Muchos hemos oído hablar de dos cosas sorprendentes sobre nuestro universo: que se expande y que tuvo un comienzo, en un instante que llamamos Big Bang. ¿De qué va esto?

En este artículo pretendo acercar al lector curioso a saber cómo somos capaces hacer estas dos afirmaciones.

 

Un poco de filosofía: Las leyes de la física se cumplen en todo el universo.

Para comenzar, voy a escribir un par de conceptos filosóficos de interés.

El primero es que “sólo hay un universo”. Está de moda discutir todo y rebatir todo, pero este concepto es meramente lógico y lingüístico. Según la RAE: “conjunto de todo lo existente”. Si hubiese otro universo distinto al nuestro, al conjunto de ambos lo llamaríamos universo, porque es la palabra que usamos para englobar todo lo observable. En alguna película y en algún comic he llegado a oír o leer la palabra “multiverso”, hablando de otros universos que no observamos. Podría calificarlo de “patochada”, pero me limitaré a decir que la palabra “multiverso” no proviene de un científico. La base de la ciencia es la observación y con observaciones más detalladas cada día, se describe cada vez mejor el universo. Baste por ejemplo recordar que hace un siglo nadie podía observar los agujeros negros, ni tampoco los neutrones. Hoy en día, independientemente de su utilidad, ambos se observan y describen bastante bien. Ya no son tan extraños, y forman parte del universo tal y como lo conocemos. El reto de conocer mejor implica observar mejor.

Lo segundo es que “las leyes de la física son universales”. Si la física se comportase de forma distinta en cada zona, hablaríamos de fenómenos locales; en cambio, cuando hablamos de leyes universales, son leyes que se cumplen en todo el universo.

Si hay algún terraplanista entre los lectores, puede dejar de leer el artículo, ya que está escrito para los que confían en el método científico, que comienza por la observación y generaliza lo que observa de forma rigurosa.

 

Espectros luminosos

Durante un brote de peste bubónica en Inglaterra en el siglo XVII, Isaac Newton se vio obligado a abandonar sus estudios y a volver a casa para confinarse. Esta situación nos suena ¿verdad? Pero si Newton era un genio, es porque no tenía costumbre de perder el tiempo. Ideó un experimento para observar la luz, taladrando la persiana de su ventana para tener un único rayo de luz en su habitación oscura y hacerlo pasar por un prisma.

 

Descubrió que luz blanca no era algo simple, sino compuesta, y que se podía descomponer en luces de los colores utilizando un prisma, y de forma inversa, utilizando un segundo prisma, podía combinar las luces de colores para formar luz blanca. A esta descomposición de la luz en colores se le llama espectro luminoso. Posteriormente se perfeccionó el experimento, colocando una rendija en la entrada de luz del sol, y se descubrió que en el espectro de salida no estaban todos los colores. Había algunas líneas oscuras (7) o colores que faltaban. En principio se pensó que eran las separaciones entre siete colores básicos, pero fue ya en el siglo XIX cuando el alemán Joseph Fraunhofer, con instrumentación mucho mejor vio que no eran 7, sino muchas más. Consiguió ver unas 600 líneas oscuras en el espectro.

 

Los colores de los átomos son su firma

Posteriormente, en la universidad alemana de Heidelberg, un físico y un químico (Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen) hicieron diversos experimentos muy interesantes. Se había observado que la luz que emite un sólido al calentarlo produce un espectro continuo, sin líneas oscuras. Sin embargo, si entre esa fuente de luz y el prisma se interpone un gas, absorberá la luz de ciertos colores, dejando unas líneas oscuras en el espectro correspondientes a los colores absorbidos. Estas líneas son distintas para cada elemento químico, y lo identifican inequívocamente, como si fuesen su huella dactilar.

Como quien resuelve un puzle, se puede utilizar el espectro de un gas para identificar los elementos que lo componen. Esta técnica se llama espectroscopía, y es un método muy habitual en los análisis químicos.

Esta técnica también se aplicó al espectro de la luz solar descrito por Fraunhofer para identificar los elementos químicos que componen la atmósfera del sol. Las líneas negras del espectro de Fraunhofer debían corresponder a los elementos químicos presentes en la atmósfera del Sol. Es así como nos atrevemos a decir la composición química de la atmósfera del sol sin necesidad de viajar hasta allí. De hecho el helio es un átomo cuya existencia se descubrió en el sol antes de encontrarlo en la tierra, debido a que es muy escaso y ligero.

 

Y ahora observamos que las estrellas se alejan

La última aplicación de los espectros resulta ser más sofisticada aún. Utilizando la espectroscopía para observar distintas estrellas, se observó que su composición química es similar a la del sol. Pero la sorpresa fue que las líneas de sus espectros estaban siempre desplazadas hacia el lado rojo.

Sabemos que la luz tiene comportamiento ondulatorio, y los distintos colores se corresponden con distintas longitudes de onda. También conocemos el efecto Doppler, muy evidente en las ondas de sonido, cuando observamos un objeto sonoro acercarse a gran velocidad y luego alejarse, por ejemplo, cuando oímos pasar una moto por la calle. Debido al efecto Doppler observamos que el sonido de esa moto cambia drásticamente al rebasarnos. En realidad, no cambia nada en la moto, sino que cambia la longitud de la onda de sonido que llega a nuestro oído, que es más corta cuando se acerca y más larga cuando se aleja, de forma que nosotros somos capaces de saber si se acerca o se aleja sin necesidad de verla, e incluso saber si va más o menos rápido por la diferencia entre ambos sonidos.

Como si se tratase del sonido, las estrellas muestran la huella de sus elementos químicos con longitudes de onda más largas “más rojizas” y eso significa que se alejan. La inmensa mayoría de estrellas se alejan, y por esto decimos que el universo se expande, que no es otra cosa que la conclusión de estas observaciones. Como en el caso de la moto, no necesitamos esperar miles de años a ver las estrellas moverse. Basta con observar la luz que nos envían para saber a la velocidad a la que se mueven.

 

Y por tanto: el Big Bang

Siguiendo con el método científico, aplicando la lógica podemos inferir que si las estrellas están cada vez más separadas, mirando al pasado estaban cada vez más juntas, y con más cálculos podemos llegar a saber en qué momento estaban todas juntas en un solo punto. Ese instante es el que llamamos Big Bang, una gran explosión que ocurrió hace aproximadamente 13800 millones de años, que se considera el origen de la materia y del tiempo. Esa es la edad de nuestro universo, perdón: de “El Universo” tal y como lo conocemos hoy en día.
Es obvio que hay muchas preguntas sin contestar, y ese es el afán de cualquier físico. Contribuir a responder preguntas, incluso en tiempos de confinamiento.

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