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¿Hacia dónde se expande el universo si ya es infinito? – Mael, 10 años, Missoula, Montana
Cuando horneas una hogaza de pan o una tanda de magdalenas, viertes la masa en un molde. Al hornearse, la masa se expande y llena el molde. Las chispas de chocolate o los arándanos en la masa de las magdalenas se separan más a medida que esta se expande.
La expansión del universo es similar en algunos aspectos. Sin embargo, esta analogía tiene un fallo: mientras que la masa se expande dentro del molde, el universo no tiene dónde expandirse. Simplemente se expande sobre sí mismo.
Puede parecer un rompecabezas, pero el universo es todo lo que hay dentro del universo. En un universo en expansión, no existe la sartén. Solo existe la masa. Incluso si existiera la sartén, formaría parte del universo y, por lo tanto, se expandiría junto con ella.
Incluso yo, profesor de física y astronomía que lleva muchos años estudiando el universo, encuentro estas ideas difíciles de comprender. No te encuentras con nada parecido en la vida cotidiana. Es como preguntar cuál es la dirección norte del Polo Norte.
Otra forma de conceptualizar la expansión del universo es imaginar otras galaxias alejándose de la nuestra, la Vía Láctea. Los científicos saben que el universo se está expandiendo porque pueden rastrear otras galaxias a medida que se alejan de la nuestra. Definen la expansión utilizando la velocidad a la que se alejan otras galaxias. Esta definición les permite imaginar la expansión sin necesidad de un objeto hacia el cual expandirse.
El universo en expansión
El universo nació en el Big Bang hace 13.800 millones de años. La teoría del Big Bang describe el origen del universo como una singularidad extremadamente densa y caliente. Este diminuto punto experimentó repentinamente una rápida expansión llamada inflación, lo que provocó que cada rincón del universo se expandiera hacia afuera. Sin embargo, el nombre "Big Bang" es engañoso. No fue una explosión gigantesca, como sugiere el nombre, sino un período en el que el universo se expandió rápidamente.
El universo se condensó y enfrió rápidamente, comenzando a crear materia y luz. Finalmente, evolucionó hasta convertirse en lo que hoy conocemos como nuestro universo.
La idea de que nuestro Universo no es estático y puede expandirse o contraerse fue publicada por primera vez por el físico Alexander Friedmann en 1922. Él confirmó matemáticamente que el Universo se está expandiendo.
Aunque Friedmann demostró que el universo se estaba expandiendo, al menos en algunos lugares, fue Edwin Hubble quien profundizó en la velocidad de dicha expansión. Muchos otros científicos confirmaron que otras galaxias se alejaban de la Vía Láctea, pero en 1929, Hubble publicó su famoso artículo, que confirmaba que todo el universo se estaba expandiendo y que la velocidad de esta expansión se estaba acelerando.
Este descubrimiento sigue desconcertando a los astrofísicos. ¿Qué fenómeno permite que el Universo supere la fuerza de la gravedad que lo mantiene unido y, al mismo tiempo, se expanda, atrayendo los objetos entre sí? Y, además, la velocidad de su expansión se acelera con el tiempo.
Muchos científicos utilizan una imagen visual llamada cono de expansión para describir cómo se ha acelerado la expansión del universo desde el Big Bang. Imagina un cono profundo con un borde ancho. El lado izquierdo del cono —el extremo más estrecho— representa el comienzo del universo. A medida que te desplazas hacia la derecha, avanzas en el tiempo. La expansión del cono simboliza la expansión del universo.
El vórtice de expansión demuestra claramente cómo la tasa de expansión del universo ha aumentado con el tiempo. El Big Bang se muestra en el lado izquierdo del vórtice, y desde entonces el universo se ha estado expandiendo cada vez más rápido. NASA
Los científicos aún no han podido medir directamente la fuente de energía que impulsa esta expansión acelerada. No han logrado detectarla ni medirla. Debido a que no pueden ver ni medir directamente este tipo de energía, la denominan energía oscura.
Según los modelos de los investigadores, la energía oscura debería ser la forma de energía más abundante en el Universo, representando aproximadamente 681 TP3T de toda la energía del Universo. La energía derivada de la materia ordinaria, que compone la Tierra, el Sol y todo lo que vemos, representa solo unos 51 TP3T de toda la energía.
Fuera del embudo de expansión
¿Qué hay, entonces, fuera del embudo de expansión?
Los científicos no tienen pruebas de la existencia de nada más allá del universo conocido. Sin embargo, algunos predicen que podrían existir múltiples universos. Un modelo que incorpore múltiples universos podría resolver algunos de los problemas que los científicos enfrentan con los modelos actuales de nuestro universo.
Uno de los principales problemas de la física moderna es que los investigadores no pueden integrar la mecánica cuántica, que describe cómo funciona la física a escalas muy pequeñas, y la gravedad, que rige la física a gran escala.
Las reglas que rigen el comportamiento de la materia a pequeña escala dependen de la probabilidad y de cantidades de energía cuantizadas o fijas. A esta escala, los objetos pueden aparecer y desaparecer. La materia puede comportarse como una onda. El mundo cuántico es muy diferente de cómo lo percibimos.
A gran escala, lo que los físicos denominan mecánica clásica, los objetos se comportan como esperamos en la vida cotidiana. Los objetos no están cuantizados y pueden poseer una cantidad continua de energía. Los objetos no aparecen ni desaparecen sin dejar rastro.
El mundo cuántico se comporta como un interruptor de luz, donde la energía solo tiene dos modos: encendido y apagado. El mundo que vemos e interactuamos actúa como un regulador de intensidad, permitiéndonos controlar el nivel de energía.
Sin embargo, los investigadores se topan con problemas al intentar estudiar la gravedad a nivel cuántico. A escalas pequeñas, los físicos tendrían que asumir que la gravedad está cuantizada. Pero muchos estudios realizados por ellos no respaldan esta idea.
Más allá de la Vía Láctea se extiende un universo en expansión infinita. DECaPS2/DOE/FNAL/DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA, M. Zamani y D. de Martin vía AP
Una forma de integrar estas teorías es mediante la teoría del multiverso. Existen numerosas teorías que van más allá de nuestro universo actual para explicar cómo interactúan la gravedad y el mundo cuántico. Entre las principales teorías se encuentran la teoría de cuerdas, la cosmología de branas, la teoría cuántica de bucles y muchas otras.
Sin embargo, el Universo seguirá expandiéndose y la distancia entre la Vía Láctea y la mayoría de las demás galaxias aumentará con el tiempo.
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Este artículo se reproduce de The Conversation, un medio de comunicación independiente y sin ánimo de lucro que ofrece información veraz y análisis fiables para ayudarle a desenvolverse en nuestro complejo mundo. Por Nicole Granucci., Universidad de Quinnipiac.
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Nicole Granucci no trabaja para, ni asesora, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna empresa u organización que pudiera beneficiarse de este artículo, y no ha revelado ninguna afiliación relevante más allá de su cargo académico.