¿Qué sabemos realmente del universo?

Hay tanto que hemos aprendido sobre nuestro universo

Universo: historia y origen
¿Qué sabemos realmente del universo?

Desde cualquier punto de vista, la existencia es bastante rara y extraña. Pero cuando se llega a la física fundamental de todo esto, se vuelve aún más extraño. Aunque mucha gente puede pensar que en el ámbito de la ciencia todo está claro y ordenado. Pero, ¿es así como funcionan realmente las cosas?

Durante milenios, estudiosos y filósofos han debatido sin cesar si la vida y el cosmos son ordenados o caóticos. Las ciencias no se han librado de este debate, y muchos descubrimientos importantes han sido asumidos por una u otra corriente de pensamiento.

Los conocimientos sobre el movimiento de los planetas, la gravedad, la teoría atómica, la relatividad, la mecánica cuántica y la estructura a gran escala del universo se han utilizado a veces para añadir peso a las nociones de orden y caos.

Actualmente, hay mucha ambigüedad en lo que respecta a esta cuestión, y los futuros descubrimientos podrían ayudar a resolverla. Pero mientras tanto, es bueno hacer un balance de lo que hemos aprendido y de lo que puede decirnos sobre la vida tal y como la conocemos.

La Vía Láctea
La Vía Láctea

¿Qué es el universo?

La palabra “universo” procede del latín “universe” con el que los autores romanos se referían al cosmos tal y como lo conocían. Esta consistía en la tierra y toda la vida, así como la luna, el sol, los planetas que conocían (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter, Saturno) y las estrellas.

El término “cosmos”, por su parte, deriva de la palabra griega kosmos, que significa “orden” o “el mundo”. Otras palabras utilizadas habitualmente para definir toda la existencia conocida son “naturaleza” (de la palabra germánica natur) y la palabra inglesa “everything” (que se explica por sí misma).

La palabra universo es utilizada hoy por los científicos para designar toda la materia y el espacio existentes. Esto incluye el sistema solar, la Vía Láctea, todas las galaxias conocidas y las superestructuras. En términos de la ciencia moderna y la astrofísica, también incluye todo el tiempo, el espacio, la materia, la energía y las fuerzas fundamentales que los conectan.

La cosmología, por su parte, se utiliza para describir el estudio del universo (o cosmos) y las fuerzas que lo unen. Gracias a miles de años de investigación, nuestro conocimiento del universo físico ha crecido a pasos agigantados. Y sin embargo, todavía hay muchas cosas que no entendemos.

Para tener una idea de dónde estamos hoy, primero tenemos que echar un vistazo atrás….

Historia de la cosmología

El hombre lleva estudiando la naturaleza de la existencia prácticamente desde que pudo caminar erguido y hablar. Sin embargo, la mayor parte de lo que sabemos sobre el estudio del cosmos se remonta sólo hasta donde hay registros escritos.

Afortunadamente, muchos de estos registros proceden de tradiciones orales que precedieron a la escritura, por lo que existe una idea general de lo que creían nuestros antepasados. Lo que sabemos sugiere que los primeros relatos de la creación del universo tenían un carácter más simbólico y metafórico.

Por lo que sabemos, todas las culturas que han existido han tenido su propia versión de la historia de la creación. En muchos, el tiempo y toda la vida comenzaron con un único acontecimiento en el que un dios o dioses fueron responsables de la creación del mundo, los cielos y todo lo demás. La mayoría de los relatos de la creación incluían o culminaban con el nacimiento de la humanidad.

Las pruebas arqueológicas sugieren que, ya en el año 8000 a.C., la gente seguía los acontecimientos celestes, como el movimiento de la luna, para crear calendarios. En el segundo milenio antes de Cristo, la astronomía comenzó a desarrollarse como campo de estudio. Algunas de las primeras observaciones celestes registradas se atribuyen a los antiguos babilonios. Éstas conformarían las tradiciones cosmológicas y astrológicas de las culturas de Oriente Medio y el Mediterráneo durante milenios.

Evolución cósmica
Evolución cósmica: la flecha del tiempo

La idea del tiempo finito se remonta a veces a esta época y quizás a la religión zorástrica. Su núcleo es la creencia de que el universo fue creado, representa el desarrollo de un plan divino y tiene un fin.

Las enseñanzas posteriores sostenían que el tiempo comenzaba con la creación o autocreación y que terminaría con un triunfo del orden sobre el caos y una versión del Día del Juicio Final en el que toda la creación se reuniría con el Creador. Estos conceptos se trasladaron probablemente al judaísmo hacia el siglo VI a.C. con la conquista persa de Babilonia.

La idea del tiempo como una progresión lineal fue la que dio forma a la cosmología occidental durante milenios y sigue existiendo en la actualidad (por ejemplo, con las teorías del “Big Bang” y la “Flecha del Tiempo”).

Entre el siglo VIII a.C. y el siglo VI d.C. (el periodo que suele denominarse “antigüedad clásica”), el concepto de que las leyes físicas gobiernan el universo empezó a ganar adeptos. Tanto en la India como en Grecia, los estudiosos de esta época comenzaron a ofrecer explicaciones de los fenómenos naturales que hacían hincapié en la causa y el efecto.

El nacimiento del átomo

En el siglo V a.C., el filósofo griego Empédocles teorizó que el universo estaba formado por los cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Alrededor de la misma época, surgió un sistema similar en China, que consistía en los cinco elementos de tierra, agua, fuego, madera y metal.

Esta idea llegó a ser influyente, pero pronto fue refutada por el filósofo griego Leucipo, que postuló que el universo estaba formado por partículas indivisibles conocidas como “atomos” (en griego, “indecomponible”).

El concepto fue popularizado por su alumno Demócrito (460 – 370 a.C.), quien sostenía que los átomos eran indestructibles y eternos y determinaban las propiedades de toda la materia.

El filósofo griego Epicuro (341-270 a.C.) perfeccionó y desarrolló esta idea. Por ello, se asoció a la escuela filosófica inspirada en él (el epicureísmo).

El filósofo indio Canadá, que se dice que vivió entre los siglos VI y II a.C., propuso una idea similar. En su filosofía, toda la materia estaba compuesta por “paramanu”, partículas indivisibles e indestructibles. También propuso que la luz y el calor eran la misma sustancia en una forma diferente.

Modelo estándar de la física de partículas
Modelo estándar de la física de partículas

El filósofo indio Dignana (480 – 540 d.C.), uno de los fundadores de la escuela de pensamiento indio sobre la lógica, fue más allá y propuso que toda la materia está compuesta de energía.

Estas teorías cayeron en el olvido en Occidente, pero siguieron siendo populares entre los eruditos islámicos y asiáticos, que las tradujeron al árabe y a otras lenguas. Hacia el siglo XIV, el interés por el “atomismo” resurgió en Occidente gracias a la traducción de obras clásicas al latín.

El lugar de la Tierra en el sistema solar

Entre el segundo milenio a.C. y el siglo II d.C., la astronomía y la astrología siguieron desarrollándose y evolucionando. Durante este tiempo, los astrónomos observaron los movimientos propios de los planetas y el movimiento de las constelaciones a través del zodiaco.

Fue también durante esta época cuando los astrónomos griegos formularon el modelo geocéntrico del universo, en el que el sol, los planetas y las estrellas giran alrededor de la tierra.

Estas tradiciones se resumieron en el siglo II d.C. en el tratado matemático y astronómico, el Almagesto, escrito por el astrónomo greco-egipcio Claudio Ptolomeo (también conocido como Ptolomeo).

Este tratado y el modelo cosmológico que contiene fueron considerados canónicos por muchos eruditos medievales europeos e islámicos y siguieron siendo la fuente autorizada sobre astronomía durante más de mil años.

Durante la Edad Media (siglos V a XV d.C.), los eruditos indios, persas y árabes mantuvieron y ampliaron las tradiciones astronómicas clásicas. Al mismo tiempo, los complementaron proponiendo algunas ideas revolucionarias, como la rotación de la Tierra.

Algunos estudiosos fueron más allá y propusieron modelos heliocéntricos del universo, como el astrónomo indio Aryabhata (476-550 d.C.), los astrónomos persas Albumasar (787 – 886 d.C.) y Al-Sijzi (945 – 1020 d.C.).

Es posible que sus obras se inspiraran en los trabajos anteriores de Aristarco de Samos (310 -230 a.C.), Seleuco de Seleucia (190 a.C. – 150 a.C.) y algunos filósofos pitagóricos de los siglos IV y V a.C.

Bartolomeu Velho: Ilustración de los cuerpos celestes
Bartolomeu Velho: Ilustración de los cuerpos celestes

En el siglo XVI, Nicolás Copérnico publicó un modelo completo de universo heliocéntrico. Propuso por primera vez este modelo en un manuscrito de 40 páginas titulado Commentariolus (“Pequeño comentario”), publicado en 1514.

Su teoría resolvió los persistentes problemas que habían afectado a los modelos heliocéntricos anteriores y se basó en siete principios generales. Estos postulaban que:

Copérnico ampliaría estas ideas en su obra magna – De revolutionibus orbium coelestium (Sobre las revoluciones de las esferas celestes)-, que concluyó en 1532. Sin embargo, por temor a la persecución, Copérnico no permitió su publicación hasta poco antes de su muerte (1534).

En esta obra Copérnico repitió sus siete argumentos principales y proporcionó cálculos detallados para apoyarlos. Sus ideas inspiraron al astrónomo, matemático e inventor italiano Galileo Galilei (1564 – 1642).

Galileo utilizaría un telescopio de su propiedad, sus conocimientos de física y matemáticas y la aplicación rigurosa del método científico para perfeccionar las observaciones y los cálculos de Copérnico.

Las observaciones de Galileo sobre la Luna, el Sol y Júpiter resultaron muy influyentes y ayudaron a exponer las debilidades del modelo geocéntrico. Sus observaciones de la Luna, por ejemplo, revelaron una superficie llena de virutas y cráteres, mientras que sus observaciones del Sol revelaron manchas solares.

Visión del mundo geocéntrica y heliocéntrica
Comparación de la visión del mundo geocéntrica y heliocéntrica

También fue responsable del descubrimiento de las lunas más grandes de Júpiter -Io, Europa, Ganímedes y Calisto-, que más tarde recibieron el nombre de “lunas galileanas” en su honor.

Estos descubrimientos contradicen la idea de que los cielos son una esfera perfecta (acorde con la teología cristiana) y que no hay más planetas que la Tierra que tengan satélites.

Sus observaciones de los planetas demostraron que su aspecto y posición en el cielo eran coherentes con la teoría de que orbitan alrededor del Sol.

Compartió estas observaciones en tratados como el Sidereus Nuncius (El Mensajero Estelar) y el Sobre las manchas observadas en el Sol, ambos publicados en 1610.

Pero fue su tratado de 1632, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Diálogo sobre los dos principales sistemas del mundo), en el que defendió el modelo heliocéntrico del universo.

Johannes Kepler (1571-1630) perfeccionó el modelo con sus leyes del movimiento planetario , que demostraron que las órbitas de los planetas eran elípticas y no círculos perfectos (como habían afirmado Galileo y otros astrónomos anteriores).

Esto zanjó el “Gran Debate” sobre la naturaleza del sistema solar e hizo del heliocentrismo el consenso científico desde finales del siglo XVII.

Del Sistema Solar a la Vía Láctea

Otro descubrimiento revolucionario que se produjo en los siglos XVII y XVIII fue la constatación de que nuestro sistema solar no es único. Gracias a la invención del telescopio, nuestra comprensión de la Vía Láctea cambió drásticamente.

En lugar de ser una nube gigante en forma de banda (como se pensaba anteriormente), los astrónomos empezaron a comprender que la estructura nebulosa que habían observado en el cielo nocturno durante milenios era en realidad miles de millones de estrellas lejanas.

Hay que reconocer que la idea no era del todo nueva. En el siglo XIII, el astrónomo y polímata persa Nasir al-Din al-Tusi (1201 – 1274) propuso exactamente esta posibilidad en su libro Tadhkira:

“La Vía Láctea, es decir, la galaxia, está compuesta por un número muy grande de pequeñas estrellas estrechamente agrupadas, que, debido a su concentración y pequeñez, aparecen como motas nebulosas. Por esta razón se ha comparado con la leche en el color”.

Pero no fue hasta la revolución científica (entre los siglos XVI y XVIII) que los astrónomos pudieron observarlo directamente. Galileo describió en las Sternenboten la observación que hizo de las “estrellas nebulosas” que se incluyeron en el catálogo de estrellas del Almagest.

Estas observaciones le llevaron a concluir que las secciones “nebulosas” de la banda de la Vía Láctea eran en realidad “colecciones de innumerables estrellas agrupadas en cúmulos”. Este descubrimiento apoyó la tesis del heliocentrismo al demostrar que el universo era mucho mayor de lo que se pensaba.

En 1755, el filósofo alemán Immanuel Kant teorizó que la Vía Láctea era un enorme cúmulo de estrellas unidas por la fuerza de su gravedad mutua. Además, predijo que estas estrellas (junto con el sistema solar) formaban parte de un disco aplanado que giraba en torno a un centro común, como los planetas alrededor del sol.

En 1785, el astrónomo William Herschel intentó crear el primer mapa de la Vía Láctea. Sus estimaciones sobre el tamaño y la forma de la galaxia se vieron afectadas por el hecho de que gran parte de nuestra galaxia está oculta por el polvo y el gas, pero su intento fue un indicio del progreso que se estaba realizando.

En el siglo XIX, la mejora de la óptica y de los telescopios permitió a los astrónomos obtener imágenes de una mayor parte del cielo nocturno, lo que llevó a muchos a concluir que nuestro sistema solar era sólo uno de los miles de millones de la Vía Láctea.

En el siglo XX, deberían darse cuenta de que la Vía Láctea es sólo una de las miles de millones que hay en el universo. Pero una cosa a la vez…

Newton y Einstein lo revolucionan todo

La comprensión del universo por parte de la humanidad volvió a revolucionarse a finales del siglo XVII gracias a los trabajos del polímata británico Sir Isaac Newton (1642/43 – 1727). Basándose en la teoría del movimiento de Kepler, desarrolló una teoría de la gravedad (también conocida como “Gravitación Universal”).

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Newton
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Newton

Esto se resumió en su principal obra, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (“Principios matemáticos de la filosofía natural”), publicada en 1687, que contenía las Tres leyes del movimiento de Newton. Estas leyes establecen que:

Estas leyes describen cómo los objetos ejercen fuerzas entre sí y cómo se produce el movimiento como resultado. Gracias a su trabajo, Newton pudo calcular la masa de los planetas, determinar que la Tierra no es una esfera perfecta y cómo la interacción de la Tierra con el Sol y la Luna afecta a las mareas oceánicas.

Estos y otros cálculos detallados tendrían un profundo impacto en las ciencias y constituirían la base de la Física Clásica (también conocida como Física Newtoniana), que seguiría siendo el canon aceptado durante los siguientes 200 años.

Esto cambió a principios del siglo XX, cuando un joven físico teórico llamado Albert Einstein empezó a publicar una serie de artículos en los que discutía sus teorías de la Relatividad Especial y General.

Estas teorías fueron, en parte, el resultado de intentar resolver las incoherencias entre la física newtoniana y las leyes del electromagnetismo recientemente descubiertas -que se resumen en las ecuaciones de Maxwell y la ley de la fuerza de Lorentz).

Einstein abordaría esta incoherencia en uno de los documentos que escribió en 1905 mientras trabajaba en una oficina de patentes en Berna, Suiza. Titulado ” Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento“, este trabajo se convirtió en la base de la relatividad especial (RS).

La teoría de Einstein desafió el consenso de trabajo hasta ese momento de que la luz que se movía a través de un medio era arrastrada por ese medio. Esto significaba que la velocidad de la luz (que ya había sido determinada) era la suma de su velocidad a través de un medio más la velocidad de ese medio.

Esto llevó a todo tipo de complicaciones teóricas, y los experimentos que intentaron resolverlas obtuvieron resultados nulos. En cambio, Einstein estableció que la velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia inerciales, una teoría que eliminó la necesidad de medios o explicaciones extrañas.

Como teoría, la RS no sólo simplificó los cálculos matemáticos y resolvió los problemas entre el electromagnetismo y la física, sino que también se ajustó a la velocidad de la luz y explicó las desviaciones que se producían en los experimentos.

Entre 1907 y 1911, Einstein comenzó a aplicar su teoría de la RS a los campos gravitatorios, otro ámbito en el que la física newtoniana tenía dificultades. En 1911, estos esfuerzos culminaron con la publicación de ” Sobre la influencia de la gravitación en la propagación de la luz“.

Este trabajo sentó las bases de la Relatividad General (RG). En él, Einstein predijo que el tiempo es relativo al observador y depende de la posición del observador dentro de un campo gravitatorio, y que la masa gravitatoria es idéntica a la masa inercial (también conocido como principio de equivalencia).

Otra cosa que Einstein predijo en este documento fue la idea de que dos observadores a diferentes distancias de una masa gravitatoria percibirían el flujo del tiempo de manera diferente (aka. Dilatación Gravitacional del Tiempo). Estas teorías siguen siendo parte integrante de la física moderna.

El universo es oscuro

Las teorías de Einstein, que fueron ampliamente aceptadas, tuvieron muchas consecuencias para las ciencias. En particular, sus ecuaciones de campo para la relatividad también predijeron la existencia de agujeros negros y de un universo que se encuentra en un estado de expansión o contracción constante.

En 1915, pocos meses después de que la RG fuera ampliamente conocida, el físico y astrónomo alemán Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de campo de Einstein que dio lugar a la teoría de los agujeros negros, décadas antes de que se observara uno.

Esta solución, también conocida como radio de Schwarzschild, describe cómo se puede comprimir la masa de una esfera para que la velocidad de escape de la superficie sea igual a la velocidad de la luz. El “radio” en este caso se refiere al tamaño por debajo del cual la fuerza de atracción entre las partículas de un cuerpo debe hacer que éste sufra un colapso gravitatorio irreversible.

En 1931, el astrofísico indio-estadounidense Subrahmanyan Chandrasekhar amplió esta idea utilizando la RS para calcular la masa que tendría que alcanzar un cuerpo para colapsar sobre sí mismo, lo que posteriormente se denominó el límite Chandrasekhar.

En 1939, el descubrimiento de las estrellas de neutrones confirmó las teorías de Chandrasekhar al demostrar que las enanas blancas con masas inferiores a este límite sí colapsan. Como resultado, el objeto resultante (una estrella de neutrones) es superdenso y tiene un campo magnético increíblemente fuerte.

A partir de ahí, físicos como Robert Oppenheimer dedujeron que una enana blanca con suficiente masa seguiría colapsando y formando un agujero negro. Este era un límite de masa muy diferente (conocido como el límite Tolman-Oppenheimer-Volkoff), pero era consistente con la teoría de Chandrasekhar.

En las décadas de 1960 y 1970, los astrofísicos realizaron muchas pruebas de la relatividad general utilizando agujeros negros y estructuras a gran escala (como galaxias y cúmulos de galaxias). Esto se conocería como la “Edad de Oro de la Relatividad General” (1960 – 1975), ya que permitió poner a prueba la teoría de Einstein como nunca antes.

Sin embargo, los astrofísicos observaron también algo especialmente escalofriante en estas pruebas. Al observar las galaxias y las grandes acumulaciones de materia en el universo, descubrieron que los efectos gravitatorios observados de estos objetos no coincidían con su masa aparente.

Esto llevó a la comunidad científica a concluir que hay mucha masa dentro de las galaxias que no pueden ver. Esto dio lugar a la teoría de la materia oscura, una misteriosa masa que no interactúa con la “materia normal” (también conocida como materia visible o bariónica) a través de la fuerza electromagnética.

Esto significa que no absorbe, refleja ni emite luz, por lo que es extremadamente difícil de detectar. Interactúa con la materia sólo a través de su atracción gravitatoria. Se cree que la materia oscura supera a la visible en una proporción de seis a uno y que constituye aproximadamente el 27% del universo. También se cree que ha tenido una profunda influencia en la evolución del universo.

El universo se expande

Otra consecuencia de la RG fue la predicción de que el universo estaba en un estado constante de expansión o contracción. En 1927 – 1929, el físico belga (y sacerdote católico romano) Georges Lemaître y el astrónomo estadounidense Edwin Hubble confirmaron que se trataba del primero.

En esta época, Einstein seguía buscando una forma de racionalizar la idea de un universo estático. Para ello, propuso la ” Constante Cosmológica“, una fuerza aún no descubierta que “frena” la gravedad para garantizar que la distribución de la materia en el cosmos sea uniforme en el tiempo.

Con las mediciones del desplazamiento al rojo de otras galaxias, Hubble demostró que Einstein estaba equivocado. Estas mediciones mostraron que la luz procedente de estas galaxias tenía longitudes de onda más cortas -es decir, estaba desplazada hacia el extremo rojo del espectro-, lo que indicaba que el espacio intermedio se estaba expandiendo.

Las observaciones del Hubble también mostraron que las galaxias más alejadas de la nuestra se alejaban más rápidamente. Este fenómeno se conoce como Ley de Hubble, y la velocidad a la que se produce se conoce como Constante de Hubble.

En 1931, Georges Lemaitre utilizó los fenómenos que había ayudado a descubrir para articular la idea de que el universo tuvo un principio. Tras confirmar de forma independiente que el universo se estaba expandiendo, propuso que se hacía más pequeño cuanto más atrás en el tiempo se miraba.

En algún momento del pasado, concluyó, toda la masa del universo se habría concentrado en un único punto. Estos descubrimientos provocaron un debate entre los físicos, que se dividieron en dos escuelas de pensamiento.

La mayoría seguía sosteniendo que el universo se encuentra en un estado estacionario (es decir, la Teoría del Estado Estacionario ), en la que la materia se crea continuamente a medida que el universo se expande, asegurando la uniformidad en el tiempo.

Por otro lado, había quienes creían que el universo se expandía gradualmente, haciendo que la densidad de la materia disminuyera lentamente. Esta idea se conoció como ” Teoría del Big Bang“, un apodo dado en broma por los defensores de la Teoría del Estado Estacionario.

Tras varias décadas, surgieron varias líneas de evidencia que favorecían la interpretación del Big Bang. Entre ellos, el descubrimiento y la confirmación en 1965 del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) predicho por la teoría del Big Bang.

El CMB es básicamente una “radiación relicta” que quedó del Big Bang y que se ha ido expandiendo a la velocidad de la luz desde entonces. Al medir la distancia del CMB, que es de unos 13.800 millones de años en todas las direcciones, los científicos han podido acotar la edad del universo.

En la década de 1990, las mejoras en los telescopios terrestres y la introducción de telescopios espaciales dieron lugar a nuevos y sorprendentes descubrimientos. Los científicos habían creído que la gravedad acabaría frenando la expansión del universo. Pero ahora los astrónomos han observado que la expansión cósmica se ha acelerado en los últimos cuatro mil millones de años.

Esto dio lugar a la teoría de la Energía Oscura, una fuerza misteriosa que, de alguna manera, actúa en contra de la gravedad y empuja el cosmos hacia un mayor alejamiento. Los teóricos propusieron varias explicaciones para la materia oscura. Algunos sugirieron que la “constante cosmológica” de Einstein podría haber sido correcta todo el tiempo. Otros sugirieron que la teoría de la gravedad de Einstein era errónea y que se necesitaba una nueva teoría que incluyera algún tipo de campo que produjera esta aceleración cósmica.

Una teoría cosmológica líder en la actualidad es la descrita por la materia oscura fría Lambda (λCDM). Actualmente es el modelo más sencillo que explica la mayoría de las propiedades observadas del universo. Afirma que la mayor parte del universo está formada por energía oscura, materia oscura y materia ordinaria, y también se conoce como el modelo estándar de la cosmología del big bang. Supone que la relatividad general es la teoría correcta de la gravedad a escala cosmológica y explica muchas de las propiedades del cosmos, como el fondo cósmico de microondas y la aceleración de la expansión del universo.

El modelo Lambda-CDM
El modelo Lambda-CDM

¿Qué es lo que no sabemos?

La respuesta a esta pregunta es: ¡bastante, en realidad! Pero para responderla eficazmente, tenemos que observar cómo los científicos exploran el universo de arriba abajo y tomar nota de dónde están las lagunas.

En primer lugar, los científicos comprenden cómo se comportan la materia, el tiempo y el espacio en las escalas más grandes. La mejor forma de resumirlo es la RG, que describe exactamente cómo interactúan la masa y la gravedad y cómo afectan al espacio-tiempo.

Sin embargo, desde la década de 1960, los astrofísicos han llegado a creer que hay un montón de masa ahí fuera que no pueden ver. Aunque esto tiene sentido en teoría, los intentos de encontrar materia oscura no han dado hasta ahora nada concluyente.

Así que, aunque se podría decir que sabemos cuánta materia hay ahí fuera, no podemos explicar de forma concluyente la mayor parte de ella. Del mismo modo, desde finales de la década de 1920 sabemos que el universo se encuentra en estado de expansión. Sin embargo, no sabemos exactamente por qué.

La velocidad a la que se expande el universo puede explicarse por la presencia de energía oscura. Pero al igual que con la materia oscura, las investigaciones aún no han determinado lo que realmente es.

Y luego está la expansión del propio universo. Con el descubrimiento del CMB, los astrónomos y cosmólogos han podido trazar la evolución del cosmos y han podido hacer estimaciones precisas de su antigüedad. La estimación actual es que el cosmos tiene 13.799 ± 0.021 mil millones de años.

¿Pero qué tamaño tiene? Eso sigue siendo un misterio. Basándose en el ritmo de expansión cósmica, los astrofísicos estiman que el universo “observable” es una esfera de unos 93.000 millones de años luz de diámetro. Pero más allá de eso, el universo probablemente se extienda mucho más y podría ser incluso infinito.

Por otro lado, los científicos han determinado que existen cuatro fuerzas fundamentales (también conocidas como interacciones fundamentales) que rigen todas las interacciones de la materia y la energía en el universo.

Estas fuerzas consisten en la fuerza gravitacional (debida a la curvatura del espaciotiempo y descrita por la RG) y los tres campos discretos de la mecánica cuántica -conocidos en conjunto como teoría cuántica de campos (QFT).

Estos campos incluyen la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo, que se ocupan de las partículas subatómicas y sus interacciones, tal y como se describe en el Modelo Estándar de la física de partículas.

Otra forma de verlo es agrupar estas interacciones en un sistema de tres categorías: Fuerzas gravitacionales, electrodébiles y fuertes. Estas dos últimas categorías se dividen en la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética, y en las fuerzas nucleares fundamentales y residuales.

Mientras que la gravedad une planetas, estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias (es decir, el nivel macro), las fuerzas electrodébiles unen átomos y moléculas, mientras que las fuerzas fuertes unen hadrones y núcleos atómicos.

Este es el problema. Los científicos entienden cómo funciona la gravedad en las escalas más grandes, pero no en las más pequeñas. Esto la distingue de todas las demás fuerzas conocidas en el universo, que tienen su correspondiente molécula subatómica.

Para la electricidad y el magnetismo, hay electrones y fotones. Para la fuerza nuclear débil y fuerte, hay bosones, gluones y mesones. Sin embargo, un “gravitón” no existe actualmente, al menos no fuera de lo hipotético.

Y hasta ahora, todos los intentos de encontrar una teoría concluyente de la gravedad cuántica -también conocida como Teoría del Todo (ToE)- han fracasado. Se han propuesto varias teorías para resolverlo -los principales contendientes son la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles-, pero ninguna se ha demostrado aún de forma decisiva.

¿Cómo acabará todo esto?

Bien, esta es la cuestión… tampoco lo sabemos. Por supuesto, la idea de que el universo tuvo un principio conduce naturalmente a la idea de que tendrá un posible final. Si el universo comenzó como un pequeño punto en el espacio-tiempo que de repente se expandió, ¿significa eso que se expandirá para siempre?

O, como también se ha teorizado, ¿dejará de expandirse y empezará a contraerse, convirtiéndose finalmente en una pequeña masa esférica de nuevo? Esta cuestión se ha planteado desde que los cosmólogos debatieron cómo empezó el universo: ¿Big Bang o Estado estacionario?

Antes de las observaciones que mostraban que el universo se expandía a un ritmo acelerado, la mayoría de los cosmólogos estaban divididos sobre el tema. Estos escenarios se conocen como “Big Crunch” y “Big Freeze”.

En el primer caso, el universo se expandirá hasta que se quede sin energía, y entonces comenzará a colapsar. Suponiendo que el universo alcance un punto en el que su densidad de masa sea mayor que su densidad crítica, el universo comenzará a contraerse.

Cuando la densidad del universo es igual o inferior a la densidad crítica, el universo seguirá expandiéndose hasta que la formación de estrellas se detenga. Con el tiempo, todas las estrellas llegan al final de su vida y se convierten en cáscaras muertas o agujeros negros.

Con el tiempo, los agujeros negros colisionarían y formarían agujeros negros cada vez más grandes. Esto llevaría finalmente a la “muerte por calor” en el universo, consumiendo lo último de la radiación electromagnética. Los propios agujeros negros acabarían desapareciendo tras emitir lo último de su radiación Hawking.

Desde los años 90, las observaciones que condujeron a la teoría de la energía oscura han estimulado nuevos debates sobre el destino del universo. Ahora se cree que, a medida que el espacio sigue expandiéndose, más y más del universo observable se encuentra más allá del CMB y se vuelve invisible para los observadores.

Mientras tanto, el CMB seguirá desplazándose hacia el rojo hasta que se haga visible sólo en el rango de las ondas de radio. Finalmente, desaparecerá por completo y los astrónomos no verán más que la negrura más allá del borde visible.

Otra posibilidad es el escenario del “Big Rip”, en el que la expansión continuada acaba por desgarrar todas las galaxias, estrellas, planetas e incluso los propios átomos, provocando la muerte de toda la materia.

¿Grandes crujidos, grandes congelaciones o grandes desgarros? En este momento, no lo sabemos. Lo mismo ocurre con las teorías sobre el origen del universo: ¿fue un Big Bang o más bien un Gran Rebote?

Lo mismo ocurre con nuestros intentos de unificar la gravedad con las demás fuerzas fundamentales. Por el momento, lo mejor que tenemos son teorías que tienen cierta consistencia lógica, pero que siguen sin probarse.

Como dijo Sócrates: “Sólo sé una cosa, y es que no sé nada”. Este conocimiento, se dice, hizo de Sócrates el hombre más sabio de toda la tierra. En el mismo sentido, la comprensión del universo por parte de la humanidad es extrañamente paradójica.

Sabemos que se está expandiendo, pero no estamos seguros de cómo. Sabemos cuánta masa hay ahí fuera, sólo que no podemos ver la mayor parte. Sabemos cómo funciona la gravedad, pero no cómo encaja con las demás fuerzas. No sabemos cómo empezó o terminó, pero tenemos algunas teorías que se ajustan a las pruebas observables.

Así que, aunque hay mucho que no sabemos sobre el universo, al menos tenemos una idea bastante clara de lo que no sabemos. Esto nos da una ventaja sobre las generaciones anteriores de la humanidad, que no sólo eran ignorantes del universo en su conjunto, sino también de su ignorancia.

También estamos en un punto de nuestra evolución tecnológica en el que podemos ver más del universo que nunca, ya sea a la escala más grande o más pequeña. Con instrumentos de última generación, superordenadores y aceleradores de partículas, los científicos están ampliando los límites de lo que podemos ver.

La única manera de superar la ignorancia es saber dónde se encuentra nuestra ignorancia y luego abordarla. En este sentido, ¡la humanidad aprenderá mucho en un futuro próximo!