las especulaciones generales sobre la naturaleza del mundo son tan antiguas como los filósofos presocráticos griegos, pero una cosmología verdaderamente científica no podría formularse hasta que hubiera algún conocimiento de las leyes básicas de la naturaleza. El descubrimiento de Isaac Newton de la gravedad universal de la ley del cuadrado inverso proporcionó la primera oportunidad seria para tal esfuerzo. Debido a que la gravedad es atractiva, un problema inmediato fue explicar por qué el universo no colapsó sobre sí mismo., Los movimientos planetarios impidieron que esto sucediera en el sistema solar, pero ¿qué pasa con las «estrellas fijas»? La primera respuesta sugerida fue que en un universo de extensión infinita, poblado uniformemente por Estrellas, las fuerzas atractivas en diferentes direcciones se anularían entre sí, dando equilibrio.
sin embargo, había un problema con la idea de un cosmos ilimitado. Cada línea de visión tendría que terminar en algún lugar de la superficie de una estrella. En 1823 Wilhelm Olbers señaló que esto implicaría que el cielo nocturno estaba en todas partes uniformemente brillante., La resolución moderna de esta paradoja se basa en el hecho de que la velocidad finita de la luz y la edad finita del universo juntas significan que solo un número finito de estrellas son realmente visibles para nosotros.
Un descubrimiento importante fue hecho a finales del siglo XVIII por Sir William Herschel. Descubrió que la banda de luz conocida como la Vía Láctea en realidad está compuesta por una multitud de estrellas, constituyendo una vasta galaxia de la cual el sistema solar es solo un pequeño componente. Los primeros especuladores, incluido Immanuel Kant (1724-1804), habían propuesto que este podría ser el caso., También sugirieron que los parches luminosos llamados nebulosas podrían ser otros «universos insulares», similares a la Vía Láctea, pero a grandes distancias de ella. La cuestión no se resolvió finalmente hasta el siglo XX, pero la idea ya estaba en el aire de que la realidad creada podría ser mucho más vasta de lo que se había supuesto anteriormente.
Las distancias a las estrellas cercanas se pueden medir por paralaje, el ligero cambio en la posición celeste aparente a medida que la Tierra se mueve alrededor de su órbita., Más allá de ese rango, la estimación de la distancia depende del establecimiento de una vela estándar, una fuente de luz de intensidad conocida cuya atenuación observada permite medir su distancia. Las estrellas de brillo regularmente fluctuante, llamadas variables cefeidas, proporcionan esta medida, ya que se sabe que su brillo intrínseco está estrictamente correlacionado con el período de su variación. En 1924 Edwin Hubble usó este método para establecer que la nebulosa de Andrómeda es una galaxia distante, ahora conocida por estar a unos dos millones de años luz de distancia de la Vía Láctea.,
Hubble luego pasó a hacer su mayor descubrimiento. La luz de galaxias distantes se encuentra enrojecida en comparación con la misma luz de una fuente terrestre. Esto se interpreta como debido al efecto del movimiento recesivo, y el grado de enrojecimiento inducido se correlaciona con la velocidad de la recesión. El efecto (desplazamiento Doppler) es similar al cambio en la frecuencia de una sirena de ambulancia debido al movimiento del vehículo. Hubble descubrió que la velocidad a la que una galaxia está retrocediendo es proporcional a su distancia., Esto fue entonces interpretado como un efecto debido a la expansión del espacio mismo. Así como las manchas en la superficie de un globo se alejan unas de otras a medida que el globo se infla, así como el espacio se expande lleva las galaxias con él. El descubrimiento de Hubble del universo en expansión tuvo un profundo efecto sobre el desarrollo de la teoría cosmológica.
cosmología relativista
Newton consideraba el espacio como un contenedor dentro del cual el movimiento de los átomos materiales tenía lugar en el curso del flujo del tiempo absoluto., El descubrimiento de Albert Einstein de la teoría de la relatividad general cambió completamente esta imagen.
en 1908 Einstein tuvo lo que consideraba su pensamiento más feliz. Se dio cuenta de que si cayera libremente, sería completamente inconsciente de la gravedad. Esta observación aparentemente insignificante lo llevó a reconocer el principio de equivalencia, que se encuentra en la raíz de la relatividad general., Hay dos significados conceptualmente distintos de la masa: la masa inercial (que mide la resistencia de un cuerpo a tener su estado de movimiento cambiado) y la masa gravitacional (que mide la fuerza de la interacción del cuerpo con un campo gravitacional). A pesar de su distinción conceptual, estas dos medidas son siempre numéricamente idénticas. Cuantitativamente, la masa inercial y gravitacional son equivalentes. Esto implica que todos los cuerpos se mueven de la misma manera en un campo gravitacional., Duplicar la masa duplicará la resistencia inercial a un cambio de movimiento, pero también duplicará la fuerza gravitacional que efectúa el cambio. En consecuencia, el movimiento resultante es el mismo. Este comportamiento universal significa que los efectos de la gravedad en los cuerpos individuales pueden ser reinterpretados como una consecuencia general de las propiedades del espacio mismo, o más exactamente, teniendo en cuenta el descubrimiento anterior de Einstein de la estrecha asociación mutua de la relatividad especial del espacio y el tiempo, las propiedades del espacio-tiempo de cuatro dimensiones., Los conceptos de espacio, tiempo y materia, mantenidos muy distintos por Newton, fueron unidos por Einstein en un solo paquete. Convirtió la física gravitacional en Geometría. La materia curva el espacio-tiempo y la curvatura del espacio-tiempo a su vez afecta las trayectorias de la materia. No hay tiempo sin espacio y sin materia, un punto que Agustín había realizado quince siglos antes.
Einstein se puso a trabajar para descubrir las ecuaciones que darían expresión cuantitativa a su idea. La búsqueda fue larga, pero en noviembre de 1915 los atacó., Inmediatamente pudo demostrar que predecían una pequeña desviación en el comportamiento del planeta Mercurio, que ya se había observado pero que había desafiado la explicación newtoniana. Más tarde, en 1919, las observaciones de un eclipse solar total confirmaron otra predicción, relacionada con la flexión de la luz estelar por el sol. De la noche a la mañana Einstein se convirtió en la imaginación del público en el héroe científico icónico.
esta integración del espacio, el tiempo y la materia en una sola teoría brindó la oportunidad de construir un relato verdaderamente científico de todo el universo. Sin embargo, parece haber un problema., En ese momento, los físicos todavía creían que la teoría cosmológica debería producir una imagen estática. La física iba a ser la última de las ciencias en reconocer el verdadero significado de la temporalidad y el proceso de desarrollo. Los geólogos habían llegado allí a finales del siglo XVIII, y a mediados del siglo XIX los biólogos, con la publicación del origen de las especies de Charles Darwin en 1859, habían seguido su ejemplo. A principios del siglo XX, los físicos todavía mantenían la noción aristotélica de un cosmos eternamente inmutable. Einstein no pudo encontrar una solución estática de sus ecuaciones., En consecuencia, cuando publicó sus propuestas cosmológicas en 1918, jugueteó con las ecuaciones, agregando un término adicional (la constante cosmológica). Representaba una especie de antigravedad, una fuerza repulsiva diseñada para contrarrestar a grandes distancias la fuerza de atracción de la gravedad convencional.
Einstein más tarde llamó a esta adición el mayor error de su vida., Había perdido la oportunidad de predecir un universo en expansión, ya que sus ecuaciones no modificadas tenían soluciones (descubiertas por el meteorólogo ruso Alexander Friedmann y el sacerdote belga Georges Lemaître) que correspondían al comportamiento observado más tarde por el Hubble. Por otra parte, su solución estática propuesta no funcionó realmente, ya que era inestable y se habría derrumbado bajo la perturbación.
cosmología del Big Bang
si las galaxias se están separando actualmente, entonces en el pasado deben haber estado más juntas., Esto lleva a la conclusión de que el universo que observamos hoy parece haber surgido del Big Bang, un estado primitivo de materia inmensamente condensada y energética. Las estimaciones actuales datan esta emergencia en 13.7 mil millones de años atrás.
tomado literalmente, el Big Bang en sí es un instante de densidad y energía infinitas, una singularidad que está más allá del poder de la ciencia convencional para analizar. (Algunas ideas altamente especulativas sobre el universo muy temprano, cerca del Big Bang, serán discutidas a continuación., Aunque algunas personas religiosas (incluido el Papa Pío XII) sucumbieron a la tentación de hablar del Big Bang como «el momento de la creación», esto fue claramente un error teológico. La doctrina Judeo-Cristiana-Islámica de la creación se refiere al origen ontológico (¿por qué hay algo más que nada?), en lugar de origen temporal (¿cómo comenzó todo?). Dios es tan creador hoy como lo era hace 13.7 mil millones de años. La cosmología del Big Bang es muy interesante científicamente, pero no es críticamente significativa teológicamente.,
sin embargo, tres cosmólogos, Hermann Bondi, Fred Hoyle y Thomas Gold, temían que la cosmología del Big Bang pudiera favorecer a la religión, por lo que en la década de 1960 propusieron una teoría alternativa del estado estacionario, la imagen de un universo eterno siempre ampliamente igual. Este retorno a las ideas aristotélicas se reconcilió con la recesión de las galaxias por la suposición de la creación continua de materia, que tuvo lugar a un ritmo demasiado pequeño para ser observado, pero suficiente con el tiempo para llenar los vacíos dejados por el movimiento de las galaxias ya existentes., Otros resultados observacionales han eliminado esta idea.
a medida que el universo se expande, se enfría. En el momento en que tenía un microsegundo de antigüedad, su temperatura ya estaba en el nivel donde los procesos cósmicos que tenían lugar tenían energías lo suficientemente bajas como para que los científicos poseyeran una comprensión confiable de su naturaleza. La discusión se simplifica aún más por el hecho de que el universo primitivo era casi uniforme y carente de estructuras, lo que lo convierte en un sistema físico muy simple de considerar.,
para cuando tenía unos tres minutos de antigüedad, el universo se había enfriado hasta el punto de que las interacciones nucleares cesaron a escala cósmica. Como resultado, la estructura nuclear bruta del mundo se fijó en lo que todavía es hoy, tres cuartos de hidrógeno y un cuarto de helio. Para cuando el cosmos tenía aproximadamente medio millón de años, el enfriamiento adicional lo había llevado al punto donde la radiación ya no era lo suficientemente energética como para romper cualquier átomo que intentara formarse. La materia y la radiación luego se desacoplaron y esta última simplemente se enfrió más a medida que la expansión cósmica continuaba., Hoy Esta radiación es muy fría, tres grados por encima del cero absoluto. Fue observado por primera vez en 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson. Conocida como radiación de fondo cósmico, forma un depósito fosilizado remanente de la era del big bang, que nos dice cómo era el universo cuando tenía medio millón de años. Una de las cosas que aprendemos es que el cosmos era entonces muy uniforme, con fluctuaciones sobre la densidad media que ascendían a no más de una parte en diez mil., Esta radiación de fondo pagó a la teoría del estado estacionario, que no podía explicar sus propiedades de la manera natural que era posible para la cosmología del Big Bang.
La gravedad tiene el efecto a largo plazo de mejorar las pequeñas fluctuaciones. Un poco más de materia aquí que allí produjo un poco más de atracción aquí que allí, lo que desencadenó un efecto de bola de nieve por el que el universo finalmente se convirtió en bulto con galaxias y estrellas. Por una era cósmica de mil millones de años, este proceso estaba en pleno apogeo. A medida que las estrellas se condensaban, se calentaban y las reacciones nucleares comenzaban de nuevo a escala local., Inicialmente, las estrellas se queman al convertir hidrógeno en helio. En una etapa posterior del desarrollo estelar, los elementos más pesados, como el carbono y el oxígeno, se forman mediante procesos nucleares adicionales. Dentro de una estrella esta secuencia no puede ir más allá del hierro, la más estable de las especies nucleares. Al final de sus vidas, sin embargo, algunas estrellas explotan como supernovas, no solo dispersando los elementos que han divisado en el medio ambiente, sino también, en el propio proceso explosivo, generando los elementos que faltan más allá del hierro. De esta manera, los noventa y dos elementos químicos eventualmente estuvieron disponibles., Uno de los grandes triunfos de la astrofísica del siglo XX fue desentrañar los detalles de los delicados procesos de la nucleosíntesis. Cuando se formó una segunda generación de estrellas y planetas, había disponible un ambiente químico suficientemente rico para permitir el desarrollo de la vida. Así comenzó uno de los desarrollos más notables en la historia cósmica que conocemos. Con el eventual amanecer de la autoconciencia el universo se volvió consciente de sí mismo.,
el principio antrópico
a medida que los científicos llegaron a comprender los procesos evolutivos de la historia cósmica, comenzaron a darse cuenta de que la posibilidad para el desarrollo de la vida basada en el carbono dependía críticamente de los detalles de las leyes de la naturaleza que realmente operan en el universo. A la colección de ideas que apuntan a esta conclusión se le ha dado el nombre de principio antrópico, aunque el principio del carbono habría sido una mejor opción, ya que es la Generalidad de la vida, en lugar de la especificidad del Homo sapiens, lo que está involucrado., Se han dado muchos ejemplos de estas «afinaciones antrópicas».»
uno es proporcionado por los procesos Estelares por los cuales se han formado los elementos necesarios para la vida. Cada átomo de carbono en cada cuerpo vivo estuvo una vez dentro de una estrella, y el proceso por el cual se hizo ese carbono depende críticamente de los detalles cuantitativos de la física nuclear. Tres núcleos de helio tienen que combinarse para hacer carbono. Uno esperaría un proceso de dos pasos, dos Helios primero fusionándose para formar berilio, y luego un tercer helio siendo agregado para hacer carbono., Sin embargo, hay un problema porque el berilio es muy inestable y esto hace que el segundo paso sea problemático. De hecho, solo es posible porque resulta que hay un efecto de mejora sustancial (una resonancia) que ocurre exactamente en la energía correcta. Si las fuerzas nucleares fueran diferentes de lo que realmente son, esta resonancia estaría en el lugar equivocado y no habría carbono en absoluto. Cuando Hoyle descubrió esta notable coincidencia, sintió que no podía ser solo un feliz accidente, sino que debe haber algo de inteligencia detrás de él.
Los ejemplos se pueden multiplicar., El desarrollo de la vida en un planeta depende de que su estrella proporcione una fuente de energía confiable y de larga vida. Las estrellas Arden de esta manera en nuestro universo porque la fuerza de la gravedad es tal que lo permite. La afinación antrópica más exigente se relaciona con la constante cosmológica de Einstein. El pensamiento moderno ha revivido esta noción, pero su fuerza tiene que ser extremadamente débil para evitar que el universo colapse o se aparte. Muchos cosmólogos creen que la fuerza (generalmente llamada energía oscura) está realmente presente, pero a un nivel que es solo 10-120 de lo que uno consideraría como su valor natural., Cualquier cosa más grande que este pequeño número habría hecho la evolución de la vida, o cualquier estructura cósmica compleja, absolutamente imposible.
estas ideas científicas no son controversiales, pero lo que su significado metascientífico más profundo podría considerarse ha sido muy discutido. Pocos están dispuestos a tratar estas coincidencias antrópicas como simples accidentes felices, por lo que dos propuestas explicativas contrastantes han sido ampliamente examinadas., Uno ve el universo como una creación divina, explicando su especificidad finamente afinada como una expresión de la voluntad del creador de que debería ser capaz de tener una historia fructífera. El otro es el enfoque multiverso, suponiendo que este universo en particular es solo un miembro de una vasta cartera de diferentes mundos existentes, cada uno separado el uno del otro y cada uno posee sus propias leyes y circunstancias naturales. Nuestro universo es simplemente el de esta inmensa matriz cósmica donde, por casualidad, el desarrollo de la vida basada en el carbono es una posibilidad., Aunque hay ideas científicas altamente especulativas que podrían hasta cierto punto alentar el pensamiento multiversal (ver más abajo), la prodigalidad inobservable del enfoque multiversal hace que parezca una propuesta metafísica de considerable extravagancia, que parece hacer solo una pieza de trabajo explicativo para desactivar la amenaza del teísmo.
El Universo muy temprano
cuanto más cerca intentan los científicos presionar al Big Bang, más extremos son los regímenes involucrados y, por lo tanto, más especulativos son sus pensamientos.,
muchos creen que cuando el universo tenía unos 10-36 segundos de edad, se produjo una especie de ebullición del espacio, llamada inflación, que expandió el universo en gran medida y con inmensa rapidez. La idea no solo está apoyada por algunos argumentos teóricos, sino que también gana credibilidad a través de su capacidad para explicar algunos hechos significativos sobre el universo., Una es la isotropía cósmica: la radiación de fondo parece prácticamente la misma en todas las direcciones a pesar del hecho de que el cielo contiene muchas regiones que, en una simple extrapolación al Big Bang, nunca habrían estado en contacto causal entre sí. En un panorama inflacionario, sin embargo, estas diferentes regiones derivan de un dominio inicialmente mucho más pequeño donde habría habido el contacto causal necesario para producir uniformidad de temperatura y densidad., La inflación también habría tenido un efecto suavizante, explicando así la homogeneidad a gran escala del universo y el estrecho equilibrio entre los efectos expansivos y gravitacionales que se observa realmente (y que, de hecho, es otra ne-cesidad antrópica).
mucho más especulativo es el intento de entender la era de Planck, antes de 10-43 segundos, cuando el universo era tan pequeño que tiene que ser entendido mecánicamente cuántica. La unificación adecuada de la teoría cuántica y la relatividad general no se ha logrado., En consecuencia, hay muchos relatos hipotéticos diferentes de la cosmología cuántica. Un tema frecuente es que los universos pueden surgir continuamente de la inflación de las fluctuaciones en el UR-vacío de la gravedad cuántica, y nuestro universo es solo un miembro de este multiverso proliferante. La afirmación de que este proceso representaría la capacidad de la ciencia para explicar la creación de la nada, es simplemente un abuso del lenguaje. Un vacío cuántico es un medio altamente estructurado y activo, muy diferente del nihil.,
destino cósmico
en la escala más grande, la historia del cosmos implica un tira y afloja entre las tendencias expansivas del Big Bang y la fuerza contractiva de la gravedad. Si al final gana la gravedad, lo que comenzó con el Big Bang terminará en el big crunch, a medida que el universo colapse sobre sí mismo. Si la expansión gana (la opción actualmente favorecida), el universo continuará expandiéndose para siempre, volviéndose progresivamente más frío y más diluido, eventualmente decayendo en un gemido moribundo prolongado.,
en su pensamiento escatológico, la teología debe tener en cuenta estos pronósticos científicos confiables de la eventual futilidad del proceso actual. En última instancia, un simple optimismo evolutivo no es una posibilidad viable.
Véase también
física y religión.
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