La cosmología es una disciplina singular que se propone describir el cosmos desde su instante inicial hasta su eventual instante final. La teoría del Big Bang es el modelo cosmológico más aceptado en la actualidad para explicar el origen y la evolución del universo. Es el modelo predominante para los períodos conocidos más antiguos del universo y su posterior evolución a gran escala.
El modelo estándar afirma que el universo se hallaba en un estado de muy alta densidad y temperatura y luego se expandió. Mediciones modernas datan este momento hace aproximadamente 13 800 millones de años, que sería por tanto la edad del universo.
¿Qué es el Big Bang?
En cosmología, se entiende por Big Bang, o Gran Explosión en español, al comienzo del universo, es decir, el punto inicial del cual surgió la materia, el espacio y el tiempo. Según la teoría del Big Bang, hace unos 13.800 millones de años, el universo, concentrado en un ínfimo y a su vez infinitamente pequeño punto que albergaba toda la materia, explotó para después enfriarse a medida que se expandía.
Esta expresión proviene de la explicación que la teoría propone del inicio de todas las cosas: un estado originario de altísima densidad y temperatura, concentrado en un punto mínimo. En una fase de mayor inflación, el tiempo, el espacio y la materia tal como los conocemos comenzaron a existir.
Michio Kaku ha señalado cierta paradoja en la denominación Big Bang (gran explosión). En cierto modo no puede haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del espacio-tiempo; habría sido el mismo Big Bang lo que habría generado las dimensiones desde una singularidad.
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El Origen del Nombre
El término proviene del astrofísico Fred Hoyle, que lo utilizó a modo de burla. Irónicamente, el término "Big Bang" fue acuñado originalmente como un término de burla por el astrónomo Fred Hoyle, quien encontró preposterous la idea del universo explotando de un solo átomo o "huevo cósmico", como lo sugirió George Lemaître. También lo llamó originalmente átomo primigenio o huevo cósmico el astrofísico y sacerdote Georges Lemaître.
Postulados y Evidencias Empíricas de la Teoría del Big Bang
En general se consideran tres las evidencias empíricas que apoyan la teoría cosmológica del Big Bang. Estas son: la expansión del universo que se expresa en la ley de Hubble y que se puede apreciar en el corrimiento hacia el rojo de las galaxias, las medidas detalladas del fondo cósmico de microondas, y la abundancia de elementos ligeros.
La Expansión del Universo y la Ley de Hubble
Según esta teoría, el universo se halla en una expansión constante, como han evidenciado numerosas observaciones astronómicas. Desde que Georges Lemaître observó por primera vez, en 1927, que un universo en permanente expansión debería remontarse en el tiempo hasta un único punto de origen, los científicos se han basado en su idea de la expansión cósmica.
En 1929, a partir del análisis de corrimiento al rojo de las galaxias, Edwin Hubble concluyó que las galaxias se estaban distanciando, lo que es una prueba observacional importante consistente con la hipótesis de un universo en expansión. Hubble descubrió que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades (relativas a la Tierra) directamente proporcionales a su distancia.
De la observación de galaxias y cuásares lejanos se desprende la idea de que estos objetos experimentan un corrimiento hacia el rojo, lo que quiere decir que la luz que emiten se ha desplazado proporcionalmente hacia longitudes de onda más largas. Esto se comprueba tomando el espectro de los objetos y comparando, después, el patrón espectroscópico de las líneas de emisión o absorción correspondientes a átomos de los elementos que interactúan con la radiación. En este análisis se puede apreciar cierto corrimiento hacia el rojo, lo que se explica por una velocidad recesional correspondiente al efecto Doppler en la radiación.
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En otras palabras, el espacio-tiempo pasa a ser dinámico: la expansión del Universo no es un desplazamiento de materia en el espacio, sino una dilatación del espacio mismo. Su expansión hace que aumente la distancia física entre dos puntos fijos del universo. Sin embargo, cuando los objetos están vinculados entre sí (por ejemplo, a través de una galaxia), no se alejan con la expansión del tiempo y el espacio, porque se supone que las leyes de la física que los gobiernan son uniformes e independientes del espacio métrico.
Radiación Cósmica de Fondo de Microondas (CMB)
Una de las predicciones de la teoría del Big Bang es la existencia de la radiación cósmica de fondo, radiación de fondo de microondas o CMB (Cosmic microwave background). El universo temprano, debido a su alta temperatura, se habría llenado de luz emitida por sus otros componentes. En 1964 se descubrió la radiación de fondo cósmico de microondas, que es también una prueba crucial en favor del modelo del Big Bang, ya que esta teoría predijo la existencia de la radiación de fondo en todo el universo antes de que se descubriera.
Este fondo difuso de fotones, radiación proveniente de todas las direcciones del cielo, descubierto en 1965 y actualmente observado con inigualada precisión por el satélite europeo Planck (1), atestigua el período de intenso calor que experimentó el universo después del Big Bang, confirmando así el núcleo del modelo. Finalmente, la radiación fósil, verdadera primera luz del universo, se comporta exactamente de acuerdo a lo esperado. Mientras el universo se enfriaba debido a la expansión, su temperatura habría caído por debajo de 3000 K.
Abundancia de Elementos Ligeros y Nucleosíntesis Primordial
La abundancia de elementos químicos en el universo concuerda con las predicciones de la física nuclear en un escenario de tipo Big Bang. Después de la expansión inicial, el universo se enfrió lo suficiente para permitir la formación de las partículas subatómicas y más tarde simples átomos.
Con esta cifra en mente, Ralph Alpher y George Gamow intentaron durante los años 1940 y 1950 explicar la existencia y síntesis de estos dos importantes átomos. Más tarde protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Nubes gigantes de estos elementos primordiales se unieron más tarde debido a la gravedad y formaron estrellas y galaxias.
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Marco Teórico: La Relatividad General
En paralelo a esos fundamentos experimentales, el modelo del Big Bang se desplegó gracias a la edificación de un notable marco teórico: la relatividad general, que explica la naturaleza profunda del espacio y el tiempo. La teoría de Albert Einstein sobre la relatividad general (segunda década del siglo XX) no admite soluciones estáticas (es decir, el universo debe estar o bien en expansión o bien en contracción), resultado que él mismo consideró equivocado, y trató de corregirlo agregando la constante cosmológica.
Ella demuestra -y ésta es una revolución enorme- que el espacio-tiempo ya no es el lugar en el que se desarrollan los fenómenos, sino que él mismo es un fenómeno. En 1968 y 1979, los tres astrofísicos británicos Stephen Hawking, George Ellis y Roger Penrose publicaron artículos en que extendieron la teoría de la relatividad general de Einstein para incluir las mediciones del tiempo y del espacio (Teoremas de singularidades de Penrose-Hawking). De acuerdo con sus cálculos, el tiempo y el espacio tuvieron un inicio finito que corresponde al origen de la materia y de la energía.
El Universo Temprano: Inflación Cósmica y Recalentamiento
No obstante, justo antes de que el Big Bang lanzara al Universo hacia su constante expansión, los físicos creen que existió otra fase aún más explosiva que precedió a ese universo primitivo que estaba a punto de florecer de manera abrupta. Los científicos se refieren a esta fase como la Inflación Cósmica, y afirman que duró menos de una billonésima de segundo. Aproximadamente 10-35 segundos después del tiempo de Planck un cambio de fase causó que el universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica.
Durante este período que duró el instante de un instante, la materia, una masa fría y homogénea, se infló rápida y exponencialmente antes de encender la chispa que desencadenaría los procesos por los cuales, el Big Bang se encargó de expandir y diversificar -más lentamente- un universo recién nacido.
Un puente entre teorías: Observaciones recientes han apoyado independientemente tanto las teorías del Big Bang como de la Inflación Cósmica. Sin embargo, los dos procesos se presentan tan radicalmente diferentes entre sí, que para los científicos suponía un auténtico rompecabezas encontrar un nexo de unión entre ambos.
Ahora los físicos del MIT, junto con los de otros centros de investigación, han simulado en detalle una fase intermedia del universo primitivo que pudo haber constituido un estadio intermedio entre la Inflación Cósmica y el Big Bang. Esta, conocida como "Fase de Recalentamiento", hubo de acontecer al final de la Inflación Cósmica y se presume que involucró los procesos que llevaron la materia fría y uniforme de la Inflación a convertirse en caldo energético, caliente y complejo dio el pistoletazo de salida al Big Bang. "Este período de Recalentamiento posterior a la Inflación establece las condiciones para el Big Bang, y en cierto sentido pone el "Bang" en el Big Bang", explica David Kaiser, profesor de física en el MIT. "Supone el momento en el cual todo el infierno se desata y la materia se comporta de cualquier forma menos de un modo simple", añade.
De este modo, Kaiser y sus colegas simularon en detalle cómo múltiples formas de materia habrían interactuado durante este período caótico al final de la inflación. Sus simulaciones muestran que la energía extrema que impulsó la Inflación podría haberse redistribuido con la misma rapidez, en una fracción aún menor de un segundo, y de una manera que produjo las condiciones que habrían sido necesarias para el inicio del Big Bang. "Esto nos permite contar una historia ininterrumpida, desde la Inflación hasta el Big Bang y más allá", continua Kaiser.
Desafíos y Preguntas Abiertas
Pero el modelo es imperfecto y tropieza con tres cuestiones importantes.
Materia Oscura y Energía Oscura
Primero, la masa del Universo es en su mayor parte de naturaleza desconocida. Peor aún, se puede demostrar que esa “materia negra” no está constituida por partículas identificadas en la física de altas energías. O sea que el enigma es doble: cosmológico, por tratarse del componente dominante del Universo, y corpuscular, porque hay que descubrir nuevas partículas aún no catalogadas.
La más convincente consiste en suponer una nueva simetría fundamental de la Naturaleza (llamada supersimetría): una relación entre las partículas que constituyen la materia (quarks, electrones…) y las que vehiculizan las interacciones (por ejemplo, electromagnéticas o nucleares). De esta elegante hipótesis debería derivar la existencia de corpúsculos pesados y estables que podrían constituir la materia negra del Universo, alrededor de sesenta veces más abundante que la materia directamente visible. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el universo es la materia oscura fría.
El universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Luego, hace unos diez años, algunas observaciones confiables demostraron que la expansión del universo era cada vez más rápida (3). ¿Cómo puede acelerarse el universo si la única fuerza que opera a gran escala, la gravedad, es una fuerza de atracción? Esta pregunta da lugar a una actividad teórica y observacional más intensa porque la energía asociada a esa aceleración es dos veces mayor que la de la materia negra.
La Singularidad del Big Bang y la Gravedad Cuántica
Finalmente, el Big Bang mismo, en tanto instante original, es fundamentalmente incomprensible. ¿Qué puede significar ese comienzo increado y matemáticamente ambiguo? Esto representa una predicción de la relatividad general, mientras que precisamente a partir de ese momento la teoría deja de ser válida por una simple razón: ignora las lecciones de la mecánica cuántica, física del microcosmos que demuestra que a pequeña escala todo se hace discontinuo, que las partículas elementales están dotadas de ubicuidad y que la visión determinista (una causa produce un efecto seguro) debe reemplazarse por la concepción probabilística (una causa produce un efecto probable).
Conciliar relatividad general y física cuántica es una tarea extraordinariamente difícil, a la que se consagraron los más brillantes pensadores desde hace un siglo. En el «primer instante», la teoría gravitacional de Einstein predice una singularidad en donde las densidades son infinitas. Si las leyes conocidas de la teoría de la relatividad general se extrapolan más allá del punto donde son válidas, encontramos una singularidad, es decir, un punto al que matemáticamente nos podemos acercar más y más, pero sin llegar a él. Para resolver esta paradoja física, hace falta una teoría de la gravedad cuántica.
Isotropía y Homogeneidad del Universo
Una dificultad de los modelos cosmológicos de tipo Big Bang es explicar el carácter isótropo del universo y su distribución homogénea de materia y radiación de acuerdo con el principio cosmológico (Problema del horizonte).
Perspectivas Actuales y Modelos Alternativos
El enfoque más logrado, que no requiere ninguna hipótesis revolucionaria, es seguramente la gravedad cuántica de bucles (4). Esos bucles formarían una fina malla que no estaría en el espacio sino que constituiría el espacio mismo, conformado por pequeños “átomos” elementales en los que viviríamos. Aplicado al Universo, este modelo transforma radicalmente nuestra visión cosmológica: el Big Bang, la singularidad primitiva, desaparece, y es sustituido por “un gran rebote”. En otras palabras, existiría un “antes del Big Bang”, un espacio en contracción que habría rebotado en el momento en que su densidad se hizo gigantesca, dando nacimiento así a la expansión actualmente observada.
Pero existe otro enfoque, la teoría de las cuerdas (5), que invita a formular la vertiginosa pregunta de la existencia de universos múltiples. En efecto, la inflación -aumento considerable del “tamaño” del Universo en sus primeros instantes- habría creado no uno, sino una infinidad de universos-burbuja, estructurados según leyes físicas distintas (dictadas por las cuerdas), eventualmente muy distantes de las que rigen nuestra propia burbuja. Más allá, mundos sin luz, mundos sin materia, mundos de diez dimensiones… Cada universo-burbuja tendría su propio Big Bang, tal vez su propia dimensionalidad.
Por ejemplo, a principios de la década de 2020, algunos investigadores habían avanzado un modelo cíclico del Big Bang. Este modelo abordó algunas inconsistencias lógicas y científicas en las teorías prevalecientes sobre los orígenes del universo. El modelo cíclico del Big Bang argumentaba que hubo una fase antes del momento del Big Bang. Esta fase preliminar incluía múltiples ciclos repetitivos de contracción y expansión, y también definía la forma del universo.
Desarrollo Histórico y Contribuciones Clave
La teoría del Big Bang no tiene un único autor, sino que es el resultado de aportes de varios científicos a lo largo del siglo XX. A continuación, se presenta una cronología de algunas de las contribuciones más importantes:
| Año(s) | Científico/Evento | Contribución clave |
|---|---|---|
| 1915 | Albert Einstein | Su teoría de la relatividad general no admite soluciones estáticas para el universo. |
| 1922 | Alexander Friedmann | Utilizó la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. |
| 1927 | Georges Lemaître | Propuso la idea de un “átomo primigenio” que dio origen a la expansión del universo. |
| 1929 | Edwin Hubble | Descubrió galaxias que se alejaban unas de otras, fundamental para la expansión del universo. |
| 1948 | George Gamow | Planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión. |
| 1949 | Fred Hoyle | Acuñó el término "Big Bang" a modo de burla. |
| 1964-1965 | Descubrimiento de la Radiación Cósmica de Fondo de Microondas (CMB) | Una prueba crucial en favor del modelo del Big Bang, confirmando sus predicciones. |
| 1968, 1979 | Stephen Hawking, George Ellis y Roger Penrose | Publicaron teoremas de singularidades, extendiendo la relatividad general para el inicio del tiempo y espacio. |
| Hace ~10 años | Observaciones de supernovas tipo 1a | Demostraron que la expansión del universo era cada vez más rápida. |
| 2021 | James Webb Space Telescope (JWST) | Observó galaxias y posibles agujeros negros formándose antes de lo esperado, planteando preguntas sobre la expansión cósmica. |