La ciencia explicada: ¿Cómo puede el diámetro del universo superar su edad?

El tamaño del Universo

La velocidad de la luz es una de las propiedades más importantes y fundamentales de nuestro universo. Se utiliza para medir distancias, para las comunicaciones interplanetarias y en diversos cálculos matemáticos. Y eso es sólo el principio.

La velocidad a la que viaja la luz a través del vacío -299.792 kilómetros (186.282 millas) por segundo- es estática e invariable. Si se elimina esa constante, los propios cimientos de la física moderna se desmoronan debido a una serie de razones, y la regla general se puede resumir con esto: Nada en el universo puede viajar más rápido que la velocidad de la luz.

Como se puede imaginar, surge cierta confusión cuando se considera el hecho de que el universo no tiene 13.800 millones de años luz de extensión -número que se corresponde con la edad del universo. Según las estimaciones actuales, es bastante más grande, con un diámetro estimado de unos 93.000 millones de años luz. Y eso es sólo lo que podemos ver. Lo que no podemos ver puede ser eterno.

Entonces, ¿cómo puede el universo tener 93.000 millones de años luz de ancho si sólo tiene 13.800 millones de años y nada puede viajar más rápido que la luz?

Entender el corrimiento al rojo

Antes de entender por qué el tamaño del universo es mucho mayor que su edad, es importante entender cómo funciona la luz.

Sir Isaac Newton fue, sin duda, una de las mentes más brillantes de la historia. Además de «inventar» el cálculo, fue el primer científico que comprendió realmente la esencia de la luz y lo que ocurre cuando la divides en sus partes constituyentes.

Para empezar, sus investigaciones revelaron que el negro es la ausencia de color, mientras que la luz blanca -como la que proviene del Sol y otras estrellas- es una combinación de todos los colores. Al observar la luz de un objeto a través de un prisma, se pueden ver los elementos correspondientes que la luz representa, lo que puede utilizarse para ayudar a determinar la composición del objeto, su temperatura e incluso en qué punto del proceso evolutivo se encuentra.

En más de un sentido, el trabajo de Newton revolucionó la física y preparó el camino para todos los grandes, incluidos Niels Bohr, Max Planck y, por supuesto, Albert Einstein. Sin embargo, para los fines de esta discusión, el científico más relevante que se basó en el trabajo de Newton se llamaba Christian Doppler.

Doppler llegó a la fama cientos de años después de la muerte de Newton, y si no estás familiarizado con su trabajo, descubrió algo que ahora se llama el efecto Doppler. Este proceso explica por qué parte de la luz procedente de fuentes cósmicas tiende a situarse cerca del extremo rojo del espectro electromagnético, mientras que otra luz está más cerca del extremo azul.

En términos sencillos, el efecto Doppler señala cómo la longitud de onda de la luz se desplaza en función de la dirección en la que se mueve la fuente, como por ejemplo si algo viene hacia nosotros o se aleja. En concreto, las ondas de luz se estirarán si la fuente se aleja del observador, por lo que aparecerán de color rojo (la longitud de onda más larga). Por el contrario, las ondas de luz se comprimirán si el objeto se dirige hacia el observador, apareciendo así de color azul (la longitud de onda más corta).

En el camino, se presentó un cambio de juego. Al final, casi todas las galaxias parecían estar desplazándose hacia una longitud de onda más larga, lo que significaba que se veían rojas, como si se estuvieran alejando de nosotros. Y lo que es más sorprendente, no sólo la mayoría de las galaxias se alejaban de nosotros, sino que este desplazamiento hacia el rojo aumentaba, lo que significaba que los objetos se alejaban de nosotros cada vez más rápido.

Esto condujo al descubrimiento de que el universo no está inmóvil, como algunos creían, ¡en realidad se está expandiendo!

La Expansión del Universo

Aquí es donde las cosas se ponen difíciles. Nuestras observaciones del corrimiento al rojo revelaron que los objetos tres veces más distantes se mueven tres veces más rápido en relación con las galaxias cercanas. Cuanto más lejos miramos en el espacio, más rápido se mueven las galaxias; de hecho, se mueven tan rápido a estas enormes distancias que superan fácilmente la velocidad de la luz. Sin embargo, como se ha dicho anteriormente, la velocidad de la luz es el límite de velocidad universal. Entonces, ¿cómo puede ser esto?

En primer lugar, hay que tener en cuenta que aunque hay un límite para lo que podemos ver, el universo real se extiende mucho más allá de lo que podemos comprender. Todo lo que está dentro de este límite se llama «universo observable», e incluye:

• 10 millones de supercúmulos
• 25 mil millones de grupos de galaxias
• 350 mil millones de galaxias grandes
• 7 billones de galaxias enanas
• 30 mil millones de billones (3×10²²) de estrellas

Si todo esto estuviera metido en 13.7 mil millones de años-luz de espacio-tiempo, el universo parecería bastante repleto.

El primer problema con la suposición de que el tamaño del universo debería ser igual a su edad en años, basada en la distancia que recorre la luz, llega cuando observamos los primeros momentos que siguieron al Big Bang.

Cuando el universo «apareció» por primera vez hace aproximadamente 13.750 millones de años, el propio espaciotiempo comenzó a expandirse a velocidades superiores a la de la luz. Este período, llamado inflación, es fundamental para explicar mucho más que el tamaño del universo. También cubre cosas como la naturaleza homogénea del espacio a gran escala y las condiciones que existían durante la primera época.

Básicamente, el universo pasó de un estado infinitamente denso y caliente a una vasta zona repleta de protones y neutrones -partículas que finalmente se unieron y forjaron los bloques de construcción de toda la materia- en cuestión de momentos. Después de la inflación inicial, la expansión se ralentizó. Ahora, los objetos están siendo separados por una misteriosa fuerza llamada energía oscura.

Más rápido que la luz

Por medios que aún no se han comprobado, esta expansión parece estar ocurriendo más rápido que la velocidad de la luz, pero eso no significa lo que usted probablemente piensa.

Me temo que la confusión proviene de una mala interpretación básica de la propia relatividad. Verás, la teoría afirma que los objetos no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz a través del espacio-tiempo. Sin embargo, no pone ningún límite al propio espaciotiempo.

Así que, para resumir, el tamaño del espacio no entra en conflicto con la física básica.

Esencialmente, las galaxias mismas (y cualquier otro objeto en el espacio) no están rompiendo ninguna ley, porque no están viajando a través del espacio más rápido que la luz (al menos, no en el sentido tradicional). Más bien, cada porción del espacio se está expandiendo y estirando. Ni siquiera es que los bordes estén volando hacia afuera, sino que el espaciotiempo en sí mismo -el área entre galaxias, estrellas, planetas, tú y yo- se está estirando.

En resumen, el espaciotiempo se está expandiendo y empujando la materia. La materia no está viajando realmente a través del espaciotiempo.

Como un interesante aparte, desafortunadamente, la expansión tiene algunas implicaciones sombrías para el futuro del universo. Suponiendo que la expansión continúe indefinidamente (y no se ralentice), el horizonte del universo visible se reducirá gradualmente hasta que los objetos simplemente estén demasiado separados para que la luz de una galaxia llegue a otra.

Por otra parte, mucho de lo que vemos ahora estaba originalmente mucho más cerca. Gracias a la expansión, estos objetos han sido arrastrados, y algunas galaxias y otros objetos han sido desplazados al rojo para dejar de existir (o para dejar de ser vistos, en cualquier caso). Las galaxias más lejanas se encuentran entre las cosas más antiguas del universo, ya que se formaron cuando el universo tenía sólo millones de años, y es probable que la mayoría de ellas ya no existan o estén situadas en una sección completamente diferente del cosmos en la actualidad.

Información adicional de Jaime Trosper.

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