Arrugas en el tiempo (extracto del libro)

Arrugas en el tiempo de George Smoot y Keay Davidson (editorial Grano de sal 2018).

Extracto del libro:

Cuando en 1992 se anunció que el satélite cobe había descubierto arrugas en la estructura del espacio-tiempo, se produjo un notable interés público por el origen y la evolución del universo. Mucha gente me hizo preguntas en persona y también por teléfono y por correspondencia. Aunque me habría gustado contestarlas todas, el volumen era tan grande que no pude hacerlo. En esa época, Keay Davidson se puso en contacto conmigo y me propuso escribir un libro sobre el tema. Él y su agente, John Brock- man, hablaron con los editores potenciales. Keay comenzó a reunir material. Yo amplié el enfoque de modo que el libro pudiera contestar muchas de esas preguntas y, al mismo tiempo, ofrecer el contexto que una breve conversación no podría dar.

Cuando empecé con el libro, me preocupé porque iba a ser un proceso difícil, ya que no tendría suficiente material interesante para usar. Tan pronto como comencé a escribirlo, descubrí exactamente lo contrario. Había demasiado material interesante, demasiadas historias, aventuras y episodios reveladores. También había muchos temas y conceptos interesantes para presentar. El libro pronto superó el medio millar de páginas y yo aún tenía muchas cosas que contar.

Mi coautor y mis editores me convencieron de que si el libro era más corto sería leído por más gente y no afectaría el sentido de la obra ni su contenido; un libro más largo tendría más información, pero era probable que fuera menos leído. Luego vino un tiempo de grandes cortes, rea- justes y reescritura, que fue cuando Roger Lewin y Maria Guarnaschelli, con comentarios de Alan Sampson, Louis Audibert y otros editores, dieron forma al manuscrito convirtiéndolo en un verdadero libro. Seis vuelos en globo se condensaron en uno y medio, y no sólo fue mi paso de recién egresado a dirigente de equipo lo que se analizó en la presentación sino también los aportes de mis colegas y nuestro trabajo de desarrollo.

Debo reconocer que con eso se consiguió un libro mucho más legible y que el lector se hiciera una idea cabal de cómo es la experimentación usando globos. Lo mismo puede decirse del resto de la obra. (Un par de días antes de que escribiera este prefacio llevamos a cabo un nuevo experimento en globo: el millimeter anisotropy experiment [experimento de anisotropía milimétrica] o max, en Palestine, Texas. Después de un aterrizaje digno de un libro de texto, recuperamos la carga útil, pero muchos de los factores descritos en el libro estaban de nuevo en juego.)

A través del esfuerzo y el estímulo de todos quienes han colaborado conmigo, el libro es relativamente corto y fácil de leer; da una idea bastante aproximada de la cosmología y de cómo se realizan las observaciones. Para conseguirlo, tuvimos que sacrificar algunos temas, tales como el del proceso de formación de los investigadores científicos —maestros y mentores que preparan a un estudiante, que luego practica en el pos- grado y llega a ser, a su vez, maestro y mentor—. También se han eliminado los detalles penosos y los grandes esfuerzos realizados. Este informe necesariamente pasa por alto los esfuerzos de los miembros del equipo científico, por ejemplo los vuelos en globo y los veinte años en que cien- tos de personas trabajaron en el proyecto cobe, y por supuesto de todos los otros científicos que trabajaban en la misma área. La ciencia es, por naturaleza, una actividad cultural y social que en estos tiempos general- mente ocupa equipos de personas que intercambian ideas, resultados experimentales y conceptos. Nuestra esperanza es que esta simplificación excesiva haga que la cosmología resulte más interesante y accesible.

Finalmente, quisiera decirle al lector que este libro está pensado para que su lectura sea sencilla pero a la vez proporcione todos los conceptos e ideas esenciales para entender la cosmología moderna. Algunos de los conceptos de esta ciencia son nuevos y por ello el lector tendrá que modificar su forma de pensar. Si alguien tiene problemas con alguna sección, lea a través de ella; logrará captar la idea general y podrá avanzar hasta el próximo capítulo. El libro está concebido de modo que una segunda lectura permita ampliar el nivel de comprensión, después de lo cual el lector estará familiarizado con todos los grandes conceptos de la cosmología moderna. Bon voyage, pues, en este viaje a través de la excitante historia del origen y la evolución del universo y de cómo hemos llegado a tener nuestra moderna concepción de él.

George Smoot Berkeley, California Junio de 1993

En el comienzo

Yo era un tesoro escondido y deseaba ser conocido: por lo que creé la creación para ser conocido. Mito sufí de la creación

Existe algo en el cielo nocturno que hace que, al mirarlo, uno no pueda dejar de admirarse. Cuando era niño, tuve la fortuna de vivir en lugares donde por la noche el cielo se veía fácilmente. Recuerdo claramente estar viajando en el asiento trasero del auto cuando mi familia regresaba a casa después de visitar a nuestros primos. Por la ventana de atrás veía la Luna a través del paisaje. Parecía seguirnos por el camino que hacía mi perro cuando yo exploraba nuestro gran jardín y los campos y bosques que lo rodeaban. Cuando parecía que se había perdido detrás de un cerro o de un árbol, volvía a aparecer. Les pregunté a mis padres: “¿Estamos en algún lugar especial para que la Luna se mantenga sobre nosotros observándonos? ¿Es a nosotros o a la dirección en la que vamos? ¿Cómo puede hacer lo mismo en todo el mundo al mismo tiempo? ¿La Luna es como San- ta Claus?” Mis padres me explicaron que la Luna es muy grande y está muy lejos, y que las montañas y los árboles que encontrábamos en el ca- mino eran pequeños comparados con ella, como cuando uno pone los de- dos delante de los ojos y, si mueve un poco la cabeza, puede ver enseguida de nuevo. Entonces me hablaron acerca de la Tierra y la Luna, y también de las fases de ésta y de las mareas. Esa noche mi mundo cambió. Nuestro jardín trasero, el bosque cercano, mi pueblo e incluso el viaje de dos ho- ras a la casa de mis primos no eran sino una pequeña parte de un mundo mucho mayor. Más aún, había razón y orden, hermosamente explicados por conceptos claros que se entrelazaban. No sólo pude descubrir cosas nuevas, como los estanques y los renacuajos, sino que también pude des- cubrir qué había hecho que las cosas sucedieran, cómo habían sucedido y de qué manera armonizaban. Para mí fue como caminar en un museo os- curo y salir a la luz. Había tesoros increíbles para contemplar.

Ahora, cuatro décadas más tarde, sentado en mi laboratorio, me doy cuenta de que había sido capaz de pasar mucho tiempo en ese museo bus- cando tesoros. Algunos habían sido bosquejados por anteriores investigadores y sabios. Unos pocos los vi con la débil luz de mi linterna. Ésta es la historia de la búsqueda y la consiguiente iluminación de uno de esos tesoros, llamado por algunos “el Santo Grial de la cosmología”, o sea la búsqueda principal de esta ciencia. Es una historia que comienza con las primeras personas que contemplaron las estrellas y con nuestros pro- pios orígenes, y continúa a través de siglos de observación, especulación y experimentación. Incluye objetos tan grandes como los supercúmulos galácticos y tan pequeños como las partículas subatómicas. Es una his- toria que me transportó a la selva tropical de Brasil y a las desérticas pla- nicies heladas de la Antártida, al enamoramiento y a la frustración con los globos aerostáticos diseñados para alcanzar grandes alturas, al miste- rio de los aviones espía u-2 y, finalmente, a la aventura del espacio. Es mi historia personal, pero también la historia de muchos otros, tanto perso- najes históricos como contemporáneos, que intentaron dar respuesta al más viejo y central de los misterios: ¿cómo y por qué empezó el universo y cuál es nuestro lugar en él?

La cosmología se define como la “ciencia del universo”. En el inicio del tercer milenio, la cosmología está experimentando un magnífico periodo de creatividad, una edad dorada en la que las nuevas observaciones y las nuevas teorías aumentan nuestra comprensión del universo —y nuestro respeto— de manera sorprendente. Pero esta edad dorada vigente sólo puede ser totalmente entendida a la luz de lo que ha pasado antes. El co- nocimiento científico siempre es provisional, siempre está en discusión. La historia de la ciencia muestra una progresión de teorías que se entre- lazan en un momento dado sólo para ser cambiadas, rectificadas o modi- ficadas cuando la observación las pone en entredicho.

La cosmología occidental comienza con los griegos, quienes hace 2 500 años comenzaron a hacer observaciones sistemáticas del cosmos. En su día apareció la visión del cosmos de Aristóteles, enfoque que prevalecería, a pesar de algunas modificaciones menores, a lo largo de toda la Edad Me- dia y hasta el Renacimiento. La suya era una visión estética del universo que fue formalizada por la teología. Según Aristóteles, en el instante de la creación el Primer Hacedor —versión aristotélica del creador— estable- ció los cielos con un movimiento eterno y perfecto, con el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas fijos en el interior de ocho esferas cristalinas que rotaban sobre su centro alrededor de la Tierra. No había nada semejante al vacío; todo estaba lleno de la divina presencia. Toda la materia estaba constituida por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Una quinta esencia, una sustancia perfecta que no podía ser destruida ni convertida en ninguna otra cosa, formó las esferas; esta quintaesencia era llamada “éter”.

Los cielos eran perfectos e inmutables, en tanto que la Tierra era imperfecta y proclive a la decadencia.

En la cosmología aristotélica, el movimiento en los cielos era circular —otro signo de perfección— mientras que, en la Tierra, cuando las cosas se movían lo hacían en línea recta. El estado natural de la materia era el reposo.

Diversas observaciones tanto del cielo como de la Tierra permitieron detectar imperfecciones en la cosmología de Aristóteles. Por ejemplo, los planetas parecían cambiar su curso; Marte de vez en cuando se detenía y luego invertía la dirección de su trayectoria. No obstante, tras las modificaciones realizadas por el astrónomo alejandrino Claudio Ptolomeo para dar cuenta de ciertas anomalías, la cosmología aristotélica persistió durante dos mil años y fue adoptada y adaptada por la teología cristiana.

En 1514, el papa encargó al matemático polaco Nicolás Copérnico la reforma del calendario. Copérnico aceptó el encargo, pero creyó que las relaciones entre los cuerpos celestes y sus movimientos debían reconsiderarse. Así lo hizo y en 1543, año de su muerte, publicó el trabajo titula- do Sobre las revoluciones de las esferas celestes, un documento que ataca los fundamentos de la cosmología aristotélica y por ello también a la teología cristiana que la había incorporado. Este trabajo fue el resultado de la visión emergente del mundo renacentista, en la que la lógica, las matemáticas y la observación ocupaban un lugar destacado. La Tierra ya no se encontraba en el centro del universo: el Sol estaba en el centro y la Tierra orbitaba a su alrededor como los demás planetas. Esta cosmología sitúa al hombre fuera de la posición central, desde la cual había sido objeto de una constante vigilancia por parte de Dios, y al mismo tiempo mezcla lo perfecto con lo imperfecto, al colocar la Tierra en los cielos. Éste fue el principio del fin para el cosmos aristotélico.

Durante los últimos cuatro siglos, el enfoque geocéntrico del cosmos fue cambiando gradualmente debido a las observaciones astronómicas y los experimentos realizados en la Tierra. De la misma forma como el universo geocéntrico de Aristóteles fue reemplazado por el universo helio-céntrico de Copérnico, éste pronto fue sustituido por el de Newton y más tarde el de Newton por el de Einstein. Actualmente vivimos en el universo de Einstein, pero este enfoque del mundo también puede resultar in- adecuado algún día. Uno de los planteamientos de este libro, y de la historia de la ciencia, es que ninguna teoría es sacrosanta. A medida que la tecnología y el ingenio experimental amplían nuestros poderes de observación, debemos modificar nuestras teorías para incorporar aquello que observamos.

Cuando en 1970 empecé a dedicarme a la cosmología, la ciencia estaba sufriendo un cambio. En el pasado, la astronomía y la física de partículas habían encarado en forma independiente algunos problemas fundamentales de la naturaleza. Pero en 1970 comenzó a darse una unión de esas dos disciplinas. Esta unión del estudio de lo incomprensiblemente grande (astronomía) y lo increíblemente pequeño (física de partículas) promete acercar la curiosidad humana a la respuesta de las últimas preguntas. Por cierto, ya se está moviendo en esa dirección, ya que la experimentación y la teoría nos permiten retroceder hacia el lapso de tiempo más pequeño imaginable, algo como 10–42 segundos (es decir, una millonésima de una billonésima de una billonésima de una billonésima de segundo), después de lo cual creemos estar ante el origen del universo.

La finalidad de la cosmología comienza en ese momento y acompaña la evolución consecuente de nuestro cosmos, que pasó de ser del tamaño de una fracción de un protón (una de las partículas elementales de las que está hecha toda la materia conocida) a ser una interminable ex- tensión esencial. Esta teoría de un cosmos en expansión es conocida popularmente como Big Bang. Para los cosmólogos, el Big Bang es una poderosa teoría que ha dominado la ciencia en las últimas décadas. Como lo indican esas dos palabras, la teoría encara el comienzo del universo con una probable explosión. Pero a diferencia de una convencional, el Big Bang no ocurrió dentro del espacio existente, sino que creó el espacio mientras se expandía (y continúa haciéndolo). El Big Bang fue la creación cataclísmica de la materia y el espacio. Para entender las condiciones que permitieron que ocurriera el Big Bang, debemos abandonar nuestra noción racional de la materia, la energía, el tiempo y el espacio como entidades separadas. En el momento de la creación, el universo existía en condiciones muy distintas, y probablemente actuaba de acuerdo con le- yes diferentes de las de hoy. A veces la realidad de la cosmología supera nuestra comprensión.

A pesar de que la idea original del Big Bang la desarrolló entre 1927 y 1933 George Lemaître, un sacerdote belga, no fue sino hasta 1964 cuan- do la teoría emergió como la explicación dominante de cómo el universo

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