Hoy en día todos damos por sentadas teorías como la del
desplazamiento de las placas tectónicas o el Big bang. Pero alguna de estas
verdades que hoy en día se nos ofrecen como conocimiento ancestral en nuestras
escuelas, son de hecho descubrimientos bastante recientes. En el caso del Big
bang concretamente, su estatus de teoría estándar para explicar el origen del
universo no se consolida hasta los años 60 del siglo XX. Su ascensión al olimpo
de las grandes teorías científicas fue precedido por una encarnizada batalla
académica entre dos de los astrofísicos con más personalidad del siglo XX y sus
colaboradores, lo que las hace merecedoras de uno de los post de este blog.
Comencemos por el gran detractor de la teoría del Big Bang,
Fred Hoyle. A lo largo de su vida Hoyle demostró además de una enorme
integridad y tenacidad, una intuición científica fuera de lo normal y un gran espíritu de superación.
En un periodo en el que se estaban sentando las bases de nuestro conocimiento
actual del universo, Hoyle fue una de las figuras claves en este desarrollo.
Pero la suerte no acompaño a este gran investigador en el mayor desafío de su
carrera, y paradójicamente hoy en día es conocido principalmente por haber
bautizado a la teoría del Big bang con este nombre tan popular y resultón. Fred Hoyle nació en Inglaterra en 1915, hijo
de un comerciante de telas. Su infancia es la mejor muestra del carácter indomable
que llego a convertirle en uno de los astrónomos más importantes del siglo XX.
Desde muy pequeño Hoyle prefirió aprender por sí mismo que a través de la
autoridad de los adultos. Siendo prácticamente un bebe dedujo por sí mismo como
se leían la manecillas del reloj. Este talante no le hizo muy popular entre sus
profesores en una Gran Bretaña que aún
retenía los valores autoritarios de la época victoriana. Por decisión propia
dejó su primera escuela porque los numerales romanos le parecieron excesivamente
absurdos, teniendo en cuenta que lo bien que funcionan los arábigos. En una
escuela diferente, un día apreció en clase con una flor para demostrar a su
profesor que esta especie en particular, tenía más pétalos de lo que el
profesor había sugerido el día anterior. El docente premió esta capacidad de
observación con un bofetón, por lo que en respuesta, el pequeño Fred dejó la clase para no volver
jamás. En estos periodos Hoyle se dedicaba a andar trasteando por la calle, de
modo que prácticamente aprendió a leer a través de los textos de las películas
de cine mudo.
Afortunadamente, su gran curiosidad sirvió como contrapeso
al desprecio que Hoyle sentía por los establecimientos educativos de su tiempo.
Su interés en la astronomía se despertó siendo aún muy joven, cuando su padre
comenzó a llevarle de visita a la casa de una amigo que poseía un telescopio.
Esta primera chispa de curiosidad le animo a leer el libro “Estrellas y
átomos”, de Arthur Eddington que
confirmó su pasión por la astronomía. Con esta nueva motivación, Hoyle volvió a
las escuelas que tanto odiaba, pero esta vez para destacar por su excelencia
académica. Esta le llevó finalmente a conseguir una beca para la universidad de
Cambridge, en la que se graduó tras ganar un prestigioso premio para
estudiantes de matemáticas, y en la que también obtuvo su doctorado en 1939.
Desde este momento su carrera evolucionó con gran éxito, convirtiéndole en uno
de los astrónomos más importantes de Gran Bretaña.
Nada más comenzar su carrera, Hoyle tuvo que dejarla a un lado para luchar en la II Guerra
Mundial. Durante los años de la guerra trabajo como experto en radares. De esta
forma tuvo la oportunidad de conocer a Thomas Gold y Hermann Bondi, otros dos
físicos que compartían su pasión por la astronomía. De vuelta a casa los tres
comenzaron a colaborar en su investigación y se convirtieron en el equipo
oficial británico en su enfrentamiento con Alpher, Gamow y Herman, su
contrapartida americana y los grandes defensores de la teoría del Big bang. Por
el contrario Hoyle, Gold y Bondi luchaban con todas sus fuerzas por la teoría
del Universo estacionario. A principios del silgo XX, los físicos concebían el
universo como eterno e inmutable. Pero a finales de los años 20, las
observaciones de Edwin Hubble, habían demostrado que las galaxias se alejaban
las unas a las otras a gran velocidad. El universo se estaba expandiendo. Esta
observación había rescatado una oscura teoría desarrollada separadamente por el
físico ruso Frederick Friedmann y el astrónomo y sacerdote Belga George
Lamaitre. Esta idea resultaba repugnante para muchos de los físicos de la
época, pero se ajustaba a las observaciones cosmológicas, mientras que teoría
del universo eterno e inmutable de principios de siglo, no se tenía en pie. Sin
embargo el trio de Cambridge consiguió resucitarla. Según sus cálculos, aun cuando la expansión de las galaxias era
innegable, si existieran zonas en el universo donde la materia se crease
espontáneamente, el universo podría ser a la vez dinámico e inmutable. Su
configuración estaría cambiando constantemente pero para permanecer igual, con
la misma densidad, temperatura y apariencia. De esta forma el universo se
mantiene uniforme a la vez que encaja con las observaciones de Hubble. La
teoría es conocida como el Universo estacionario. Gold, un gran matemático, consiguió que sus
ecuaciones describieran el comportamiento del universo con fidelidad dentro de
su teoría. Además, en aquella época la teoría de Lamaitre y Freidmann , tenía
un gran problema técnico. Al calcular la edad del universo se obtenían unos
2.000 millones de años. Aproximadamente la mitad de la edad que dataciones radioactivas muy fiables daban
para la tierra: 4.000 millones de años. Claramente un universo más joven que
los elementos que hay en él, era concepto un tanto irrisorio.
A lo largo de los años 40 y 50, los astrónomos de todo el
mundo se dividieron entre aquellos que apoyaban una u otra teoría y una gran guerra intelectual se
desato entre los equipos Big Bang (que aún no tenía ese nombre) y Universo
estacionario y sus guerreros. Hoyle avanzó intentado encontrar una forma de
probar su teoría. Su hipótesis a probar era que, si el universo era estático y
la materia se formaba constantemente, deberíamos poder observar galaxias “bebe”
o en formación en la misma proporción a cualquier distancia. Por el contrario,
si el universo provenía de un átomo primigenio, las galaxias en formación solo
se podrían observar en lugares recónditos, ya que la luz de estos sería de hace
millones de años, de cuando estas galaxias estaban aún en formación. Pero en
aquel momento los telescopios no estaban los suficientemente avanzados para
corroborarlo. Por su lado Gamow, el líder del equipo Americano se dedicaba a
mofarse de sus rivales británicos. En
aquella época decía que era lógico que una teoría tan conservadora, proviniese
de un país tan conservador como Gran Bretaña. Otros, como el astrónomo
canadiense Ralp Williamson se animaron a lanzar pullitas, y criticaron la falta
de contacto con el mundo de la observación de Hoyle, Gold y Bondi. A esto Hoyle
respondió que era como decir que uno no puede opinar de hidrodinámica a no ser
que sea fontanero o repartidor de leche. Durante algunos años en lo que no hubo
grandes avances experimentales en favor de una u otra teoría, la puja entre los
dos bandos se redujo a este tipo de enfrentamientos infantiles, mientra
juntaban munición en privado, refinando sus teorías. Es en esta época cuando
Hoyle inadvertidamente le ofrece a la teoría que postulaba la expansión del
universo, conocida en aquel momento como Modelo de evolución dinámica el nombre
que la hizo grande, Big Bang. En 1950, Hoyle es invitado a realizar una serie
de 5 capítulos para BBC radio. El director del programa elige a Hoyle a pesar
de que este era un proscrito para la cadena, dada su tendencia a enfrentarse
con el status quo. El programa resulta ser un gran éxito y hace a Hoyle famosos
entre los oyentes de la BBC. En esta serie, cuando Hoyle se refiere al modelo
expansionista pone un tono de voz despectivo y lo denomina “gran explosión”,
como todos sabemos, big bang en inglés. De este modo esta teoría fue bautizada
por su peor enemigo, que se pasó la vida intentando a acabar con ella. El
nombre, usado inicialmente con la intención de ridiculizar la teoría, resultó
ser enormemente popular y pronto científicos y público en general lo adoptaron.
A este enfrentamiento teórico entre dos modelos de universo
también le debemos el descubrimiento del origen de la materia en su forma más
estable y familiar: los elementos de la tabla periódica. En el momento en que
Einstein postula su teoría de la gravedad que permitirá la revolución
astronómica que desemboca en estas nuevas concepciones del universo chocando
entre ellas, ya conocíamos la mayor parte de los elementos de la tabla
periódica. Pero poco o nada se sabía de su origen. Una teoría coherente
necesitaría explicar cómo se formaron los átomos correspondientes a los
distintos elementos y su proporción en la naturaleza. Las observaciones
espectroscópicas dejaban claro que el elemento más común en el universo es el
hidrógeno (90%) y por detrás de este el
helio en una proporción mucho menor (9%). El resto de elementos representan un
pequeño porcentaje de toda la materia existente (y de entre ellos casi todo
este resto es oxígeno y carbono).
Este es un buen momento para introducir al gran rival
intelectual de Hoyle y líder del “Equipo Big bang”, George Gamow. Este fue
quizás el primero en trabajar seriamente en este problema. Gamow no tenía nada
que envidiar a Hoyle en lo que se refiere a personalidad. Nacido en Ucrania en
1904, Gamow considera su primer experimento científico el análisis de la hostia
consagrada que llevó hasta su casa en el interior de la mejilla para su
análisis. Gamow la observó en el microscopio y no pudo encontrar ninguna
diferencia que implicara que se había convertido en el cuerpo de cristo. Este
carácter irreverente no encajaba dentro del asfixiante clima intelectual
soviético. Gamow estaba muy interesado en la teoría del Big Bang, pero las
autoridades del régimen consideraban que un momento de creación implicaba un
creador, idea que según ellos no encajaba con la dialéctica marxista por lo que
era necesario oponerse a ella (que fuera verdad o no, poco importaba). Gamow
intenta huir del país en varias ocasiones. En el primer intento, el más
aventurero, pretendió cruzar el Mar
Negro con su esposa remando en una canoa. Pero el mal tiempo les obligo a
volver a Rusia. Tras un nuevo intento de escapar en barco por el mar Báltico,
Gamow consigue una autorización para que su esposa le acompañe a la mítica
Conferencia de Solvay. El matrimonio nunca regresó a la Unión Soviética sino
que los Gamow se instalaron en los EEUU. Una vez allí, en una época en la que
todos los físicos de partículas estaban trabajando en el Proyecto Manhattan
para construir la bomba atómica, Gamow no consigue pasar la certificación de
seguridad debido a su nacionalidad. Esto permite le permite dedicarse por
entero a estudiar el problema de la nucleosíntesis, el origen de los átomos.
Para su estudio Gamow se basa en el trabajo de Hans Bethe. Algunos años antes
Bethe había conseguido plantar las bases teóricas de como las estrellas
fusionan hidrógeno para producir Helio. Lo curioso era que este proceso es
extremadamente lento para explicar la relativa abundancia de Helio en el universo.
Esto daba pie a pensar que gran parte de este helio existía desde el mismo
momento de la creación. Si Gamow encontraba una forma coherente resolver este
problema dentro del marco de la teoría del Big Bang este sería un gran paso
hacia delante.
La idea era usar un método parecido al utilizado por Bethe
para explicar la fusión nuclear dentro del sol. Sabiendo la densidad y
temperatura actual del universo, uno puede averiguar la densidad y temperatura
en momento anterior según estas van aumentando con la presión al viajar hacia
el pasado. La idea era brillante, pero los cálculos necesarios eran de una
dificultad terrorífica. Al principio del tiempo, a cada segundo las condiciones
cambian enormemente lo que obliga a modificar las ecuaciones que explican las
reacciones nucleares cada pocos segundos. Las habilidades matemáticas de Gamow
no estaban al nivel de su intuición física y por un tiempo su investigación se
encontró ante un muro infranqueable. Pero finalmente Gamow consiguió encontrar
a la persona adecuada para ayudarle con esta épica investigación. Ralph Alpher
era un joven con un gran talento matemático buscando una oportunidad para
destacar en el mundo académico. Gamow un físico teórico consolidado que tenía
el tipo de reto que le daría la oportunidad de lanzar carrera del joven hacia
delante. Durante tres años, ambos trabajaron duramente hasta que de sus
ecuaciones un patrón maravilloso comenzó a emerger. Según sus cálculos, en los
primeros momentos de la expansión del universo los núcleos atómicos tendrían
demasiada energía como para asentarse en átomos. Pero tras el enfriamiento
producido por la expansión, estos
perderían suficiente energía como para formar hidrógeno y Helio en una
proporción de 10 a 1, exactamente lo observado en el universo real. El
resultado era absolutamente increíble. Pero inexplicablemente, tras un pequeño
revuelo despertado por Alpher presentando el paper como su tesis doctoral, la
comunidad científica presto escaso interés a este descubrimiento. Para más
desgracia de Alpher, que había cargado con la parte más dura del trabajo, él
terminó recibiendo muy poco reconocimiento por este artículo. Esto se debe a
que Gamow le encantaban las bromas. De esta forma consiguió colar a su amigo
Bethe como coautor. La intención era puramente cómica, para que el paper se
llamara Apher, Betha, Gamow, muy similar a las tres primeras letras del
alfabeto griego alfa, beta y gama. Pero para Alpher, aparecer junto a dos
científicos consolidados empequeñeció el papel su aportación. Algunos años
después Alpher acaba dejando el mundo
académico para trabajar como investigador en General Electric. Poco se
imaginaba el que su trabajo convertiría en una de las publicaciones más
importantes en la astronomía del siglo XX y que la bromita de Gamow pasaría a
los libros de historia. Pero el genio de Alpher no se queda ahí. Antes de
pasarse a General Electric, Alpher había estado investigando otro aspecto clave
del Big Bang, junto a otro joven físico Robert Herman, con una menor
implicación de Gamow. Alpher dejaba la investigación del Big Bang sin ser
consciente de que había encontrado la llave para demostrar la existencia del
big bang. Del trabajo de Alpher y Herman se desprendía que la expansión inicial
de universo debería a haber dejado una traza de luz, que tras millones de años
de expansión se habría convertido en microondas de aproximadamente un milímetro
de longitud de onda.
Volviendo a Hoyle, este, en un épico intento por ganar
entendimiento de como se forma la materia esperando encontrar evidencias de su
apreciada teoría, hace un descubrimiento asombroso. Ambas teorías tenían un
gran problema. Ninguna era capaz de explicar la creación de átomos más pesados
que el helio. Los elementos más pesados tienen poca relevancia respecto al
total de la materia observada en el universo, pero no dejan de estar ahí. Hoyle
llevaba muchos años dándole vueltas a este problema y finalmente a final de la
década de los 40, se pone a trabajar en ello seriamente. De este modo descubre
que la fragua donde se crean el resto de elementos son las estrellas más
masivas al morir. Cuando una estrella se queda sin hidrógeno, su principal
combustible que es su motor de fusión
nuclear se para. Mientras que el proceso de fusión está en marcha, la energía
liberada impide que la estrella colapse debido a la gravedad. Pero una vez se
acaba el oxígeno la implosión es inevitable. Sin embargo la implosión en sí
misma hace que la presión aumente y que la fusión nuclear se reinicie, pero
esta vez con el helio como combustible. Este después se agotará provocando un
nuevo colapso, al que seguirá una nueva fase de fusión. Mientras que la
estrella se extiende y colapsa los distintos elementos más pesados se forman,
para después convertirse en la nueva fuente de combustible. Y en cada una de
las explosiones parte de la materia creada sale despedida. Así es como se crean
el resto de los elementos de la tabla periódica. Desafortunadamente para el
modelo del Universo estacionario, este descubrimiento aunque relevante para el
mismo, acabará convirtiéndose en una prueba más respaldando la teoría del Big
Bang. Esta, que ya predecía la abundancia de hidrógeno y helio, ahora tenía una
forma de explicar la creación del resto de elementos dentro de su propio
paradigma.
Durante años Gamow, Hoyle y sus colaboradores habían estado
compitiendo hombro con hombro sin que ninguna de sus teorías consiguiera
sacarle distancia a la otra en la carrera por la aceptación. Pero poco a poco
la teoría del Universo estacionario empezó a sufrir los golpes de nuevas
observaciones con evidencias en su contra. Primero la principal debilidad del
Big Bang, un universo más joven que la tierra,
se fue desvaneciendo. Nuevas mediciones descubrieron errores en las
distancias usadas para estimar la edad del universo. Esta pasó de 2000, más
joven que la tierra a 4000, más o menos la misma edad y más tarde las
distancias se extenderían más aún. Por otro lado, Hoyle había predicho que las
galaxias más jóvenes tendrían que encontrarse a enormes distancias. Las
radiogalaxias, un tipo de galaxia de la que solo observamos sus ondas de radio
y no su luz, eran un gran candidato de galaxia-bebe. Estas resultaban estar
extremadamente lejos favoreciendo la teoría del Big Bang.
Pero el golpe final llaga en 1964 cuando Robert Wilson y
Arno Penzias encuentran accidentalmente un extraño fenómeno mientas trabajan
para calibrar un radioscopio. Mientras intentaban ajustar este para la
observación astonómica, no conseguían deshacerse de un constante ruido de
fondo. Tras armar y desarmar el aparato varias veces buscando el origen de la
interferencia. los dos físicos comienzan a pedir consejo a otros expertos. De
esta forma Wilson y Penzias descubren un paper escrito por Robert Dicke y James
Peebles que describía la interferencia perfectamente. Esta no era otra que la
radiación de fondo del Big Bang, emitida poco después de la creación del
universo. Dicke y Peebles habían llegado independientemente a la misma
conclusión que Alpher, Herman y Gamow años antes. Inicialmente todo el crédito
fue para Dicke y Peebles, pero finalmente Alpher, Herman y Gamow reciben su
parte de reconocimiento.
George Gamow muere cuatros años después de este
descubrimiento, viendo reivindicada su investigación y toda su energía
invertida en el estudio del origen del universo. Hoyle seguirá trabajando en
puestos de dirección en distintas instituciones dedicadas a la astronomía hasta
su jubilación. A pesar de la aplastante evidencia a favor del Big Bang, Hoyle
muere en 2001 convencido de tener razón. De su titánico enfrentamiento nos
queda haber descubierto el origen del universo y como se formaron los elementos
de la tabla periódica de los que todos estamos hechos.
Este artículo está
inspirado en el título “Big Bang” de Simon Singh, del que también se extrae la
mayor parte de la información utilizada en su concepción.
En este video se explica la formación de los átomos de hidrógeno y helio durante el Big Bang:
https://www.youtube.com/watch?v=A8RfvwwdPZQ
En este video se explica la formación de los átomos de hidrógeno y helio durante el Big Bang:
https://www.youtube.com/watch?v=A8RfvwwdPZQ
Imágenes:
Gran post!
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