Hace aproximadamente un siglo, los científicos se esforzaban por conciliar lo que parecía una contradicción en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.
Publicada en 1915 y ya ampliamente aceptada en todo el mundo por físicos y matemáticos, la teoría suponía que el universo era estático, es decir, que no cambiaba, no se movía y era inmutable.
En pocas palabras, Einstein creía que el tamaño y la forma actuales del universo eran, más o menos, los mismos de siempre.
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Pero cuando los astrónomos observaron en el cielo nocturno galaxias lejanas con potentes telescopios, vieron indicios de que el universo era cualquier cosa menos eso.
Estas nuevas observaciones sugerían lo contrario: que se estaba expandiendo.
Los científicos no tardaron en darse cuenta de que la teoría de Einstein no afirmaba que el universo tuviera que ser estático, sino que también podía apoyar un universo en expansión.
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De hecho, utilizando las mismas herramientas matemáticas que la teoría de Einstein, los científicos crearon nuevos modelos que demostraban que el universo era, de hecho, dinámico y evolucionaba.
Llevo décadas intentando comprender la relatividad general, incluso en mi trabajo actual como profesor de física impartiendo cursos sobre el tema.
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Sé que hacerse a la idea de un universo en constante expansión puede resultar desalentador, y parte del reto consiste en anular nuestra intuición natural sobre el funcionamiento de las cosas.
Por ejemplo, es difícil imaginar que algo tan grande como el universo no tenga un centro, pero la física dice que esa es la realidad.
El espacio entre las galaxias
En primer lugar, definamos qué se entiende por “expansión”.
En la Tierra, “expansión” significa que algo está creciendo. Y con respecto al universo, eso es más o menos cierto.
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Expansión también podría significar que “todo se aleja de nosotros”, lo que también es cierto en relación con el universo. Si apuntamos un telescopio a galaxias lejanas, todas parecen alejarse de nosotros. Es más: cuanto más lejos están, más rápido parecen moverse.
Esas galaxias también parecen alejarse unas de otras. Así que es más exacto decir que todo en el universo se está alejando de todo lo demás, todo a la vez. Esta idea es sutil pero fundamental.
Es fácil pensar en la creación del universo como si fueran fuegos artificiales: empieza con un big bang, y luego todas las galaxias del universo salen volando en todas las direcciones desde algún punto central.
Pero esa analogía no es correcta. No sólo implica falsamente que la expansión del universo partió de un único punto, lo cual no es cierto, sino que también sugiere que las galaxias son lo que se mueve, lo cual no es del todo exacto.
No son tanto las galaxias las que se alejan unas de otras, sino el espacio entre ellas, el tejido del propio universo, que se expande a medida que pasa el tiempo.
En otras palabras, no son las propias galaxias las que se desplazan por el universo, sino que es el propio universo el que las aleja a medida que se expande.
Una analogía común es imaginar que se pegan unos puntos en la superficie de un globo. Al irlo inflando, éste se expande y, como los puntos están pegados a la superficie, se alejan.
Aunque parezca que se mueven, en realidad permanecen exactamente donde los pusiste y la distancia entre ellos aumenta simplemente en virtud de la expansión del globo.
Ahora piensa que los puntos son galaxias y el globo es el tejido del universo, y empezarás a hacerte una idea.
Desgraciadamente, aunque esta analogía es un buen comienzo, tampoco capta bien los detalles.
La cuarta dimensión
Respecto de cualquier analogía es importante comprender sus limitaciones.
Algunos defectos son obvios. Por ejemplo, un globo es tan pequeño que cabe en la mano, pero el universo no.
Otro defecto es más sutil. El globo tiene dos partes: su superficie de látex y su interior lleno de aire.
Estas dos partes del globo se describen de forma diferente en el lenguaje matemático. La superficie del globo es bidimensional. Si camináramos por ella, podríamos movernos hacia delante, hacia atrás, a la izquierda o a la derecha, pero no hacia arriba o hacia abajo sin salirnos de la superficie.
Puede parecer que estamos nombrando cuatro direcciones —adelante, atrás, izquierda y derecha—, pero sólo son movimientos a lo largo de dos trayectorias básicas: de lado a lado y de delante hacia atrás. Eso es lo que hace que la superficie sea bidimensional: longitud y anchura.
El interior del globo, en cambio, es tridimensional, por lo que podrías moverte libremente en cualquier dirección, incluso hacia arriba o hacia abajo: longitud, anchura y altura.
Aquí es donde radica la confusión. Lo que consideramos el “centro” del globo es un punto situado en su interior, en el espacio lleno de aire que hay bajo la superficie.
Pero en esta analogía, el universo se parece más a la superficie de látex del globo. El interior del globo, lleno de aire, no tiene equivalente en nuestro universo, por lo que no podemos utilizar esa parte de la analogía: sólo importa la superficie.
Así que preguntar dónde está el centro del universo, es algo así como preguntar: “¿Dónde está el centro de la superficie del globo?”. Sencillamente, no lo hay.
Podrías viajar a lo largo de la superficie del globo en cualquier dirección, durante todo el tiempo que quisieras, y nunca llegarías a un lugar que pudieras llamar su centro, porque en realidad nunca dejarías la superficie.
De la misma manera, podrías viajar en cualquier dirección en el universo y nunca encontrarías su centro porque, al igual que la superficie del globo, simplemente no lo tiene.
Parte de la razón por la que esto puede resultar tan difícil de comprender se debe a la forma en que se describe el universo en el lenguaje de las matemáticas.
La superficie del globo tiene dos dimensiones y su interior, tres. Pero el universo existe en cuatro dimensiones, porque no se trata sólo de cómo se mueven las cosas en el espacio, sino de cómo se mueven en el tiempo.
Nuestros cerebros están diseñados para pensar en el espacio y el tiempo por separado. Pero en el universo, están entrelazados en un único tejido, llamado “espacio-tiempo”.
Esa unificación cambia el funcionamiento del universo con respecto a lo que espera nuestra intuición.
Y esta explicación ni siquiera empieza a responder a la pregunta de cómo es posible que algo se expanda indefinidamente: los científicos siguen tratando de descifrar qué impulsa esta expansión.
Al preguntarnos por el centro del universo, nos enfrentamos a los límites de nuestra intuición.
La respuesta que encontramos —todo, expandiéndose por todas partes, todo a la vez— es un atisbo de lo extraño y hermoso que es nuestro universo.
*Rob Coyne es profesor de física de la Universidad de Rhode Island. (I)
