Posteado por: J | abril 16, 2010

Las teorías cosmogónicas de los años 50: Lemaître, Gamow, Hoyle

En la formulación de Friedman y Robertson de los modelos de Universo procedentes de la Relatividad General aparecía la figura de una singularidad, de un instante inicial originario del Universo actual. La aparición de una singularidad origen del Universo no dejaba de plantear graves problemas teóricos, centrados en las condiciones que debieron existir para que el Universo actual se desarrollase a partir de un estado anterior por completo desconocido y, sobre todo, por la ruptura de la vigencia de las leyes físicas entre ambas etapas; pues en el estado anterior a dicha singularidad las leyes físicas por las que se rige el Universo actual dejarían de tener sentido. Surgieron así en los años 50 dos grandes teorías cosmogónicas enfrentadas entre sí, que trataban de dar una explicación coherente del origen del Universo. De una parte, los defensores de la existencia de un estado inicial o gran explosión, representados por Georges Lemaître y George Gamow. De otra parte, los defensores de la Teoría del Estado Estacionario, representados por Fred Hoyle y Jayant Narlikar, que propugnaban que los elementos químicos presentes en el Universo encontraban su origen en las estrellas.

Para Lemaître el problema cosmogónico se encontraba profundamente ligado al problema cosmológico, al problema de la estructura del Universo actual. En el modelo de Universo propugnado por Lemaître la cuestión del instante inicial aparecía como un elemento de primer orden; en efecto, se trataba de un Universo cerrado y elíptico, regido por las ecuaciones de campo modificadas por Einstein, y en expansión indefinida cuyo inicio se remontaría en el tiempo hasta un instante inicial originario. Tanto Lemaître como Eddington se decantaron por la opción expansiva del Universo. Para Lemaître el movimiento general del Universo podía haberse generado a partir de una ruptura accidental de la uniformidad cósmica, debida a la formación de una condensación local provocada por efecto de la gravitación. La expansión se habría iniciado indirectamente por la condensación, su origen más directo se encontraría en lo que él denominaba “estancamiento”, por el cual la condensación ya formada absorbería energía cinética, provocando la disminución de la presión en las regiones vecinas dando lugar, finalmente, a la expansión.

Dicha formulación chocaba con una seria dificultad, a saber: ¿cómo conjugar la expansión global del Universo con los procesos de condensación locales, como las galaxias, las estrellas y los amontonamientos de galaxias? Parecía, pues, que se producían en el Universo dos procesos simultáneos: la expansión global del Universo y, por otra parte, la condensación en regiones locales del Universo. Fue en 1931 en un coloquio sobre la evolución del Universo, cuando Lemaître expuso por vez primera su teoría cosmogónica, conocida como teoría del átomo primitivo, en ella se trataban de solventar las dificultades anteriormente mencionadas, mediante la postulación de que el Universo no arrancaría del estado de equilibrio, sino que sobrepasaría dicho estado por lo que la causa de la expansión se encontraría en la persistencia de un proceso inicial, cuyo origen se encontraría en un estado singular de condensación extrema de la materiaenergía, obviando de esta manera el problema de la ruptura del equilibrio. Surgió así la idea de un átomo primitivo en el que se concentraría toda la masa del Universo en un núcleo originario, cuya estructura energética vendría definida por un quantum único, que condensaría la energía cósmica en su nivel más alto.

Según la teoría cosmogónica de Lemaître, el átomo primitivo contendría toda la materia del Universo en forma de partículas nucleares, sus dimensiones serían las de una esfera de radio igual a la distancia que separa la Tierra del Sol; la forma de la materia en el átomo primitivo sería un haz de rayos cósmicos, del que aún subsistirían algunos restos; esta fase constituiría, según Lemaître, la primera etapa cosmogónica, en la que la materia se encontraría bastante diluida: una parte en forma de nubes gaseosas, y, otra parte, en forma de rayos cósmicos (que recorrerían el espacio en todas las direcciones). Una segunda fase cosmogónica se desarrollaría a partir de las nubes cósmicas, que darían lugar a la formación de las galaxias, las estrellas y los amontonamientos de galaxias.

Otro firme defensor de la teoría de la gran explosión, fue George Gamow, creador del modelo cosmológico del big bang. Gamow era un claro partidario de la Relatividad General y de sus implicaciones cosmológicas. En la teoría cosmogónica de Gamow, al igual que en la de Lemaître, el Universo actual encuentra su origen en una singularidad inicial caracterizada por un estado singular de la materiaenergía, a partir de la cual se iniciaría la expansión del mismo, fruto de lo que denominó big bang. Según Gamow se distinguirían tres etapas del Universo, por lo demás bastante similares a las etapas de la teoría de Lemaître. En la primera, caracterizada por la gran explosión (big bang), dominaría el proceso de nucleosíntesis (de formación y reparto cuantitativo de los distintos elementos químicos a partir de la agregación de partículas elementales); la segunda etapa sería la de la condensación de la materia en estrellas y galaxias; y, finalmente, la tercera y última etapa, coincidiría con el estado actual del Universo, en la que los grandes procesos cósmicos habrían finalizado y el Universo se encontraría dominado por la expansión, en un proceso que terminaría con la dispersión indefinida del sistema de galaxias y la lenta extinción de las estrellas.

Para Gamow la idea de un instante inicial se imponía con fuerza no sólo porque se encontrase contenida en las ecuaciones de la cosmología relativista, sino también porque explicaba las abundancias cósmicas de los distintos elementos químicos, mediante la aplicación de la física nuclear, constituyéndose este último argumento en la más firme defensa de la teoría del big bang según su autor. Con objeto de dar una respuesta satisfactoria a la desigual abundancia de los elementos químicos en el Universo actual, Gamow, Alpher y Herman propugnaron la existencia de un gas homogéneo de neutrones, que dominaría las etapas iniciales del Universo inmediatamente después del big bang. La nucleosíntesis se desarrollaría así a partir de la captura de neutrones y la degeneración de los neutrones en protones y electrones. El modelo cosmológico vendría determinado en las etapas iniciales del Universo por el nivel de la temperatura, de la densidad de materia y de la densidad de radiación, conforme nos acercásemos al momento de la gran explosión estos tres indicadores irían aumentando exponencialmente.

La teoría cosmogónica del big bang, desarrollada por Gamow, Alpher y Herman entre 1946 y 1950 fue la que finalmente se impuso, una vez que fue reformulada en 1965 por James Peebles y Robert Henry Dicke, eliminando las dificultades que subyacían en la teoría originaria. Sin embargo entre 1953 y 1965 la teoría cosmogónica del big bang sufrió un cierto abandono, del que sólo salió a partir del descubrimiento del fondo de radiación de microondas por Arno Allan Penzias y Robert Woodrow Wilson en 1965.

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