martes, 17 de mayo de 2011

Universo del Estado Estacionario de Bondi, Gold y Hoyle

“La característica más novedosa de esta teoría es la creación de materia. A pesar de que este proceso no sea directamente observable, es de gran interés discutir la física del mecanismo creativo. En primer lugar, resulta claro que la velocidad de creación por unidad de volumen y por unidad de tiempo no puede variar ampliamente de un punto a otro, y en todo caso menos de lo que varía, por ejemplo, la densidad de la materia. Si la velocidad de creación fuera, pongamos por caso, proporcional a la densidad de la materia, la nueva materia sería creada en el interior de las estrellas a una velocidad muy elevada (su masa se doblaría cada 3·109 años) y no en el espacio vacío donde es necesaria para la formación de nuevas galaxias. En virtud del principio cosmológico perfecto las nuevas nebulosas deben condensarse en los espacios dejados por el crecimiento de las mayores. Debido a esto no puede eliminarse por completo un pequeño grado de variación. Por razones de simplicidad parece mejor en el estado actual suponer que la velocidad de creación es constante en el espacio y tiempo. Por lo tanto, la cantidad de materia creada en un pequeño elemento cuatridimensional del espacio-tiempo es proporcional al volumen del elemento con un factor de proporcionalidad en tres veces el producto de la constante de Hubble por la densidad media de materia en el universo.”

H. Bondi, Cosmología, Barcelona: Labor, 1970, pp. 168-169. Ed. orig. Londres: Cambridge Univ. Press, 1960 (2ª ed., 1ª ed. en 1951).


1. Introducción

Empezaremos este comentario de texto introduciendo los principios en los que se sustentan los principales modelos cosmológicos del siglo XX, para pasar a hablar del principio cosmológico, y darnos cuenta de que, según su interpretación, éste da a lugar a dos modelos enfrentados durante casi 2 décadas a mitad del siglo XX, el modelo del Big Bang y el modelo del universo del estado estacionario. Daremos una breve introducción al modelo del Big Bang y de sus problemas en esa época, y de como el modelo del estado estacionario nace para resolver aparentemente esos problemas. Es entonces cuando estaremos en disposición de explicar el texto a comentar, desde un punto de vista físico, además de comentar la aportación metafísica o filosófica de esta teoría con respecto a la del Big Bang. Acto seguido terminaremos con la superación del modelo del estado estacionario debido al fortuito descubrimiento de la Radiación Cósmica de Fondo y a la aceptación del modelo del Big Bang como vigente en la actualidad.

2. Teoría General de la Relatividad y Ley de Hubble

La Teoría General de la Relatividad supuso una nueva configuración del Universo[1]. Según Alexandre Koyré, si la revolución científica newtoniana había supuesto el paso "Del mundo cerrado al universo infinito", la einsteniana da el paso del universo infinito y estático[2] al universo finito y dinámico[3] de la Relatividad General. Cuando la ciencia entra en un nuevo campo (como en este caso la cosmología) y se enfrenta a una cantidad de datos escasa todavía, se necesita de algún principio guía que asista durante los primeros pasos tentativos hacia un entendimiento teórico. Estos principios suelen estar basados en ideas de simetría que reducen el número de grados de libertad a ser considerados. Para poder progresar en nuestro entendimiento del universo con la teoría de la relatividad de Einstein, se usaron al principio modelos simplificados basados en el Principio Cosmológico[4], propuesto por el mismo Einstein. Este principio es una versión más general del Principio Copernicano, y es la afirmación de que, en escalas lo suficientemente grandes, el universo es homogéneo e isotrópico. La homogeneidad significa que el universo tiene las mismas propiedades en todas las regiones y en cualquier punto del universo. La isotropía del universo significa que el universo parece el mismo cuando se le observa en todas las direcciones. Estas dos propiedades están separadas y necesitamos de las dos para completar el Principio Cosmológico[5].

Unos años después de que Einstein presentara su teoría de la Relatividad General (RG en adelante), el astrónomo Edwin Hubble presentó, en 1929, sus investigaciones sobre los corrimientos al rojo (red shift) de los espectros de unas 46 nebulosas extragalácticas.
Esta relación, conocida como la Ley de Hubble, supuso el nacimiento de la cosmogonía, es decir, del estudio de la Historia del Universo. La ley implicaba que las diferentes galaxias se están separando unas de otras, a mayor velocidad mientras mayor fuera la distancia entre ellas, es decir, nos encontramos en un universo en expansión.[6]

3. Modelos cosmológicos: Bing Bang versus Steady-State

A partir de la Teoría de la RG de Einstein y de la Ley de Hubble, entre los años 20 y 60,  diferentes científicos se lanzaron a desarrollar modelos coherentes con ambas leyes. La cuestión a responder por estos diferentes modelos es ¿Por qué se expande?

Así surgieron diferentes modelos cosmológicos que se popularizaron o cayeron en desuso al albur de nuevos datos experimentales. Tanto por su importancia histórica como por su importancia científica, antes de pasar a ver el modelo del comentario de texto que nos ocupa, es decir, el del Estado Estacionario, vamos a ver su competidor, el modelo de la Gran Explosión (GE en adelante) o Big Bang Theory, y compararemos este con el del Universo del Estado Estacionario (EE en adelante) o Steady-State Universe, viendo como este segundo modelo resuelve alguno de los problemas (filosóficos, incluso) que planteaba el GE.

3.1. Universo de la Gran Explosión


Ante la pregunta del porqué de la expansión del universo, y siguiendo los trabajos de De Sitter y Friedman con las ecuaciones de la RG de Einstein, Georges Lemaitre, en 1930, describió un universo que se expandía a partir de un único lugar, un átomo primigenio de aproximadamente el tamaño del sistema solar. Antes de la expansión, el universo no existía. Al tener un comienzo en el espacio, el universo también tenía un comienzo en el tiempo, es decir, pudo ser creado. Este hecho le vino muy bien a Lemaitre, que rápidamente, siendo clérigo, propuso que el creador fuera Dios (esta pregunta la respondió teológicamente, ya que científicamente no podía ser respondida). Más tarde, ya en 1948, George Gamow desarrolló a partir de los estudios de Lemaitre la teoría de la Gran Explosión. El universo de la GE de Gamow tenía un principio y un fin. El principio era la Gran Explosión del átomo primigenio. El fin, dependía de la velocidad de la expansión del universo. Si se comprobaba que el universo se expandía menos aceleradamente de lo que la fuerza de la gravedad pudiera contrarrestar, nos encontrábamos en un escenario de Gran Contracción (Big Crunch), y posiblemente una serie cíclica de Big Bangs y Big Crunches hasta el infinito. Este universo se conoce como el universo cerrado. Si el universo por contra se expandía a una aceleración mayor de lo que la fuerza de la gravedad pudiera contrarrestar, el universo se expandirá para siempre, siendo su destino final la muerte fría del universo, o Big Freeze, donde la aceleración será tan fuerte que sobrepasará los efectos de las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas y nucleares débiles. Este universo se conoce como abierto. La última posibilidad es que la expansión del universo sea tal que exactamente sea contrarrestada por la aceleración gravitatoria (en sentido contrario). En este caso nos encontraríamos con un universo plano, cuyo destino final es el mismo que el de un universo abierto.
Curiosamente, el nombre de la GE fue otorgado, a modo de burla, por Fred Hoyle, uno de los creadores de un modelo contrario al del la GE, el conocido como EE, y que es precisamente el que nos ocupa en el comentario.

3.2. Universo del Estado Estacionario


En 1948, Bondi, Gold y Hoyle proponen el modelo del EE, basado en el Principio Cosmológico Perfecto, de acuerdo con el cual el universo debe parecer idéntico (al menos en las grandes escalas) visto desde cualquier punto, en cualquier dirección y en cualquier tiempo. esta es una versión extendida y más fuerte del Principio Cosmológico visto antes, añadiéndole también la componente temporal. Una consecuencia particular de este principio es que la constante de Hubble tiene que ser constante con respecto al tiempo, y por tanto, el universo tiene que expandirse exponencialmente (al aumentar de manera constante la aceleración de la expansión), llevándonos a un universo plano. Otra consecuencia es que, si el universo debe parecer el mismo desde cualquier punto en cualquier momento en el tiempo, y se está siempre expandiendo, debe haber una continua creación de materia, de tal manera que la densidad media de la materia permanezca constante. Nunca se ha especificado exactamente como se produciría esta creación de materia. La idea de Hoyle fue la de postular una modificación de las ecuaciones de campo de Einstein para tener en cuenta el tensor de la no conservación de la energía-momento a través del famoso Campo C

Rij 1/2gijR + Cij = ((8πG)/c**4) * Tij  

y sustituyendo la métrica Robertson-Walker en esta ecuación se obtiene que

Cij = −(8πG * p0/c**2 + 3H0**2)*gij + 8πG(ρ0 + p/c**2)UiUj

y Hoyle sugirió que

Cij = C;i;j

(donde el símbolo ";" es la covariante derivativa), siendo el campo escalar C

C = −( 8πG / H0) * (ρ0 + p0/c**2) * t,

siendo por tanto la cantidad de materia creada

ρ0 = (3H0**2) / 8πG

Siendo esta precisamente la cantidad de materia creada propuesta por Bondi en el texto a comentar[7].

3.3. Implicaciones filosóficas de los modelos cosmológicos


Entramos, una vez explicado el contexto histórico y la significación matemática del universo del estado estacionario, a explicar las consecuencias filosóficas de este. Como nos dice el propio Bondi, la Cosmología es "el campo del pensamiento que trata de la estructura e historia del universo como un todo"[8], y es precisamente esta totalidad la que genera una serie de problemas filosóficos. Teniendo en cuenta la definición de Bondi, existen tres tipos diferenciados de cuestiones filosóficas[9]: atendiendo a su estructura (finitud o infinitud del universo), atendiendo a su historia (origen o no, final o no) y por último la de la validez de las leyes del universo (en el espacio y en el tiempo, incluyendo el supuesto t = 0).  En las interpretaciones clásicas de ambos modelos, se interpreta su diferencia atendiendo a su historia y a la validez de las leyes del universo. En ambos casos, la heurística del modelo del Estado Estacionario es superior, ya que no necesita explicación para la creación o final del universo, ya que es eterno, y no existe una singularidad donde se anulen las leyes de la física (al no existir un t = 0). Esta era la idea también de los creadores del modelo, hasta el punto de que el propio Fred Hoyle, en su crítica a la teoría del Big Bang, deja entrever en cierto sentido una de sus motivaciones para proponer la teoría del universo del estado estacionario. Así, cuando dice "¿qué clase de teoría científica es esta que fue concebida por un cura y respaldada por un papa?"[10], esta infiriendo que la teoría del Big Bang tenía motivaciones religiosas. Hoyle, Gold y Bondi plantean su nuevo modelo que resuelve la posibilidad de dependencia de un creador del universo en el instante t=0, al no existir este momento en su modelo.

En este sentido, Lovell[11] piensa que ambos modelos enfrentados en realidad tienen dos puntos filosóficos básicos. El primer punto es el hecho del problema de la creación. En ambos modelos existe creación, en el de la GE concentrada en el instante t = 0 mientras que en el caso del EE es una creación continua durante toda la existencia del universo. El segundo punto es que hay que acudir a la intervención divina para explicar este hecho inexplicable. Lovell añade por tanto al modelo del EE la componente metafísica divina.

Sin embargo, Grunbaum[12] piensa que el problema de la creación es en realidad un pseudo-problema, y que lo que pasa es que no se entienden suficientemente las características de los modelos propuestos. En el caso del modelo del Big Bang, el problema esta en considerar el instante t = 0  como el "inicio del tiempo", o considerar instantes anteriores. Hawking ha propuesto modelos de Big Bang donde no es necesario un t = 0 como singularidad, no existiendo por tanto un momento de creación, y no haciendo necesario en este caso la intervención divina de un creador. En el caso del modelo del universo del estado estacionario, el problema está en entender que el principio universal del universo es el de la conservación de la materia, cuando para este modelo el principio universal es el de la conservación de la densidad de materia, siendo la creación de materia (y la expansión del universo, para mantener la densidad constante) una propiedad intrínseca del universo.

4. Superación del Estado Estacionario y cosmología contemporánea

Estos dos modelos, el de la GE y el del EE, compitieron en notoriedad entre los círculos científicos hasta el descubrimiento fortuito de la radiación cósmica de fondo (RCF en adelante). En 1948, siguiendo el modelo del Big Bang, un artículo de Herman y Alpher nos relata la predicción de la existencia de la RCF, una energía en forma de radiación que data de un universo con unos 700 mil años de edad, cuando la temperatura era de 4000K. Esta radiación de fondo[13] proviene del mecanismo de formación del helio. Debido a que la radiación de fondo se desprendió de un gas en equilibrio térmico, debe tener la distribución espectral característica de los cuerpos en equilibrio termodinámico, es decir, esta debe manifestarse como radiación de cuerpo negro, estudiado por Max Planck en 1900, con una temperatura aproximada de 3K (debido al paso del tiempo desde la época en la que se creó hasta nuestros días). En 1964, los radioastrónomos Penzias y Wilson, en unas mediciones que estaban realizando, se dieron cuenta de que existía un ruido residual que no dependía de la dirección a la que apuntaban su antena. La intensidad de este ruido correspondía a una temperatura de 3 Kelvin. Más tarde, el satélite COBE de la NASA, demostró sin lugar a dudas que esta RCF es efectivamente la radiación de un universo de edad 700 mil millones de años a 2.7K, y los datos experimentales coincidían con un error mínimo a la curva predicha por Max Planck para la radiación del cuerpo negro. Esta fue la prueba definitiva para desterrar definitivamente la Teoría del Universo del Estado Estacionario a favor de la Teoría del Big Bang. Este modelo del Big Bang actual se sostiene gracias a las siguientes evidencias experimentales[14]: la expansión universal (ley de Hubble), la abundancia de elementos livianos, la isotropía de la RCF, el espectro de la RCF es el de un cuerpo negro y finalmente, la RCF tiene pequeñas anisotropías en su distribución angular. Lejos de ser una teoría completa o perfecta, a la teoría de la GE le surgieron algunos problemas, como el problema del horizonte (casar el isotropismo de la RCF con la expansión acelerada), el problema de la planitud, también conocido como el problema de las condiciones iniciales (justificar el altísimo valor que debería tener la entropía si queremos un universo plano), o el problema de los monopolos magnéticos (el número de monopolos - es decir, de cuantos de magnetismo - en los instantes iniciales debía ser enorme. Sin embargo, su densidad es bajísima hoy en día, sin que se encuentre una explicación a este descenso). Es por ello que a principio de los 80 Alan Guth propuso el modelo inflacionario, un modelo que añade a las características ya vistas en el de la GE clásico, una última característica, que nos dice que en sus épocas primordiales, el universo soportó oscilaciones acústicas. Es decir, se expandió de una forma mucho más rápida de lo que lo hace ahora. Este modelo es el aceptado en la actualidad, aunque hay variantes y otros modelos en los que los científicos trabajan.

5. Bibliografía

Bondi, H. (1978) Cosmología. Actualidad y Perspectivas. Barcelona, Ed. Labor.

Coles, P. & Lucchin F. (2002) Cosmology. The Origin and Evolution of Cosmic Structure. West Sussex, Ed. John Wiley & Sons.

García Doncel, M. (2001) El diálogo Teología-Ciencias hoy. II. Perspectivas científica y teológica. Barcelona, Ed. Cristianisme y Justicia.

Gonzalo, J. A. (2005) Inflationary Cosmology Revisited. An Overview of Comtemporary Scientific Cosmology After the Inflationary Proposal. Singapur, Ed. World Scientific Publishing

Grünbaum, A. (1989) The Pseudo-Problem of Creation in Physical Cosmology. Philosophy of Science, Vol. 56, nº 3, Septiembre 1989, pp. 373-394. Recuperado de http://www.infidels.org/library/modern/adolf_grunbaum/problem.html el 1-5-2011.

De Greiff Acevedo, H. A. y Torres Arzayús, S. (2001) El modelo estándar de la cosmología moderna en Portilla, J.G. (2001) Astronomía para todos. Bogotá, Ed. Unibiblos, pp. 447-468

Hacyan, S. (1996) Relatividad para principiantes. México D.F., Ed. Fondo de Cultura Económica.

Hernández, Pedro J. (2003) Introducción a la Física - Cosmología. Buenos Aires, Ed. Universidad de San Andrés. Recuperado de http://www.scribd.com/doc/38301119/Introduccion-a-la-Cosmologia el 3-5-2011.

Koyré, A. (1979) Del mundo cerrado al universo infinito. Madrid, Ed. Siglo Veintiuno.

Kragh, H. (2008) Historia de la cosmología: De los mitos al universo inflacionario. Barcelona, Ed. Crítica.

Lovell, A.C.B. (1961). The Individual and the Universe. New York, Ed. New American Library

Merleau-Ponty, J. (1971) Cosmología del siglo XX. Madrid, Ed. Gredos.

Otero Carvajal, L. E. (1988) Einstein y la teoría general de la relatividad. Del universo estático al universo en expansión. Recuperado de http://www.ucm.es/info/hcontemp/leoc/la%20cosmologia%20relativista.pdf el 21-4-2011.

Queraltó Moreno, R. (1986) Reflexiones sobre la incidencia filosófica de la cosmología contemporánea. Thérmata, volumen 3, pp. 85-99. Recuperado de http://institucional.us.es/revistas/revistas/themata/pdf/03/07%20queralto.pdf el 27-4-2011.

Sellés García, M.A. (2007) Introducción a la historia de la cosmología. Madrid, Ed. UNED.

Zorzano, J. (2008) El Modelo Standard. Pilares básicos de la Cosmología. Madrid, Ed. Universidad Politécnica de Madrid.


[1] Otero (1988)
[2] Koyré (1979) pp. 253-254 "El Dios newtoniano reinaba plenamente en el vacío infinito del espacio absoluto, en el que la fuerza de la atracción universal unía los cuerpos atómicamente estructurados del inmenso universo, haciéndolos moverse en torno, de acuerdo con leyes matemáticas precisas".
[3] Merleau-Ponty (1971) p.13 "En el espacio de unos años, entre 1910 y 1930, precisamente cuando la palabra átomo cambiaba de sentido, el universo de la Astronomía cobró una nueva fisonomía, sufrió una verdadera transformación, tan importante como la que, a comienzos del siglo XVII había transformado el Universo de Ptolomeo en Universo de Galileo"
[4] Para ampliar ver Coles (2002) pp. 3-32
[5] Zorzano (2008) p. 10
[6] Hernández (2003) pp. 36-41
[7] Coles (2002) pp. 57-58 para encontrar el desarrollo matemático. He usado el símbolo ** en las ecuaciones para especificar la operación exponente.
[8] Bondi (1978) p. 13
[9] Queraltó (1986)
[10] Gonzalo (2005)  p. 6 - Se refería al Papa Pío XII, el cual, al corriente de la seria consideración que muchos científicos habían dado a la teoría de la Gran Explosión, dijo "La verdadera ciencia, cada vez más, descubre a Dios como si Dios estuviera esperando tras cada puerta que la ciencia abre".
[11] Lovell (1961)
[12] Grunbaum (1989)
[13] De Greiff (2001) pp. 460-463 para ampliar sobre la RCF.
[14] De Greiff (2001) pp. 463-468 para ampliar sobre los problemas de la GE, y el modelo del Big Bang inflacionario

5 comentarios:

Lorenzo Durruti dijo...

¡Y yo que al leer el título pensé que se trataba de un comentario de Filosofía Política! Debo reconocer que los hombres de letras (al menos yo, ojo, no quiero generalizar), estamos en paños menores cuando se entra al trapo en temas de ciencias como el que tratas. Sencillamente, con humildad y vergüenza reconozco que ya en la segunda línea del primer párrafo estaba más perdido que Amunsen en el Polo (o más aún, que Scott en el Polo).
De todos modos, reitero mi enhorabuena y te animo a seguir publicando tus posts. Los que sean aptos para ignorantes de letras los leeré con mucho gusto y hasta con fruición. Los que no, dejaré pasar con una respetuosa reverencia para que sean juzgados espíritus mejor dotados. Un abrazo

L. Martín dijo...

Realmente tu artículo me parece una exposición muy completa de estos modelos, la verdad es que yo soy una simple aficionada de la ciencia, pero me surgen ciertas dudas (no sé qué tan bien fundamentadas) a partir de esta lectura: ¿el modelo estacionario realmente satisface la conocida heterogeneidad de la densidad?(porque siendo el bigbang primero un área con materia concentrada supuestamente uniforme, éste justificaría más la densidad homogénea), si es así, ¿la inexistencia de una explosión original hace que este modelo (estacionario) apoye más que cualquier otro la existencia de materia y energía oscuras que fomenten la expansión que compensa la formación de materia para mantener la isotropía del Universo?
Y por último si entendí bien, ¿la constante cosmológica de Einstein estaría satisfaciendo el bigbang por la ulterior homogeneidad del Universo, pero no por su expansión (aceleración)?
yo sé que isotropía y expansión se contradicen horriblemente en mis preguntas, sin embargo considero lógico el considerar un Universo isotrópico a partir del bigbang, y no del modelo estacionario, la verdad es que tal vez estoy muy confundida, pues el sentido común nos daría la respuesta contraria...

Kike dijo...

Buenas L. Martín

Perdona la tardanza en responder, espero que leas esto.

Te voy respondiendo:

- Si, el modelo estacionario satisfaceria la homogeneidad de la densidad de materia a grandes rasgos. El modelo big bang tambien lo hace. No olvides que estos modelos se hacen a posteriori a partir de los indicios encontrados. La homogeneidad es algo que hasta donde nosotros sabiamos por la epoca de creacion de estos modelos, era un hecho a grandes escalas. Lo que se hizo al encumbrar la homegeneidad como principio era suponer su extension a la totalidad del universo.
- La existencia de materia y energia oscura son añadidos que se realizan para explicar la expansion del big bang. No son necesarios por tanto en el modelo de steady-state.

La condicion de isotropia se satisface en los dos modelos. En el modelo del estado estacionario esta isotropia es mas fuerte, ya que no es solo espacial sino tambien temporal.

L. Martín dijo...

Hola, gracias por resolverme esas dudas, por último, la existencia de materia oscura (y por ende de energía oscura) podría justificar más el modelo estacionario (ya que la aceleración estaría dada por esta energía y no por la explosión original)? es probable que las premisas que justifican la existencia del big bang (expansión al rojo etc) sean confundidas más bien con los efectos de la materia oscura?

AlUNED dijo...

Hola Kike!
¿Qué nota te puso el profesor en este comentario? Te lo pregunto porque yo también lo tengo que hacer y quiero saber si tengo que enfocarlo como tú o no. ¿Te hizo el profesor algún comentario correctivo?
Muchas gracias por publicar tu trabajo.

Un saludo.