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RetoSiglo21
Un Universo cíclico atraviesa fases de expansión y contracción, de manera que cada expansión es indistinguible del nacimiento de un Universo nuevo. Las tres posibilidades futuras para el Universo son que sea abierto (y esté destinado a expandirse para siempre, rosa), que sea plano (y que la expansión se frene hasta detenerse, azul) o que sea cerrado (y que la expansión se invierta, verde). Algunos cosmólogos llaman punto alfa al origen del Universo en el espacio-tiempo, y punto omega a su conclusión. Si las constantes de la física de cada nuevo Universo pueden adoptar valores de verdad aleatorios, hay una pequeña probabilidad de que un solo Universo albergue las condiciones necesarias para la vida.
laGranIdea
B
¿ Qué forma tiene el espacio ? C
Un cosmos cerrado no solo está limitado hoy, sino que también está acotado en su desarrollo futuro; en algún instante, la gravitación vencerá a la expansión que comenzó con la Gran Explosión y empezará a forzar que las cosas vuelvan a juntarse. En un futuro lejano, el Universo se volverá cada vez más denso y empezará a aumentar de temperatura hasta que todo vuelva a concentrarse de nuevo en un estado supercaliente y superdenso denominado Gran Implosión (o Big Crunch). Este colapso no ocurriría hasta dentro de billones de años y culminaría con un rebote espaciotemporal para crear una nueva Gran Explosión (posiblemente una nueva fase de un Universo cíclico infinito), pero significaría un final definitivo para el Universo tal como lo conocemos.
Según la teoría del universo cíclico, nuestro Universo no sería más que uno dentro de un ciclo eterno, que un sucesor reemplazaría a la larga en una nueva Gran Explosión.
B
C
Radio del Universo
Abierto
Plano
Punto alfa 0
Ahora
Punto omega Tiempo
CONCLUSIÓN
Cerrado
Giles Sparrow
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Matthew Taylor
Agradecimientos: Gracias a Katja por sus tés y su comprensión permanentes, y a mis padres John y Judy, por su apoyo inquebrantable.
Título original What Shape is Space? Edición Matthew Taylor Texto Giles Sparrow Traducción Dulcinea Otero-Piñeiro Revisión de la edición en lengua española David Galadí-Enriquez Astrónomo. Doctor en Física
Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer
Primera edición en lengua española 2019 © 2019 Naturart, S.A. Editado por BLUME Carrer de les Alberes, 52, 2.o, Vallvidrera 08017 Barcelona Tel. 93 205 40 00 e-mail: info@blume.net © 2018 Thames & Hudson Ltd, Londres © 2018 de las imágenes, véanse páginas 138-140 ISBN: 978-84-17757-34-2 Impreso en Eslovenia Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
WWW.BLUME.NET Este libro se ha impreso sobre papel manufacturado con materia prima procedente de bosques de gestión responsable. En la producción de nuestros libros procuramos, con el máximo empeño, cumplir con los requisitos medioambientales que promueven la conservación y el uso responsable de los bosques, en especial de los bosques primarios. Asimismo, en nuestra preocupación por el planeta, intentamos emplear al máximo materiales reciclados y solicitamos a nuestros proveedores que usen materiales de manufactura cuya fabricación esté libre de cloro elemental (ECF) o de metales pesados, entre otros.
RetoSiglo21
laGranIdea
¿ Qué forma tiene el espacio ?
Giles Sparrow Matthew Taylor
Contenido
Introducción
6
1. Cartografiar el espacio
18
2. El universo en expansión
34
3. El factor Omega
64
4. La forma del multiverso
92
Conclusión
120
Lecturas adicionales
136
Créditos de las imágenes
138
Índice
141
Agradecimientos
144
A
El sistema geocéntrico (centrado en la Tierra) de Tolomeo se impuso en astronomía durante más de un milenio, de tal modo que sobrevivió al Imperio romano y se convirtió en una parte integrante de la doctrina eclesiástica antes de que nuevos hallazgos empezaran a socavarla con fuerza.
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INTRODUCCIÓN
A comienzos del siglo XVI, en medio de la efervescencia intelectual de la Reforma, Nicolás Copérnico se atrevió a difundir por primera vez sus ideas heréticas sobre un sistema heliocéntrico o centrado en el Sol. Copérnico situó el Sol, y no la Tierra, en el centro del sistema solar, y los planetas Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter y Saturno en órbita a su alrededor, mientras que a la Luna le asignó un recorrido propio alrededor de la Tierra. Esta concepción simplificaba muchos de los rompecabezas del movimiento planetario (el movimiento retrógrado, por ejemplo, se convertía en un efecto que se produce cuando la Tierra, con un desplazamiento más veloz, adelanta a un planeta más distante y de movimiento más lento durante su recorrido anual alrededor del Sol), pero no los resolvía todos a la perfección, así que, en el momento de su fallecimiento, en 1543, Copérnico había amañado su modelo para incorporarle su propio sistema de epiciclos similares a los de Tolomeo, para mantener el concepto del movimiento circular ideal. Aun así, su obra De revolutionibus orbium coelestium (Sobre las revoluciones de los orbes celestes) desató una revolución.
B
Al principio, la teoría copernicana encontró resistencia porque pretendía eliminar supuestos muy arraigados sobre la naturaleza de los cielos. Pero en la década de 1570 ocurrieron dos acontecimientos que alteraron esos supuestos de una forma más directa. En primer lugar, en 1572 apareció una estrella nueva que fulguró durante varios meses en la constelación de Casiopea. Aquella erupción descomunal, que ahora se conoce como la explosión de una estrella o una supernova, evidenció que las estrellas fijas no se encuentran en el estado de perfección inmutable que se había creído. A
B
Nicolás Copérnico (1473-1543), astrónomo y sacerdote católico polaco, realizó observaciones de los movimientos planetarios que lo llevaron a formular una teoría del Universo centrada en el Sol. Difundió estas ideas por primera vez en un pequeño tratado privado fechado en 1514, pero no las publicó íntegras hasta 1543.
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Constelación El concepto tradicional corresponde a una figura formada por estrellas brillantes, inventada por observadores humanos y a menudo vinculada a alguna historia o leyenda. Las constelaciones actuales, en cambio, son regiones del firmamento que abarcan los alrededores de aquellas figuras tradicionales; son 88 y encajan entre sí de manera que cubren todo el cielo.
INTRODUCCIÓN
Un grabado de la obra Harmonia macrocosmica (1660), de Andreas Cellarius, muestra el modelo cosmológico tradicional de un Universo con la Tierra en el centro, orbitada por planetas y rodeada por una esfera exterior de estrellas. Un segundo grabado de Harmonia macrocosmica ilustra el modelo cósmico copernicano, con el Sol en el centro y la Tierra como un planeta más. Nótese que la Luna gira en solitario alrededor de la Tierra y que Júpiter aparece acompañado por cuatro satélites.
A
B
Arthur Eddington (1882-1994), astrofísico británico, realizó muchos descubrimientos importantes sobre el comportamiento de las estrellas. Fue el primero en ofrecer un modelo válido para las fuerzas que actúan en su interior y en reparar en la relación entre la masa de una estrella y su emisión energética.
Pero para Slipher los desplazamientos Doppler de las nebulosas espirales encerraban un enigma: no solo eran en general más intensos que los desplazamientos detectados en las estrellas, sino que también iban todos en la misma dirección, hacia el extremo rojo del espectro, lo que indicaba que las nebulosas se alejaban de la Tierra. A
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CAPÍTULO 2
Las altas velocidades de las nebulosas convencieron a Slipher y otros de que no podían asociarse con la Galaxia de la misma forma que las estrellas normales. Mientras la mayoría de los desplazamientos Doppler estelares indicaban un movimiento hacia la Tierra o en dirección opuesta a ella medido, como mucho, en metros por segundo, las nebulosas se alejaban a cientos de kilómetros por segundo, sin duda una velocidad suficiente para escapar del tirón gravitatorio de nuestra Galaxia.
B
C
El aspecto de la galaxia de Andrómeda explica con facilidad por qué algunos especialistas sospecharon que las nebulosas espirales podían ser sistemas solares en formación. En cambio, la región central barrada de muchas nebulosas espirales era difícil de explicar como un sol recién nacido. Estas dos fotografías del eclipse de Sol de 1919 se tomaron durante la expedición de Arthur Eddington para medir la posición de estrellas cerca del Sol.
Si eran estrellas o sistemas solares en formación, ¿por qué se movían todas a velocidades tan altas? Y, aunque pudiera encontrarse una explicación para eso, ¿por qué no había ninguna nebulosa equivalente con un desplazamiento al azul acercándose a nosotros a gran velocidad?
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Slipher defendió que los desplazamientos al rojo indicaban que las nebulosas espirales son sistemas independientes mucho más distantes que nuestra propia Galaxia, pero aún pasaron varios años antes de que Hubble lo confirmara. Entretanto, la relatividad general de Einstein revolucionó el saber acerca de la naturaleza del espacio.
El trabajo de Einstein, publicado en una revista científica alemana en medio de la Primera Guerra Mundial, pasó inadvertido para el gran mundo hasta que recibió el respaldo del respetable astrofísico Arthur Eddington. En 1919, Eddington encabezó una expedición para observar un eclipse total de sol desde la isla de Príncipe, frente a las costas occidentales de África, donde midió variaciones en la posición de estrellas cerca del Sol (el efecto de lente gravitatoria recién descrito). Fue entonces cuando muchos físicos teóricos empezaron a estudiar en detalle las implicaciones del trabajo de Einstein y a investigar un problema particular.
EL UNIVERSO EN EXPANSIÓN 43
Si, tal como sugería la relatividad general y como parecían confirmar las lentes gravitatorias, las masas grandes deforman el espacio en sí, ¿por qué no se colapsa el Universo sobre sí mismo? Al mismo tiempo, el conjunto de la comunidad astronómica en general estaba de acuerdo en que el Universo tiene un tamaño fijo y una duración eterna, de modo que si la teoría de la relatividad fuera cierta, seguro que la gravitación ya habría concentrado toda la materia, el espacio y el tiempo en un mismo punto en una implosión cataclísmica mucho tiempo atrás.
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También existen otras teorías de la gravitación que intentan explicar los fenómenos observados en el Universo sin necesidad de recurrir a la materia o la energía oscuras (aunque estas despiertan un interés minoritario de momento).
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CONCLUSIÓN
Todo esto es significativo porque aunque la forma del espacio podría parecer una cuestión de relevancia solo académica, está íntimamente ligada a otros interrogantes cruciales relacionados tanto con la evolución futura del Universo como con el lugar que ocupa dentro de él la vida en general (y nosotros en particular). En el capítulo 3 analizamos con amplitud que la densidad de materia que hay en el Universo, unida a la intensidad de la energía oscura, tiene la capacidad de afectar tanto a la curvatura del espacio-tiempo a nivel local como a la forma del espacio en su conjunto. En términos generales, esto puede dar lugar a un Universo esférico cerrado, a un Universo abierto en forma de silla de montar o a un Universo plano sin ninguna curvatura. Pero lo que no habíamos dicho aún es que esas formas determinan no solo la geometría actual del espacio, sino también su probable evolución futura.
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Un Universo cíclico atraviesa fases de expansión y contracción, de manera que cada expansión es indistinguible del nacimiento de un Universo nuevo. Las tres posibilidades futuras para el Universo son que sea abierto (y esté destinado a expandirse para siempre, rosa), que sea plano (y que la expansión se frene hasta detenerse, azul) o que sea cerrado (y que la expansión se invierta, verde). Algunos cosmólogos llaman punto alfa al origen del Universo en el espacio-tiempo, y punto omega a su conclusión. Si las constantes de la física de cada nuevo Universo pueden adoptar valores de verdad aleatorios, hay una pequeña probabilidad de que un solo Universo albergue las condiciones necesarias para la vida.
Un cosmos cerrado no solo está limitado hoy, sino que también está acotado en su desarrollo futuro; en algún instante, la gravitación vencerá a la expansión que comenzó con la Gran Explosión y empezará a forzar que las cosas vuelvan a juntarse. En un futuro lejano, el Universo se volverá cada vez más denso y empezará a aumentar de temperatura hasta que todo vuelva a concentrarse de nuevo en un estado supercaliente y superdenso denominado Gran Implosión (o Big Crunch). Este colapso no ocurriría hasta dentro de billones de años y culminaría con un rebote espaciotemporal para crear una nueva Gran Explosión (posiblemente una nueva fase de un Universo cíclico infinito), pero significaría un final definitivo para el Universo tal como lo conocemos. Según la teoría del universo cíclico, nuestro Universo no sería más que uno dentro de un ciclo eterno, que un sucesor reemplazaría a la larga en una nueva Gran Explosión.
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Radio del Universo
Abierto
Plano
Punto alfa 0
Ahora
Punto omega
CONCLUSIÓN
Cerrado
Tiempo 125
laGranIdea ¿Qué forma tiene el espacio? Si los confines del Universo observable no son donde acaba todo, ¿dónde está ese final? Si viajáramos hasta los confines de nuestro Universo observable, ¿veríamos otro universo desplegarse ante nosotros? Y ¿qué veríamos si nos situáramos en los confines de ese otro? Si el Universo es infinito, ¿a qué clase de infinito nos A referimos? ¿Consiste sencillamente en una cantidad infinita de universos observables finitos? ¿O es más bien También existen otras teorías de la gravitación que intentan una miríada de universos burbuja, explicar los fenómenos observados en el Universo sin necesidad de cada uno de los cuales contiene su recurrir a la materia o la energía oscuras (aunque estas despiertan propio universo infinito? ¿O se trata un interés minoritario de momento). de una serie de universos paralelos o multiversos en evolución? Descubra la respuesta a todas estas preguntas, y más, en este volumen revelador e innovador.
Todo esto es significativo porque aunque la forma del espacio podría parecer una cuestión de relevancia solo académica, está Gran Idea, una serie transgresora íntimamente ligada a otrosLa interrogantes y divulgativa, provocadora y sugerente, dirige una mirada nueva a las ideas cruciales relacionados tanto con la evolución fundamentales con más repercusión futura del Universo como con el lugar en nuestra vida y enque el mundo actual. Su enfoque visual único y la organización ocupa dentro de él la vida en general (y nosotros estratificada de los textos facilitan la comprensión de conceptos complejos en particular). y le proporcionan a todo el público las herramientas necesarias para En el capítulo 3 analizamos con amplitud que la participar en el debate.
densidad de materia que hay en el Universo, unida a la intensidad de la energía oscura, tiene la capacidad de afectar tanto a la curvatura del espacio-tiempo a nivel local como a la forma del espacio en su Preservamos conjunto. el medio ambiente En términos generales, esto puede dar lugar a un Universo esférico cerrado, a un Universo abierto en forma de silla de montar o a un Universo plano sin ninguna curvatura. Pero lo que no habíamos dicho aún es que esas formas determinan no solo la geometría actual del espacio, sino también su probable evolución futura. • Reciclamos y reutilizamos.
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CONCLUSIÓN
• Usamos papel de bosques gestionados de manera responsable.
ISBN 978-84-17757-34-2