El Universo en expansión Ana María Morales Coronado Universidad Nacional de Colombia Física Moderna

Durante miles de años, los astrónomos lucharon arduamente para responder preguntas básicas acerca del tamaño y de la edad del universo. ¿El universo sigue por siempre o tiene un borde en algún lugar? ¿Existió siempre, o comenzó en algún momento, en el pasado?

Los antiguos griegos reconocieron que era difícil imaginar cómo sería un universo infinito. Pero ellos también percibieron que si el universo era finito y uno asoma la mano fuera del borde, ¿a dónde irá a parar su mano? Los dos problemas de los griegos referentes al universo representan una paradoja: el universo, sea tanto finito como infinito, presentaba problemas.

Luego de la aparición de la astronomía moderna, otra paradoja comenzó a desafiar a los astrónomos. A comienzos del siglo XIX, el astrónomo alemán Heinrich Olbers argumentó que el universo debía ser finito. Si el universo fuese infinito y si poseyese estrellas en toda su extensión, Olbers dijo, entonces si se observa en cualquier dirección, su línea visual eventualmente deberá ser interrumpida por la superficie de alguna estrella. A pesar de que el tamaño aparente de una estrella, en el cielo, se vuelve más pequeño a medida que la distancia a la estrella se acrecienta, el brillo de esa pequeña superficie permanece constante. Por lo tanto, si el Universo fuese infinito, la superficie total del cielo nocturno debería ser tan brillante cuanto una estrella, en particular. Obviamente, hay zonas oscuras en el cielo, entonces el universo debe ser finito.

Cuando Isaac Newton descubre la ley de la gravedad, él percibe que la gravedad es siempre atractiva. Cada objeto en el universo atrae a todos y cada uno de los restantes objetos. Si el universo realmente fuese finito, las fuerzas de atracción de todos los objetos del universo deberían causar que el universo entero colapse sobre sí mismo.

Cuando Einstein desarrolla su teoría de la gravedad en la teoría general de la relatividad, pensó que se enfrentaba con el mismo problema con que se había enfrentado Newton: sus ecuaciones decían que el universo debería estar expandiéndose o colapsando y, en cambio, él supuso que el universo estaba estático.

En 1929, Edwin Hubble midió el desplazamiento al rojo para numerosas galaxias distantes. Él también midió sus distancias relativas, midiendo los brillos aparentes de una clase de estrellas variables llamadas Cefeidas, en cada galaxia. Cuando graficó el desplazamiento al rojo frente a la distancia relativa, encontró que el desplazamiento al rojo de las galaxias distantes se incrementaba en función de su distancia, en forma lineal. La única explicación para esta observación era que el Universo se estaba expandiendo.

El universo en expansión es finito tanto en tiempo como en espacio El universo en expansión es finito tanto en tiempo como en espacio. La razón por la cual el universo no colapsa, como las ecuaciones de Newton y de Einstein decían que debería ocurrir, es que se está expandiendo desde el momento de su creación. El universo está en un estado de cambio constante.

Propiedades del Universo en expansión Las ecuaciones del universo en expansión tienen tres soluciones posibles se los llama, respectivamente, universo abierto, plano o cerrado.

universo abierto Si el universo fuese abierto, se expandiría para siempre.

universo plano Si el universo fuese plano, también se expandiría para siempre, pero la tasa de expansión se frenaría a cero luego de transcurrido un tiempo infinito.

universo cerrado SI el universo fuese cerrado, podría, eventualmente, parar de expandirse y volver a colapsar sobre sí mismo, posiblemente dando lugar a otra big bang.