Descubre qué es la cosmología y cómo esta disciplina científica nos ayuda a comprender el origen, evolución y estructura del universo. Explora las teorías y conceptos clave que conforman esta fascinante rama de la astronomía.
¿Qué es la Cosmología?
La cosmología puede ser una disciplina difícil de manejar, ya que es un campo de estudio dentro de la física que toca muchas otras áreas. (Aunque, en verdad, en estos días casi todos los campos de estudio dentro de la física se refieren a muchas otras áreas). ¿Qué es la cosmología? ¿Qué hacen realmente las personas que lo estudian (llamados cosmólogos)? ¿Qué evidencia hay para apoyar su trabajo?
La cosmología de un vistazo
La cosmología es la disciplina de la ciencia que estudia el origen y el destino final del universo. Está más estrechamente relacionado con los campos específicos de la astronomía y la astrofísica, aunque el siglo pasado también ha puesto la cosmología en línea con las ideas clave de la física de partículas.
En otras palabras, llegamos a una realización fascinante:
Nuestra comprensión de la cosmología moderna proviene de conectar el comportamiento de las estructuras más grandes de nuestro universo (planetas, estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias) junto con los de las estructuras más pequeñas de nuestro universo (partículas fundamentales).
Historia de la cosmología
El estudio de la cosmología es probablemente una de las formas más antiguas de investigación especulativa en la naturaleza, y comenzó en algún momento de la historia cuando un humano antiguo miró hacia el cielo y formuló preguntas como las siguientes:
¿Cómo llegamos a estar aquí?
¿Qué está pasando en el cielo nocturno?
¿Estamos solos en el universo?
¿Qué son esas cosas brillantes en el cielo?
Tienes la idea
Los antiguos inventaron algunos intentos bastante buenos para explicar esto. El principal de estos en la tradición científica occidental es la física de los antiguos griegos, que desarrollaron un modelo geocéntrico integral del universo que se refinó a lo largo de los siglos hasta la época de Ptolomeo, momento en el cual la cosmología realmente no se desarrolló durante varios siglos , excepto en algunos de los detalles sobre las velocidades de los distintos componentes del sistema.
El siguiente gran avance en esta área provino de Nicolás Copérnico en 1543, cuando publicó su libro de astronomía en su lecho de muerte (anticipando que causaría controversia con la Iglesia Católica), destacando la evidencia de su modelo heliocéntrico del sistema solar. La idea clave que motivó esta transformación en el pensamiento fue la idea de que no había ninguna razón real para suponer que la Tierra tiene una posición privilegiada fundamental dentro del cosmos físico. Este cambio en los supuestos se conoce como el principio copernicano. El modelo heliocéntrico de Copérnico se hizo aún más popular y aceptado basándose en el trabajo de Tycho Brahe, Galileo Galilei y Johannes Kepler, quienes acumularon evidencia experimental sustancial en apoyo del modelo heliocéntrico copernicano.
Sin embargo, fue Sir Isaac Newton quien pudo reunir todos estos descubrimientos para explicar realmente los movimientos planetarios. Tuvo la intuición y la intuición de darse cuenta de que el movimiento de los objetos que caen a la tierra era similar al movimiento de los objetos que orbitan alrededor de la Tierra (en esencia, estos objetos están continuamente cayendo alrededor de la Tierra). Dado que este movimiento era similar, se dio cuenta de que probablemente fue causado por la misma fuerza, a la que llamó gravedad. Mediante una observación cuidadosa y el desarrollo de una nueva matemática llamada cálculo y sus tres leyes del movimiento, Newton pudo crear ecuaciones que describían este movimiento en una variedad de situaciones.
Aunque la ley de la gravedad de Newton trabajaba para predecir el movimiento de los cielos, había un problema … no estaba exactamente claro cómo funcionaba. La teoría proponía que los objetos con masa se atraían entre sí a través del espacio, pero Newton no pudo desarrollar una explicación científica para el mecanismo que la gravedad utilizaba para lograrlo. Para explicar lo inexplicable, Newton confió en un llamamiento genérico a Dios: básicamente, los objetos se comportan de esta manera en respuesta a la presencia perfecta de Dios en el universo. Para obtener una explicación física esperaría más de dos siglos, hasta la llegada de un genio cuyo intelecto podría eclipsar incluso el de Newton.
La cosmología moderna: la relatividad general y el Big Bang
La cosmología de Newton dominó la ciencia hasta principios del siglo XX, cuando Albert Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general, que redefinió la comprensión científica de la gravedad. En la nueva formulación de Einstein, la gravedad fue causada por la flexión del espacio-tiempo 4-dimensional en respuesta a la presencia de un objeto masivo, como un planeta, una estrella o incluso una galaxia.
Una de las implicaciones interesantes de esta nueva formulación fue que el espacio-tiempo en sí no estaba en equilibrio. En un plazo bastante breve, los científicos se dieron cuenta de que la relatividad general predecía que el espacio-tiempo se expandiría o contraería. Creer que Einstein creía que el universo era en realidad eterno, introdujo una constante cosmológica en la teoría, que proporcionaba una presión que contrarrestaba la expansión o la contracción. Sin embargo, cuando el astrónomo Edwin Hubble finalmente descubrió que el universo en realidad se estaba expandiendo, Einstein se dio cuenta de que había cometido un error y eliminó la constante cosmológica de la teoría.
Si el universo se estaba expandiendo, entonces la conclusión natural es que si retrocedieras el universo, verías que debe haber comenzado en un pequeño y denso grupo de materia. Esta teoría de cómo comenzó el universo se llamó Teoría del Big Bang. Esta fue una teoría controvertida a través de las décadas de mediados del siglo XX, ya que compitió por el dominio en contra de la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle. El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas en 1965, sin embargo, confirmó una predicción que se había hecho en relación con el Big Bang, por lo que fue ampliamente aceptado entre los físicos.
Aunque se demostró que estaba equivocado con respecto a la teoría del estado estacionario, a Hoyle se le atribuyen los principales desarrollos en la teoría de la nucleosíntesis estelar, que es la teoría de que el hidrógeno y otros átomos ligeros se transforman en átomos más pesados dentro de los crisoles nucleares llamados estrellas, y escupen en el universo sobre la muerte de la estrella. Estos átomos más pesados luego se transforman en agua, planetas y, finalmente, en la vida en la Tierra, ¡incluidos los humanos! Por lo tanto, en palabras de muchos cosmólogos asombrados, todos estamos formados por el polvo estelar.
De todos modos, volvemos a la evolución del universo. A medida que los científicos obtuvieron más información sobre el universo y midieron más cuidadosamente la radiación cósmica de fondo de microondas, hubo un problema. A medida que se tomaron medidas detalladas de los datos astronómicos, quedó claro que los conceptos de la física cuántica debían desempeñar un papel más importante en la comprensión de las fases iniciales y la evolución del universo. Este campo de la cosmología teórica, aunque todavía altamente especulativo, ha crecido bastante fértil y, a veces, se llama cosmología cuántica.
La física cuántica mostró un universo que estaba muy cerca de ser uniforme en energía y materia, pero no era completamente uniforme. Sin embargo, cualquier fluctuación en el universo temprano se habría expandido enormemente durante los miles de millones de años en que el universo se expandió … y las fluctuaciones fueron mucho más pequeñas de lo que uno podría esperar. Así que los cosmólogos tuvieron que encontrar una manera de explicar un universo primitivo no uniforme, pero que solo tuviera fluctuaciones extremadamente pequeñas.
Ingrese a Alan Guth, un físico de partículas que abordó este problema en 1980 con el desarrollo de la teoría de la inflación. Las fluctuaciones en el universo temprano eran fluctuaciones cuánticas menores, pero se expandieron rápidamente en el universo temprano debido a un período de expansión ultrarrápido. Las observaciones astronómicas desde 1980 han apoyado las predicciones de la teoría de la inflación y ahora es la opinión de consenso entre la mayoría de los cosmólogos.
Misterios de la cosmología moderna.
Aunque la cosmología ha avanzado mucho durante el último siglo, todavía hay varios misterios abiertos. De hecho, dos de los misterios centrales en la física moderna son los problemas dominantes en cosmología y astrofísica:
Materia oscura: algunas galaxias se están moviendo de una manera que no se puede explicar completamente en función de la cantidad de materia que se observa dentro de ellas (llamada «materia visible»), pero se puede explicar si hay una materia extra invisible dentro de la galaxia. Esta materia extra, que se prevé que ocupará aproximadamente el 25% del universo, según las mediciones más recientes, se llama materia oscura. Además de las observaciones astronómicas, los experimentos en la Tierra, como la Búsqueda de Materia Oscura Criogénica (CDMS), están tratando de observar directamente la materia oscura.
Energía oscura: en 1998, los astrónomos intentaron detectar la velocidad a la que el universo se estaba desacelerando … pero descubrieron que no se estaba desacelerando. De hecho, la tasa de aceleración se estaba acelerando. Parece que, después de todo, se necesitaba la constante cosmológica de Einstein, pero en lugar de mantener el universo como un estado de equilibrio, en realidad parece estar separando a las galaxias a una velocidad cada vez más rápida a medida que pasa el tiempo. Se desconoce exactamente qué está causando esta «gravedad repulsiva», pero el nombre que los físicos le han dado a esa sustancia es «energía oscura». Las observaciones astronómicas predicen que esta energía oscura constituye aproximadamente el 70% de la sustancia del universo.
Hay algunas otras sugerencias para explicar estos resultados inusuales, como la dinámica newtoniana modificada y la velocidad variable de la cosmología de la luz, pero estas alternativas se consideran teorías complementarias que no son aceptadas por muchos físicos en el campo.
Orígenes del universo
Vale la pena señalar que la teoría del Big Bang en realidad describe la forma en que el universo ha evolucionado poco después de su creación, pero no puede proporcionar información directa sobre los orígenes reales del universo.
Esto no quiere decir que la física no nos diga nada sobre los orígenes del universo. Cuando los físicos exploran la escala más pequeña del espacio, encuentran que los resultados de la física cuántica en la creación de partículas virtuales, como lo demuestra el efecto Casimir. De hecho, la teoría de la inflación predice que en ausencia de cualquier materia o energía, el espacio-tiempo se expandiría. Tomado en serio, esto, por lo tanto, les da a los científicos una explicación razonable de cómo el universo podría originarse inicialmente. Si hubiera un verdadero «nada» (no importa, no hay energía, no hay espacio-tiempo), entonces nada sería inestable y comenzaría a generar materia, energía y un espacio-tiempo en expansión. Esta es la tesis central de libros como The Grand Design y A Universe From Nothing, que sostienen que el universo se puede explicar sin hacer referencia a una deidad creadora sobrenatural.
El papel de la humanidad en la cosmología
Sería difícil enfatizar en exceso la importancia cosmológica, filosófica y quizás incluso teológica de reconocer que la Tierra no era el centro del cosmos. En este sentido, la cosmología es uno de los campos más antiguos que arrojaron evidencia que estaba en conflicto con la cosmovisión religiosa tradicional. De hecho, cada avance en la cosmología parece haber hecho frente a los supuestos más preciados que nos gustaría hacer acerca de qué tan especial es la humanidad como especie … al menos en términos de historia cosmológica. Este pasaje de El gran diseño de Stephen Hawking y Leonard Mlodinow expone elocuentemente la transformación en el pensamiento que ha venido de la cosmología:
El modelo heliocéntrico de Nicolaus Copernicus del sistema solar es reconocido como la primera demostración científica convincente de que los humanos no somos el punto focal del cosmos … Ahora nos damos cuenta de que el resultado de Copernicus no es más que uno de una serie de demoliciones anidadas que derrocan a largo plazo -Hacemos suposiciones sobre el estado especial de la humanidad: no estamos ubicados en el centro del sistema solar, no estamos ubicados en el centro de la galaxia, no estamos ubicados en el centro del universo, ni siquiera estamos hecho de los ingredientes oscuros que constituyen la gran mayoría de la masa del universo. Tal degradación cósmica … ejemplifica lo que los científicos llaman ahora el principio copernicano: en el gran esquema de las cosas, todo lo que sabemos apunta a que los seres humanos no ocupan una posición privilegiada.
