teoría del Big Bang o la string theory. Pensar que el tiempo no existía antes del Big Bang resulta muy incómodo y la respuesta a qué había antes del Big Bang también es problemática. La string theory, con sus 10, 11 ó 26 dimensiones y sus universos paralelos es a la vez brillante y angustiante. Personalmente, en cuestiones de tal magnitud, me acerco mucho más al escepticismo de Hume que a las teorías científicas o a la arrogancia de las religiones monoteístas (las cuales creen poseer todas las respuestas). Eso no quiere decir que la búsqueda de respuestas por parte de la ciencia y la filosofía no sea fascinante y necesaria. Pero creo que “la” verdad es inalcanzable. Nuestro universo es un misterio y lo seguirá siendo, aunque Hawking opine lo contrario. La sed de descubrimiento y la sed de verdad es lo que hace al hombre mantenerse vivo, pero siempre he creído que la pregunta tiene más fuerza que la respuesta. En este sentido, tanto el Big Bang como la SST son grandes contribuciones a la cosmología y a la humanidad.

(Galaxia NGC 4639 / Foto: NASA/ESA Hubble Space Telescope, Creative Commons)

Antonia Tejeda Barros, Madrid, 30 de octubre de 2015

Primera versión publicada en el Blog de Antonia Tejeda el 5 de mayo de 2014

BIBLIOGRAFÍA & LINKS

Bailyn, Charles. “Lecture 18 – Hubble’s Law and the Big Bang“. Yale University, 2012

Bondi, Hermann. Cosmology. New York: Dover Publications Inc., 2010 (1952), pp. v–182

Hawking, Stephen. A Brief History of Time. From the Big Bang to the Black Holes. London: Bantam Books, 1989 (1988), pp. vi–211

Kragh, Helge S. Conceptions of Cosmos. From Myths to the Accelerating Universe. A History of Cosmology. Oxford (UK): Oxford University Press, 2013 (2007), pp. 1–276

The Nobel Prize in Physics 1978

North, John. The Fontana History of Astronomy and Cosmology. London: Fontana Press (HarperCollinsPublishers), 1994, pp. vii–697

Sellés, Manuel. Introducción a la historia de la cosmología. Madrid: UNED, 2007, pp. 7–301

Singh, Simon. Big Bang. The most important scientific discovery of all time and why you need to know about it. London: Harper Perennial (HarperCollinsPublishers), 2005 (2004), pp. 3–532

Susskind, Leonard. The Black Hole War. My Battle with Stephen Hawking to make the World safe for Quantum Mechanics. New York: Back Bay Books / Little, Brown & Company, 2009 (2008), pp. 3–470

NOTAS

[1] Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 108, pp. 252–270 (citado en “References” en Kragh, Conceptions of Cosmos, p. 253)

[2] Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 108, pp. 372–382 (citado en “References” en Kragh, Conceptions of Cosmos, p. 258)

[3] Singh, Big Bang, p. 347

[4] Bondi, Cosmology, p. 140

[7] Hawking, A Brief History of Time, p. 51

[8] Bailyn, “Lecture 18 – Hubble’s Law and the Big Bang” (Yale University)

[9] Singh, op. cit., p. 347

[10] Bondi, op. cit., p. 149

[11] Bondi, op. cit., p. 149

[12] Susskind, The Black Hole War, p. 436

[13] Sellés, Introducción a la historia de la cosmología, p. 284. “La violación del principio de conservación de la masa -y de la energía- que esto suponía era … por debajo de los límites de la observación”, Ibid

[14] Sellés, op. cit., p. 284

[15] North, The Fontana History of Astronomy and Cosmology, p. 538

[16] Singh, op. cit., p. 345

[17] Singh, op. cit., p. 341

[18] Hawking, A Brief History of Time, p. 50

[19] Singh, op. cit., p. 34o

[20] Citado en Singh, op. cit., pp. 343, 344

[21] Singh, op. cit., p. 344

[22] North, The Fontana History of Astronomy and Cosmology, p. 540

[23] Singh, op. cit., p. 499

[24] Bailyn, “Lecture 18 – Hubble’s Law and the Big Bang” (Yale University)

[25] Kragh, Conceptions of Cosmos, p. 185