La forma del universo

Hablar sobre la forma del universo puede sonar como un concepto extraño, ¿cómo se puede definir la forma de un espacio de 3 dimensiones? ¿Y qué significa esto? Bueno, la forma del universo tiene implicaciones muy interesantes para el cosmos, y para nosotros también.

Evolución en la visión del cosmos

Hasta principios del siglo XX, solíamos tener una visión totalmente diferente del universo. Se consideraba que nuestra galaxia era única, y este gigantesco cúmulo estelar estaba rodeado por un espacio infinito y vacío.

Pero con las observaciones hechas por Edwin Hubble en 1919, cuando descubrió que las nebulosas eran galaxias distantes más allá de nuestra vía láctea, seguidas por el descubrimiento de la expansión del universo observado, años más tarde, la imagen de nuestro cosmos cambió radicalmente.

Albert Einstein, junto con su teoría general de la relatividad, presentó un modelo matemático (sus ecuaciones de campo) que incluía este concepto de expansión. Lo que contrarrestó agregando un truco matemático, la Constante Cosmológica (Λ). Hay que recordar que la teoría de la relatividad se publicó en 1915, antes de los descubrimientos del Sr. Hubble. Einstein llamó a esta constante cosmológica su “más grande error”.

Ecuacion de campo de Einstein (curvatureresearchgate.net)

Las ecuaciones de Einstein tienen implicaciones sobre cómo la masa y la energía interactúan y afectan el espacio a su alrededor, lo que trajo preguntas interesantes. Si la masa y la energía pueden cambiar la forma del espacio (Esto debido a su efecto en el espacio-tiempo); entonces, a gran escala, ¿la totalidad de masa y energía en el universo influirán su forma?

La forma del Universo.

Los descubrimientos del Hubble, junto con la relatividad general de Einstein, tuvieron dos implicaciones, primero fue que el universo tuvo un comienzo, un hecho que más tarde se conoció como la “teoría del Big Bang” (frase acuñada por el astrónomo Fred Hoyle, que irónicamente usó como un concepto peyorativo, ya que Hoyle nunca considera esta teoría como válida). El segundo fue, por supuesto, la forma del universo.

En esos modelos, la geometría espacial depende de la energía y el contenido de masa en todo el universo, y más precisamente, de su densidad promedio o “densidad crítica” definida por el parámetro “Ω” (Omega).

Con soluciones clave como las ecuaciones de Friedmann, que explican una homogénea expansión del espacio, se puede hacer el cálculo sobre la posible densidad del universo; el cual viene en tres formas posibles; abierto, cerrado o plano; y para ejemplificar estas formas podemos representarlas en una imagen de dos dimensiones y reflejar su efecto en un triángulo.

Pero ¿por qué un triángulo? Bueno, en la escuela aprendimos que en la geometría euclidiana (o plana), los ángulos internos de un triángulo suman 180 grados, pero si modifica la forma de la superficie donde se dibuja este triángulo, la suma de sus ángulos cambiará, por ejemplo, en un triángulo en la superficie de la tierra que va desde el ecuador hasta el polo norte y de regreso al ecuador, la suma de sus ángulos internos se extenderá más de 180 grados, dado que este no es un espacio euclidiano.

Geometria esférica (wikipedia.org)

Pero volviendo a las posibles formas del universo, mencionamos tres diferentes escenarios:

Un universo cerrado; con una densidad de energía “Ω” por encima de 1, lo que implica un universo similar a una forma esférica; en este caso un triángulo tendrá ángulos internos que suman más de 180 grados.

Un universo abierto; con una densidad de energía “Ω” debajo de 1, lo que implica una geometría hiperbólica, similar a una silla de montar, y donde un triángulo tendrá ángulos internos que suman menos de 180 grados.

Un universo plano; con una densidad de energía “Ω” igual a 1, lo que implica una geometría plana, como un espacio Euclidiano, y donde un triángulo tendrá ángulos internos iguales a 180 grados.

Forma del Universo (universetoday.com)

Esto parece extraño dado que hablamos de un espacio tridimensional, ¿cómo un espacio de tres dimensiones puede ser plano? Bueno, esto se debe a que estamos influenciados dado que vivimos en un espacio tridimensional, pero para interpretar esto, citaré una excelente explicación de uno de mis astrofísicos y comunicadores favoritos.

This seem strange talking about a 3-dimensional space, how a 3D space can be flat? Well this is because we are biased as we live in such 3D spaces but to interpret this I will quote a great explanation from one of my favorite astrophysicists and communicators.

Como entender las dimensiones

Neil Degrasse Tyson, astrofísico; explique de una manera muy elocuente cómo se relacionan las dimensiones, esto requiere un poco de abstracción, así que, por favor, ténganme un poco de paciencia; Dr. DeGrasse nos dice …

Un punto es un objeto de cero dimensiones.
Una línea es un objeto de una dimensión (tiene longitud), limitada por dos puntos de cero dimensiones.
Un cuadrado es un objeto de dos dimensiones (tiene superficie), limitado por cuatro líneas de una dimensión.
Un cubo es un objeto de tres dimensiones (tiene volumen), limitado por seis cuadrados de dos dimensiones.

Y aquí es donde las cosas se vuelven interesantes, teniendo en cuenta el hecho de que vivimos en un mundo tridimensional. Hasta ahora, hemos notado una progresión, una línea de una dimensión con dos puntos de dimensión cero, cuadrados de dos dimensiones con cuatro líneas de una dimensión, y así sucesivamente.

Así que tenemos una progresión es de dos puntos, cuatro líneas, seis cuadrados. Dos, cuatro, seis; esto significa que agregamos dos elementos para cada dimensión adicional que estamos evaluando. Entonces, ¿qué pasa si queremos saber sobre mayores dimensiones? Entonces tenemos que …

Un llamado “tesseract o hipercubo” es un objeto de cuatro dimensiones, limitado por ocho cubos de tres dimensiones.

Y podemos continuar con esta progresión …

“Un objeto de cinco dimensiones es aquel que está limitado por diez tesseracts de cuatro dimensiones”.

Y así sucesivamente…

Universo plano

Entonces, como explicamos antes, cuando decimos que estamos en un universo plano, nos referimos a la planaridad de un espacio tridimensional. ¿Mas nuevamente, que representa esto? Este hecho es relativamente fácil de explicar. Para el caso más simple de un universo plano, digamos que colocas dos rayos láser perfectamente paralelos entre sí, en este caso, como el universo es plano, estos rayos láser permanecerán paralelos para siempre, “ad-infinitum”.

Sin embargo, para un universo cerrado, de forma esférica, los mismos rayos láser perfectamente paralelos, en algún punto en la distancia se encontrarán, chocando; incluso cuando estos se hayan puesto perfectamente paralelos en un inicio.

En el escenario opuesto, en un universo abierto o hiperbólico (con forma de silla de montar), nuestros rayos láser perfectamente paralelos entre sí en el espacio distante comenzarán a divergir el uno del otro, teniendo una mayor distancia entre ellos cuanto más lejos vayan.

Curvatura del universo (abyss.uoregon.edu)

Pero bien, en qué tipo de espacio vivimos?

Para determinar esto; Los astrónomos y físicos intentaron primero pesando el universo, pueden sonar extraño, pero haciendo uso de análisis dimensional ellos obtuvieron algunos valores interesantes; sin embargo, es realmente difícil cuantificar toda la materia y energía en el universo; así que deciden intentar un método diferente, haciendo uso de un gran triángulo de tamaño cosmológico.

Con una explicación muy general, los astrofísicos utilizaron la fuente de radiación más distante en nuestro universo, la Radiación de Fondo de Microondas, o CMB por sus siglas en inglés; El resplandor del Big Bang, y probablemente una de las observaciones más importantes en la historia de la cosmología, fue esta fuente la que se utilizó en esta medición.

Ellos crearon un triángulo, usando las características observables en el CMB, para que, de esta forma pudieran “dibujar” un triángulo usando estos puntos; luego, utilizando simulaciones del big-bang y la expansión del universo, crearon imágenes de referencia de cómo el CMB luciría para las tres formas posibles del universo; luego compararon las simulaciones con el las observaciones del CMB y … todo parece indicar, con una precisión muy alta (0,4% de margen de error), que el universo en el que vivimos es plano.

Geometria del universo (phys.org)

Y…, esto importa?

La forma del universo tiene varias implicaciones interesantes, pero probablemente la más importante es cómo será el final de nuestro universo.

En el universo cerrado, en algún momento la expansión del universo se detendrá y luego se invertirá; por la acción de la gravedad, toda la materia y la energía se agruparán de nuevo, en lo que se denomina el gran crujido (“Big Crunch”), una implosión extremadamente candente.

En el caso de un universo abierto, la expansión aumentará cada vez más, acelerando el proceso. Y, en un caso similar, en el universo plano, se mantendrá una expansión continua e interminable; esta se ralentizará, pero nunca se detendrá por completo.

Entonces, en nuestro caso, el destino del universo no luce bien, con esta expansión del espacio, las galaxias estarán más y más lejos de nosotros, hasta que esta velocidad de expansión sea tan grande que la luz de otras galaxias no podrá alcanzarnos. Solo veremos las estrellas en nuestra vía láctea, nada más; y parecerá ser que estamos rodeados por un espacio solitario y vacío. Espacio que terminará como un cosmos frío y oscuro, donde los agujeros negros dominarán el universo, e incluso estos desaparecerán debido a la “Radiación de Hawkins”, una especie de evaporación de estos agujeros negros. A esto se le ha llamado la “muerte térmica”; También llamado el “Big freeze” (Gran congelamiento), o “Big rip” (gran rompimiento) pues aun los átomos comenzaran a desintegrarse en este futuro.

Pero no te preocupes, todavía tenemos tiempo, el cosmos, con sus 13.7 mil millones de años, no ha alcanzado el punto medio de su existencia, científicos chinos estiman que estamos a unos dos-mil millones de años de este punto, y entonces, en otros 16.7 mil millones de años, es cuando Tendremos la desaparición del cosmos.

Así que, ¡aún no vendas tus acciones y pongas al máximo tus tarjetas de crédito!

Regards Alex – ScienceKindle!