El Universo Estacionario. Una explicación  física

Entre las más importantes hipótesis competidoras al modelo del Big Bang,  la más concurrente dentro de los espacios de discusión en los círculos, no sólo de físicos y especialistas calificados, sino que también en los de otras disciplinas, es la llamada el «Modelo del Estado Estacionario (Steady State)» que fue esgrimida por el matemático y astrofísico teórico británico Fred Hoyle, y apoyada por dos de sus colegas de origen austriaco, Thomas Gold y Hermann Bondi.  "El universo siempre ha sido y siempre será como hoy; permanece en estado estacionario. Nunca empezó y nunca tendrá fin..." Propugnaron filosóficamente esta teoría sobre la base del "principio cosmológico perfecto". La versión original del principio cosmológico, fundamental para la teoría del Big Bang, sostiene que para cualquier observador el universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio. La versión perfectibilizada expande los parámetros para incluir también el tiempo, lo que implica que el universo debe presentar la misma cara en cualquier momento, pasado, presente o futuro. Este principio no se mantiene, según Hoyle y sus colegas, en la teoría del Big Bang, pero sí se cumple si el estado del universo fuera estacionario, alimentado por una producción constante de materia en forma de átomos de hidrógeno. El tipo de materia en producción aún no habría sido precisado.

Matemáticamente, Hoyle y sus colegas, fundamentaron su propuesta en una modificación de la relatividad general. Sus ecuaciones producen un universo en expansión  con una densidad constante, en el que la materia-energía no diferenciada se crea a una velocidad relacionada en las ecuaciones con ritmo de expansión. Para llenar los espacios vacíos dejados por las galaxias en dispersión, nace permanentemente nueva materia, creada de la energía existente, a razón de 1 átomo por cada 500 decímetros cúbicos (1/2 m³) de espacio y por cada 1.000 millones de años.

Los partidarios del Estado Estacionario del Universo también estudiaron el problema que éste presenta en cuanto a la imposibilidad de explicar científicamente la producción de elementos pesados. Desde mediado de los años de 1940, Hoyle había estado contemplando la posibilidad de que los elementos se formaran por reacciones nucleares, o nucleosíntesis, dentro de las estrellas, y había publicado un ensayo desarrollando la hipótesis. Cuando empezó a trabajar en la teoría del Estado Estacionario, se fue convenciendo, cada vez más, de que la creación espontánea de la materia en alguna forma elemental, junto con la producción de otra materia en los crisoles estelares, explicaba la existencia de todos los elementos de la tabla periódica. En consecuencia, no existía ninguna razón como para pensar que el universo había partido de una gran explosión de un único átomo primigenio.

Fred Hoyle se unió a un grupo de investigadores que estaban trabajando sobre la cuestión de la relativa abundancia de elementos en las superficies de las estrellas. En conjunto, estructuraron un exhaustivo estudio de los elementos que se acumulan en los núcleos estelares. En un denso trabajo que publicaron en octubre de 1957 en Review of Modern Physics, bajo el título de «Síntesis de los elementos de las estrellas», lograron explicar la abundancia de prácticamente todos los isótopos de los elementos desde el hidrógeno hasta el uranio. Describieron que las estrellas, en la medida que van gastando su combustible nuclear, transmutan el hidrógeno en helio; el helio a carbono y oxígeno; y así sucesivamente, subiendo hasta llegar a los más pesados de la tabla periódica. En las explosiones de las supernovas se crean muchos de los elementos más pesados, incluidos el platino, el oro y el uranio. Este trabajo que es un importante logro científico, no sólo explicó la síntesis de todos los elementos más allá del hidrógeno, sino que predijo su formación exactamente en las mismas proporciones que ocurrían en el universo. Pero quedó por explicar la cuestión del hidrógeno: Cómo se genera el combustible inicial de las estrellas. 

En términos generales, los primeros partidarios del Estado Estacionario involucran en su propuesta la formulación de una nueva cosmología, que restablece la estabilidad del universo. En esta teoría se admite el movimiento de recesión de las galaxias. Pero se compensa el enrarecimiento del universo con la hipótesis de una continua creación de materia. Así, a pesar de la expansión, la densidad del cosmos (galaxias y átomos) permanece invariable, y el  universo puede ser estático y eterno.

Este modelo del Estado Estacionario o «Steady State» ha sido y es bastante popular entre los científicos, y goza de un número más que apreciable de adeptos que continúan sosteniéndolo hasta hoy  con nuevos argumentos. Pero es la teoría del Big Bang la más defendida y difundida por las instituciones científicas, políticas y religiosas.  Se fundamenta principalmente en las leyes de Hubble, la densidad del universo y su relación con el tiempo.

Para estimar la edad aproximada de las galaxias las observaciones de Hubble sugirieron un cálculo sencillo: Conociendo la distancia y velocidad de las galaxias, sólo era necesario calcular el tiempo que  demoraron en alcanzar esas distancias a la velocidad que se ha estimado que se alejan, para tener una idea aproximada sobre su edad.

Pero, los primeros cálculos que se hicieron usando este método dieron como edad estimada para el cosmos alrededor de 1.800 millones de años, lo que resultaba claramente inferior a la que se conocía para el sistema solar (4.500 millones de años). Posteriormente, gracias a una readaptación de la escala de las distancias, se pudo obtener edades cósmicas consecuentes con los estudios geológicos de la Tierra.

Según la teoría del Big Bang, el origen de la radiación observada hoy en nuestro universo [una temperatura de 2,7°K (-270°C)], se encuentra en las emisiones generadas por un cuerpo caliente a temperaturas homogéneas. Ese cuerpo isotermo estaría disperso en la escala del cosmos y la radiación provendría uniformemente de todas las direcciones.

De lo que conocemos de nuestro universo, nada puede ser distinguido como fuente indiscutible de esa radiación. De todos los objetos que se  han clasificado a través de las observaciones astronómicas, ninguno reúne las condiciones de isotermia de esta radiación, llámense galaxias, quásares, estrellas, planetas, nebulosas, ya que ellos presentan temperaturas de escala disímil. Pues, entonces ¿de dónde viene esa radiación?  Según los defensores del Big Bang, proviene del pasado, y lo describen de la siguiente manera:

Corramos hacia atrás la proyectora de la historia del universo. En la medida en que vamos observando un aumento de la temperatura y de la densidad, iremos viendo a los astros deshacerse y dispersarse en el espacio en una nube ardiente, homogénea e isoterma. Esta sustancia incandescente es la fuente de la radiación fósil y fue emitida cuando el universo estaba a cerca de tres mil grados K, hace unos quince mil millones de años. El universo tenía entonces casi un millón de años y estaba  estructurado en un 90% de átomos de hidrógeno. Se ha experimentado que a 3.000°K, la agitación térmica ioniza estos átomos. Su materia toma la forma de un plasma eléctrico, compuesto de protones (el núcleo del átomo de hidrógeno) y de electrones libres, quedando como una sustancia opaca a la luz. Cuando la temperatura empieza a descender por debajo de los 3.000°K, los electrones se fijan a los protones. Un gas de hidrógeno comienza a invadir el universo y a hacerse transparente a la luz. La radiación fósil se emite en ese momento, comenzando su largo periplo de miles de millones de años luz.

Todo fósil tiene almacenado en su memoria el pasado de su existencia. Se puede describir el universo hasta fracciones de segundo después de iniciada su evolución y se espera que para mediados de la primera década del siglo XXI, se puedan crear condiciones en los laboratorios más allá de las logradas hasta ahora (desde los 10 microsegundos) que no se han repetido desde las primerísimas fracciones del primer micro segundo que siguieron a la creación del universo. En los residuos que se generan en los laboratorios, a partir de los experimentos de hacer chocar entre sí protones, y habiéndose desagregado ya de la materia el plasma de quark-gluones, los físicos experimentales esperan hallar una partícula nunca antes detectada, llamada Higgs. Se supone que esa partícula, al explosionar inmediatamente después del Big Bang , hace unos 14.999 millones de años, cuando todas las fuerzas del cosmos eran un sólo campo simétrico y unificado, actuó igual que un combo de hierro al golpear un espejo, destrozando la perfecta simetría y repartiendo esta masa de escombros en diferentes clases de partículas elementales, como los electrones. Esto se extrae de la hipótesis del Big Bang. Ahora, si no se descubre la partícula Higgs, no cabe duda que va a ser motivo de cuestionamientos, no sólo para la hipótesis de la gran explosión, sino también para el modelo de fuerzas y materias y sus variantes.  

Concluyendo:   

En los últimos tiempos se han formulado múltiples teorías con bastante semejanza entre sí o se han reformulado otras que parecían destinadas a ser olvidadas. Sin embargo, el acelerado y vasto progreso tecnológico y las consecuentes nuevas y más precisas observaciones de todos los día, han permitido elaborar nuevas tesis argumentadoras a favor o en contra de teorías preexistentes o a poner en jaque a algunos teorizantes.

Desde la década de los años 1950 los argumentos esgrimidos en contra de la hipótesis del Big Bang se centran en objeciones filosóficas y la mayoría en razonamientos científicos. Estas últimas siempre representan una actualización en función de las observaciones directas. Como ya señalamos antes, la teoría del Big Bang  describe la evolución del universo hasta un tiempo de más o menos de 10 microsegundos después de la gran explosión inicial, pero no  llega al segundo cero. Si fuera posible que la física lo lograra en el futuro,  nuestra concepción del espacio-tiempo podría ser alterada nuevamente de modo radical. Ahora bien,  supongamos que llegamos al espacio-tiempo cero, surge la pregunta: ¿qué ocurre en ese instante?. El cómo ocurre es una pregunta que debe estar dentro del campo de la física.  La pregunta sobre qué hay antes de ese instante cero, para la ciencia no tiene ningún sentido. Hay gente que cree que sí debe tenerlo y busca un camino que permita encontrarlo. Hay quienes dicen que es un acto de creación divina, pero si no creemos en Dios  es factible concluir que el universo tiene un un principio y un final, entonces los tiempos anteriores al inicial no existen: no hay espacio, no hay tiempo, no hay materia, no hay energía, otra vez  estamos fuera de la física. Pero no se ha demostrado nada que pueda situarse fuera de la física. De ahí la apuesta fundamental de Hoyle y sus colegas: explicar el Universo a partir de la física, con la física y sin salirse de la física. Esa también es nuestra apuesta.