El comienzo del universo

Arno Penzias y Robert Wilson en los Laboratorios Bell

Arno Penzias y Robert Wilson en los Laboratorios Bell

¿El universo siempre existió o tiene un comienzo?

Esta pregunta que parece no tener fondo, que venimos heredando desde los comienzos de la humanidad y que distintas civilizaciones han respondido de diferentes maneras, todavía acosaba a los cosmólogos durante el siglo XX. Había partidarios de ambas posturas, pero no había evidencias muy fuertes que apoyaran una idea u otra. Hacía falta obtener al menos una evidencia poderosa, un dato obtenido mediante observación o experimentación, que permitiera dirimir la cuestión. Esta evidencia llegó de la mano de dos científicos, Arno Penzias y Robert Wilson, que descubrieron un fenómeno que permitió validar la idea de que el universo se había originado en algún momento mediante una enorme explosión.

¿Pero cómo se descubrió esto, qué era y qué significaba? En esta historia lo contamos.

Una empresa privada con visión cosmológica

A principios del siglo XX, varios astrónomos se dedicaban a estudiar el universo y, para financiar sus investigaciones, recurrían a filántropos millonarios o reyes. Después de todo, necesitaban mucho dinero para construir telescopios cada vez más poderosos. Pero la verdad es que, por más que comprender el universo pueda parecernos un tema digno de ser investigado, no parece a simple vista ser algo que pudiera atraer a una empresa privada. Y, de hecho, las empresas no estaban interesadas en financiar este tipo de investigaciones.

¿Todas las empresas pensaban de este modo? Por suerte, no. AT&T es una empresa que construyó la red de comunicaciones de Estados Unidos y explotó las patentes de teléfono de Alexander Graham Bell. En 1925 se fusionó con otra empresa, Western Electric, y creó un centro de investigación en New Jersey: los Laboratorios Bell. A lo largo de los años, este lugar “produjo” 6 premios Nobel compartidos entre 11 científicos, un número que se equipara tranquilamente al de las mejores universidades.

Pero esta empresa no dedicó recursos económicos a la investigación básica por pura curiosidad y amor al arte, sino porque se estaba enfrentando a problemas que no podía resolver. En 1928 comenzaron un servicio de teléfono transatlántico que no usaba cables para conectar dos estaciones muy distantes, sino que usaba ondas de radio. Y tenían una interferencia, un molesto ruido de fondo, que no lograban eliminar. Le encargaron estudiar el problema a Karl Jansky, un joven físico recién recibido.

espectroLas ondas de radio, como las ondas de la luz visible, pertenecen al espectro electromagnético. Pero las ondas de radio son invisibles y tienen longitudes de onda mucho mayores que los de la luz visible: las ondas de radio van desde longitudes de onda de pocos milímetros (microondas) a varios metros (ondas FM) o varios cientos de metros (ondas AM). El sistema radiotelefónico de AT&T utilizaba ondas de radio en el rango de las AM, así que Jansky construyó en los Laboratorios Bell una antena de radio gigante y muy sensible para estudiar las señales de radio e intentar eliminar la interferencia en las comunicaciones telefónicas. Y cuando investigó esto descubrió, sin buscarlo, que parte de esta interferencia se debía a ondas de radio que provenían del espacio. Este descubrimiento marca el nacimiento de la radioastronomía, y la antena que había construído era ni más ni menos que el primer radiotelescopio del mundo.

Penzias y Wilson, una extraña pareja

Arno Penzias

Arno Penzias

Arno Penzias había nacido en Múnich en 1933. Su padre era un judío polaco, con lo cual fue víctima del antisemitismo imperante en Alemania desde muy pequeño. Las fronteras estaban cerradas en 1938 y la familia Penzias no veía cómo escapar de la persecución nazi. En esa época, el gobierno británico decidió humanitariamente aceptar 10.000 niños judíos. A la edad de 6 años, y a cargo de su hermano menor, Arno viajó en tren hasta Inglaterra. Sus padres lograron reunirse con ellos unas semanas después, y luego fueron los cuatro a Estados Unidos, donde se instalaron en New York en 1940. El padre de Arno tenía un negocio de cueros en Múnich, pero como inmigrante en Estados Unidos tuvo que trabajar de empleado para mantener a su familia. Arno notó que “la gente que iba a la universidad parecía vestirse mejor y comer con regularidad”, por lo que, para conseguir esa seguridad y confort, se esforzó como estudiante y logró ir a la universidad.

Penzias se recibió de físico y luego fue a la Universidad de Columbia para realizar su doctorado en radioastronomía bajo la dirección de Charles Townes, que sería luego el cuarto Premio Nobel de física de esa universidad. Se doctoró en 1961 y fue contratado por los Laboratorios Bell para continuar investigando. Además de realizar su propia investigación básica, se esperaba que Penzias colaborara con los proyectos de investigación más comerciales que se llevaban a cabo allí en ese momento. Durante 2 años, Penzias fue el único radioastrónomo en los Laboratorios Bell, hasta que se incorporó Wilson.

Robert Wilson

Robert Wilson

Robert Wilson era en un punto bastante distinto a Penzias. De origen texano, había comenzado a interesarse en la ciencia mientras acompañaba a su padre, que era ingeniero químico, cuando trabajaba en distintos yacimientos petrolíferos. Se recibió de físico en Houston, Texas, y luego fue a California a realizar su doctorado.

Como Penzias, se especializó en radiofísica y al doctorarse abandonó el mundo puramente académico y comenzó a trabajar para los Laboratorios Bell. ¿Cuál era uno de los grandes atractivos de este lugar para Wilson? Los Laboratorios Bell tenían una antena de radio de 6 metros, con forma de cuerno. Esta antena había sido diseñada originalmente para recibir señales de radio del satélite Echo, que fue el primer satélite de comunicaciones de la NASA. Echo era una bola de 66 centímetros de diámetro, que una vez en el espacio se infló a un diámetro de 30 metros. Lo que hacía era recibir ondas de radio emitidas por un transmisor en la Tierra, y hacerlas rebotar de forma pasiva a antenas como las de los Laboratorios Bell que recibían las señales. Pero el gobierno norteamericano comenzó a tomar control de las comunicaciones por radio, y a AT&T dejó de convenirle económicamente seguir recibiendo las señales del satélite Echo. Entonces, dejó ese proyecto por lo que, en 1963, la antena receptora de ondas de radio quedó huérfana.

¿Qué es una antena diseñada para recibir ondas de radio de un satélite, si ya no sigue a ese satélite? Esa antena es, entonces, un radiotelescopio.

Radiotelescopio para armar

Para detectar imágenes de objetos lejanos en el rango de la luz visible, tenemos telescopios, pero para detectar radiaciones en otras longitudes de onda, un telescopio no nos sirve. Un radiotelescopio, por ejemplo, permite detectar ondas de radio emitidas por fuentes de radio que pueden estar a enormes distancias.

Un radiotelescopio está básicamente compuesto por una antena que recibe radiación desde la dirección que uno desea, y la redirige a un radiómetro, que es el receptor que mide la intensidad de esa radiación. Como un radiotelescopio que apunta al cielo recibe radiación no sólo del espacio, sino también de otras fuentes (como el suelo, la atmósfera terrestre y los mismos componentes del radiotelescopio), la antena debe estar diseñada de modo que maximice su respuesta en la dirección a la que apunta, y la minimice en las demás direcciones.

La antena con forma de cuerno en los Laboratorios Bell

La antena con forma de cuerno en los Laboratorios Bell

Como la antena de los Laboratorios Bell se había construido en 1960 para ser usada como receptor de señales recibidas y reenviadas por el satélite Echo, y como estas señales son de por sí bastante débiles, esta antena tenía la forma de un cuerno, con una sección parabólica al final. Con esta forma, y con un buen aislamiento, la antena minimizaba la recepción de señales provenientes del suelo. De este modo, la antena tomaba las señales del cielo y las dirigía a su punta, donde se encontraba el receptor.

Penzias y Wilson lograron permiso de los Laboratorios Bell para utilizar parte de su tiempo escaneando el cielo para estudiar las distintas fuentes de radio del espacio. Pero antes de hacer esto, debían primero conocer a fondo el radiotelescopio y retocarlo para sus nuevos fines. Tenían que prepararlo para ser utilizado en radioastronomía. Ellos mismos construyeron distintos radiómetros con distintos objetivos. En muchas ramas de la ciencia es habitual que uno tenga que construir, o por lo menos modificar ligeramente, un instrumento de medición, de modo de poder medir lo que uno se propone. Muchas veces ocurre que el instrumento de medición que se fabrica comercialmente no es el más indicado para utilizar en determinada circunstancia, o hasta puede ser que no haya ningún instrumento fabricado todavía para ese propósito.

¿Por qué estaban interesados en comenzar sus carreras en radioastronomía en los Laboratorios Bell usando una antena que recibía señales en un área de sólo 25 m2, cuando ya existían radiotelescopios mucho más grandes? Porque este radiotelescopio tenía algunas particularidades que ellos querían aprovechar: su pequeño tamaño y su forma les permitían calibrarlo bien y discriminar las distintas fuentes de ruido. Y esto transformaba a este radiotelescopio en el más sensible del mundo para esa época.

Lo que más les preocupaba era el problema de que siempre que uno quiere detectar una señal, hay interferencias aleatorias que hacen que sea difícil evaluar qué es la señal que nos interesa y qué no. A estas interferencias se las llama ruido, y es exactamente ese zumbido que oímos, en una radio vieja que tiene un dial para sintonizar las distintas estaciones, cuando nos encontramos entre estaciones. Siempre hay ruido, y lo que se intenta es hacer que la señal de interés sea mucho mayor que él. Esto pasa cuando logramos sintonizar bien una estación de radio cercana: ese zumbido de fondo es prácticamente imperceptible. Pero si queremos sintonizar una estación más lejana, muchas veces sucede que la señal es mucho más débil, y esto hace que el ruido sea más evidente.

Si esto nos pasa con estaciones de radio lejanas, imaginemos lo que pasa con galaxias lejanas que emiten ondas de radio: la señal en estos casos es tan débil, que el problema del ruido es gravísimo. Entonces, antes de buscar señales, Penzias y Wilson decidieron buscar ruidos, para entenderlos y minimizarlos, dentro de lo posible.

Para eso, apuntaron el radiotelescopio a una parte del cielo que no tenía radiogalaxias. De esta manera, todo lo que detectaran debía ser en principio ruido de fondo. ¿Qué esperaban observar en este caso? Un ruido mínimo, casi imperceptible. Pero se sorprendieron al observar un nivel de radiación importante, que de tan importante ya era molesto. Sin embargo, no era tan grande como para impedirles realizar las mediciones que les interesaban. De hecho, la mayor parte de los radioastrónomos, en esta situación, habrían olvidado el asunto y procedido a medir lo que querían. Pero Penzias y Wilson querían las mediciones más bonitas y sensibles que se pudiera lograr. Así que lo que hicieron fue tratar de localizar la fuente del ruido, para ver si podían reducirla o eliminarla.

Ruidos y ruiditos

Existen varias fuentes de ruido posibles. Están las que provienen de afuera del radiotelescopio, como las debidas a la presencia de una ciudad cercana, o a algún equipo eléctrico cercano. Para evaluar si el ruido era de este tipo, apuntaron el radiotelescopio en distintas direcciones y midieron el nivel de radiación recibida. Incluso apuntaron a New York, ¡y esta radiación no aumentó! Esto los llevó entonces a explorar la segunda posible fuente de ruido: la interna al radiotelescopio. Cada una de las partes del radiotelescopio tenía la potencialidad de generar, por sí mismas, un cierto nivel de ruido. Lo mismo pasa con nuestros aparatos de radio, donde un parlante o un alambre mal conectado pueden estar generando ese zumbido que nos impide oír bien.

Limpiando y ajustando el interior de la antena.

Limpiando y ajustando el interior de la antena.

Penzias y Wilson chequearon cada uno de los elementos del radiotelescopio, ajustaron cada contacto y pusieron cinta de aluminio alrededor de las junturas que incluso parecían estar bien. Cuando después de todo esto el ruido seguía inalterado, empezaron a desesperarse. ¿Por qué no lograban eliminarlo? ¿A qué podía deberse? Notaron entonces que una pareja de palomas había anidado dentro de la antena y, en palabras de Wilson, había cubierto el interior de la misma “con ese material blanco tan familiar para la gente de ciudad”. Pensaron entonces que esto podía estar provocando el ruido. Así que desalojaron a las palomas, limpiaron cuidadosamente cada centímetro de la antena, ¡pero el ruido apenas disminuyó! Convengamos en que limpiar excrementos de palomas no es algo muy divertido, pero Penzias y Wilson estaban decididos a hacer todo lo que se les ocurriera para luchar contra esas radiaciones que interferían en sus mediciones.

Se estaba complicando mucho eliminar este ruido, por lo que por un tiempo decidieron ignorarlo y seguir adelante realizando mediciones en las cuales no fuera crítico ese zumbido de fondo. En la primavera de 1965 habían terminado con estas mediciones, y decidieron retomar el problema de esa inexplicable y molesta radiación. A todo esto, ya había pasado un año desde que habían detectado por primera vez ese ruido de fondo, y notaron que no había variado. El hecho de que no hubiera variado ya permitía eliminar dos posibles fuentes de radiación: la proveniente del sistema solar, porque tendría que haber cambiado de ángulo durante ese año, y la proveniente de una explosión nuclear que había ocurrido en 1962 a gran altura y que había llenado de partículas ionizadas la zona cercana a la Tierra, porque tendría que haber disminuido considerablemente en un año.

Supusieron entonces que el ruido remanente debía provenir de la atmósfera o de la antena misma y, en este caso, era inevitable. Pero igual, Penzias y Wilson estimaron cuantitativamente la magnitud de la interferencia que podía deberse a estas causas y vieron que no llegaba a explicar la totalidad del ruido que seguían detectando. Ya sabían más que antes: había un ruido misterioso e inexplicable que parecía ser constante, independientemente de cuándo se realizaba la medición o hacia dónde apuntaba el radiotelescopio.

Definitivamente había algo en algún lugar que, de algún modo que no comprendían, estaba emitiendo ondas de radio todo el tiempo y desde todas las direcciones. Esto, así expresado, no parece ser un conocimiento de los que hacen avanzar a la ciencia. Y sin embargo, lo era. Este descubrimiento estaba por convertirse en uno de los descubrimientos más reveladores de la historia de la cosmología. Pero solo teníamos a dos radioastrónomos frustrados a los que ya no se les ocurrían nuevas ideas sobre cómo liberarse de ese ruido y que no podían ni sospechar lo que tenían delante.

La pelea a muerte entre dos modelos teóricos absolutamente incompatibles entre sí

Había en 1940 dos grandes ideas contrapuestas que daban vueltas en las cabezas de los científicos, compitiendo entre sí por explicar el origen del universo. Estas ideas, que son simplificaciones mentales de la realidad y que, con el menor número posible de piezas, nos sirve para “armar” el rompecabezas que observamos alrededor de nosotros, llevan el nombre de “modelos teóricos.”

Uno de estos dos modelos teóricos había evolucionado a partir de la novedosa (en aquel momento) teoría de la relatividad general de Einstein y proponía que el universo había tenido un origen en algún momento del pasado muy lejano, expandiéndose rápidamente a partir de ahí. Esto estaba apoyado por observaciones de Edwin Hubble, que había demostrado en 1929 que las galaxias más lejanas a nosotros se alejan más rápido que las más cercanas. Esto era exactamente lo que se esperaba que ocurriera si todas las galaxias se hubieran originado a la vez y en el mismo lugar gracias a una enorme explosión. La observación de Hubble demostraba que el universo se estaba expandiendo. Como este modelo implicaba una gran explosión original, fue llamado “Modelo del Big Bang”.

El otro modelo, que era el más aceptado a principios del siglo XX, sostenía que el universo siempre había existido y no había cambiado con el tiempo, que era algo estático y permanente. Esta idea ya había sido desafiada en los años 20 por nuevas observaciones, como las de Hubble. Entonces, Fred Hoyle (físico de renombre que también se dedicaba a escribir libros de ciencia ficción y a hacer divulgación), Thomas Gold y Hermann Bondi, modificaron un poco el modelo teórico para que fuera compatible con las recientes observaciones. Plantearon que, si bien el universo siempre había existido, también se formaba continuamente (surgía nueva materia, que daba lugar a nuevas galaxias) y se expandía. De este modo, lograban ajustar ciertas observaciones astronómicas, como las de Hubble. Este modelo se llamó “Modelo del Estado Estacionario”.

Normalmente, este tipo de disputas se resuelven en ámbitos académicos, ya sea en congresos donde los científicos que trabajan en el tema se reúnen, o en los ámbitos informales en los cuales se encuentran para charlar entre sí. Pero lo curioso es que, en este caso, la pelea entre los dos modelos antagónicos alcanzó al público general, en parte porque varios de los cosmólogos involucrados hacían divulgación y hablaban por la radio. Y era una pelea “a muerte”, porque claramente los dos modelos no podían ser ciertos a la vez: uno de los modelos hablaba de un universo eterno, y el otro de un universo con un comienzo. Ambas posturas eran totalmente antagónicas.

En 1950 no había evidencias muy claras que permitieran descartar o apoyar uno de estos dos modelos. George Gamow y su estudiante doctoral Ralph Alpher habían mostrado que el modelo del Big Bang podía explicar por qué hoy el universo está compuesto por un 90% de átomos de hidrógeno (el átomo más liviano que existe), un 9% de átomos de helio (el segundo átomo más liviano que existe), dejando el 1% restante para todos los átomos más pesados que conocemos. En principio, los átomos pueden fusionarse y así originar nuevos elementos más pesados, pero en realidad no quedaba claro que esto pudiera ocurrir realmente, por lo que este modelo no lograba explicar la formación de átomos más pesados que el helio. Del otro lado, según el modelo del Estado Estacionario, a medida que las galaxias se alejan entre sí, surge nueva materia en el espacio que queda entre ellas, pero esta materia debería transformarse en las abundancias atómicas que observamos, y eso no lograba ser explicado tampoco por este modelo. Así que, si bien ambos modelos podían justificar que el universo estuviera expandiéndose, ninguno podía explicar satisfactoriamente las abundancias relativas de los átomos que hay actualmente.

En el momento y lugar adecuados

A fines de 1964, Penzias fue a una conferencia de astronomía en la que le mencionó el problema del ruido a Bernard Burke, un radioastrónomo del MIT. Un par de meses después, Burke lo llamó entusiasmadísimo por teléfono. Había recibido el manuscrito de un trabajo, o paper en la jerga científica, de Robert Dicke y James Peebles, que trabajaban en la Universidad de Princeton. En este trabajo, Dicke y Peebles habían deducido que, de ser cierto el Modelo del Big Bang, debía esperarse una radiación cósmica en el rango de las microondas. Y lo que hizo Burke fue contarle a Penzias acerca de lo que Dicke y Peebles habían pensado.

En realidad, Gamow, Alpher y Robert Herman habían predicho anteriormente que, si el universo se había originado en algún momento, deberíamos observar hoy una radiación en el rango de las microondas. Una explosión es una liberación brusca de energía, y parte de esa energía se libera como ondas del espectro electromagnético (luz, calor, rayos X, etc.). El razonamiento de Gamow, Alpher y Herman fue el siguiente: la expansión del universo, que a partir de las observaciones de Hubble era ya un hecho demostrado y que no dependía de qué modelo teórico se utilizara para explicar el universo, haría que las ondas generadas por la explosión que supuestamente dio origen al universo, se “estiraran” (un fenómeno similar ocurre cuando una ambulancia pasa cerca de nosotros: el sonido de la sirena se hace más grave a medida que se aleja). El universo está expandiéndose hace tanto, tanto tiempo, que las ondas liberadas después del Big Bang, originalmente nacidas como radiación de muy corta longitud de onda, debían haberse estirado tanto que ahora debían encontrarse en el rango de las microondas.

Esta predicción había sido formulada en 1948, pero 15 años después había sido francamente olvidada hasta que, de manera independiente, Dicke y Peebles volvieron a formularla. De hecho, Dicke y Peebles tampoco estaban al tanto de que Penzias y Wilson ya habían obtenido en los Laboratorios Bell las mediciones que la confirmaban. Es interesante ver lo difícil que era en esa época estar al tanto de las investigaciones de los demás.

Cuando Penzias se enteró de la predicción de Dicke y Peebles, todo encajó. Fue de pronto evidente que ese molesto ruido de fondo no tenía nada que ver con palomas, New York o cables con falsos contactos. Era nada más ni nada menos que el eco de la explosión que dio origen al universo.

Penzias entonces llamó por teléfono a Dicke para contarle que habían ya comprobado la existencia de esa radiación, que para el grupo de Princeton no era más que una idea teórica. Dicke quedó perplejo, porque además la llamada de Penzias había interrumpido una reunión en la que se estaba discutiendo la construcción de un detector específicamente diseñado para intentar encontrar esa radiación.

Ya no iba a ser necesario construir este radiotelescopio. Penzias y Wilson habían ganado la carrera, sin siquiera proponérselo.

Los “buenos modales” de los científicos

En 1965, Penzias y Wilson publicaron su descubrimiento en el Astrophysical Journal. Era un paper modesto y pequeño que describía el ruido de fondo que habían encontrado, pero no lo interpretaba como el eco del Big Bang. De manera muy amable, en una muestra de honorabilidad entre científicos, Penzias y Wilson omitieron cuidadosamente proponer una explicación teórica cosmológica acerca del origen de esa radiación de fondo, porque no habían participado de ese trabajo y, por lo tanto, no podían tomar crédito del mismo. La parte de la interpretación estuvo a cargo de Dicke y Peebles, que publicaron otro paper en el mismo número de la revista, donde explicaban la predicción (lo que habían planteado ya en el manuscrito que Burke había leído, pero que no se había llegado a publicar todavía), y donde tomaban lo obtenido por Penzias y Wilson y lo interpretaban.

El publicar en la misma revista no fue una casualidad, sino algo acordado entre los dos grupos de investigación para compartir en cierto modo el prestigio del descubrimiento. Después de todo, la observación desprovista de interpretación no era algo muy interesante, y la predicción desprovista de observación no era más que una idea en el aire. Era la confluencia de ambas cosas, una idea con su evidencia, lo que la volvía tan relevante para la cosmología. La teoría y la observación coincidieron y fueron mostradas en este par de papers.

El Big Bang se impone

Como dijimos, había dos modelos antagónicos para explicar la existencia del universo como lo conocemos: el del Big Bang, y el del Estado Estacionario. Y no había evidencias claras que inclinaran la balanza hacia uno u otro. Pero la predicción de Dicke y Peebles, confirmada por el descubrimiento que realizaron Penzias y Wilson, avalaba el modelo del Big Bang: el eco del Big Bang se había transformado en ondas de radio que estaban siendo detectadas como ruido por Penzias y Wilson. A esta radiación se la llamó entonces radiación cósmica de fondo (CMB radiation, es decir, cosmic microwave background radiation).

Por otra parte, el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo no sólo fue una clara prueba a favor del modelo del Big Bang, sino que también fue una prueba en contra del modelo del Estado Estacionario, que no podía explicar cómo podría el universo estar ahora lleno de microondas.

El descubrimiento de Penzias y Wilson de la radiación cósmica de fondo rápidamente se volvió, para la comunidad científica, uno de los más importantes descubrimientos astronómicos. Lo curioso era que habían logrado esto de casualidad, ¡sin buscarlo! Después de todo, Penzias y Wilson sólo estaban buscando estudiar las ondas de radio que provenían del espacio, y resultó que la existencia de esas ondas fue la mayor evidencia a favor del modelo del Big Bang.

Serendipity

La historia de la ciencia está llena de increíbles ejemplos de descubrimientos afortunados y accidentales. El idioma inglés tiene una bella palabra para describir este tipo de acontecimientos: serendipity. Muchos podrían decir que los científicos que encuentran algo sin buscarlo son solamente gente con suerte, pero esto es bastante injusto porque no resalta otro aspecto que es quizás más importante que el azar. Estos científicos son capaces de tomar esas observaciones accidentales, y hacer algo con ellas: las interpretan y las ponen en contexto de lo que se sabe hasta el momento. Sin esto, una observación no es absolutamente nada. Como dijo Louis Pasteur: “el azar favorece a la mente preparada”.

Penzias y Wilson no fueron menos. Sí, es cierto, se toparon con un ruido molesto de casualidad. Pero fue gracias a su tenacidad, conocimiento, curiosidad, rigurosidad y experiencia, que lograron establecer claramente que era algo, y no sólo un ruido más. De hecho, se cree que hubo antes que ellos otros científicos que habían detectado la radiación cósmica de fondo, pero no le habían prestado atención, y la habían descartado sin dudarlo. En cambio, Penzias y Wilson no sólo no ignoraron el problema, sino que lo atacaron con todas las armas de las que disponían hasta el momento.

Conclusión

La cosmología es una ciencia que sólo tiene unos pocos hechos observables con los cuales trabajar. El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo en el rango de las microondas agregó un hecho nuevo a esa corta lista. Pero lo más interesante de esto es que, para entender esta observación, era necesario considerar que el universo había tenido un comienzo con una fuerte fuente de radiación en sus etapas más tempranas. Fue esta observación quizás la más fuerte prueba a favor del Modelo del Big Bang.

El 21 de mayo de 1965, el New York Times publicó en primera plana un artículo sobre el descubrimiento de Penzias y Wilson y, de este modo, la noticia llegó al público general. El título decía simplemente “Signals imply ‘Big Bang’ Universe”. La gente quedó rápidamente fascinada por el descubrimiento, que tenía el sabor de algo inmenso que involucraba nada más y nada menos que el origen del universo hace unos 15.000 millones de años, y también el sabor de algo muy humano.

Penzias dijo respecto de su descubrimiento algo que refleja un poco la sensación que transmitió saber esto en ese momento:

“ Si sales hoy a la noche y te sacas el sombrero, recibirás directamente sobre tu cabeza un poco de la calidez del Big Bang. Y si tienes una buena radio FM y la ubicas entre estaciones, oirás ese sonido sh-sh-sh. Seguramente ya hayas oído este sonido. Es tranquilizador. A veces no es diferente del sonido de las olas. Del sonido que estás escuchando, aproximadamente un 0,5 % proviene de hace miles de millones de años.”

En el aula

11EnelaulaNuestros alumnos están mucho más acostumbrados a recibir conocimientos científicos acabados que a comprender cómo se llegó a saberlos. ¿Por qué querríamos que supieran cómo alguien hizo para resolver un problema y llegar a una respuesta? Por diversos motivos. Para empezar, la ciencia es mucho más que una serie de saberes. Es una manera de pensar, una manera de formular y responder preguntas. Y creemos que es importantísimo que nuestros alumnos aprendan esto también. Quizás muy pocos de ellos se dediquen luego a la investigación científica, y seguramente en este caso serán capaces de aprender el proceso de cómo se llega a un conocimiento en la ciencia de otro modo. Pero como docentes nos debemos especialmente a los otros alumnos que tenemos, a aquellos para los cuales la ciencia escolar será probablemente la única que estudien. No hablamos acá de transformar a nuestros alumnos en investigadores, sino de ayudarlos a aprender a pensar científicamente, lo que representa una habilidad importante que podrán utilizar en muchos aspectos de sus vidas.

¿Cómo podemos acercar a nuestros alumnos a los modos de hacer de la ciencia? Podemos realizar con ellos experimentos, podemos guiarlos para que descubran respuestas a preguntas. Y también podemos utilizar un recurso muy útil especialmente para quellos casos en los que no podemos replicar en el aula el modo en el que se llega a un determinado descubrimiento: la historia de la ciencia. El relato de hechos históricos nos puede aportar mucho. Mientras explica un determinado saber científico, puede mostrar cómo personas de carne y hueso lograron saber eso que sabemos.

En esta historia mostramos el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo. Fue un descubrimiento azaroso que, cuando pudo ser interpretado, representó una prueba poderosísima de que el universo comenzó en un momento, y que no existió siempre. Esto puede ser utilizado en el aula cuando se explica el origen del universo y la Teoría del Big Bang. Además, es una historia que contiene muchos elementos que nos muestran cómo es el proceso de obtención de un conocimiento. En este sentido, proponemos trabajar los siguientes aspectos, aunque puede haber otros:

  • El “método científico”: Muchos libros nos hablan de un método científico, en el que de manera ordenada y concatenada, un investigador puede llegar a obtener un conocimiento. Existes diversas definiciones, en las que se suele separar estos pasos en observación, hipótesis, experimentación, etc. Más allá de cuál tengamos en cuenta, todas ellas suelen representar el proceso de obtención de un conocimiento científico de un modo bastante rígido. Probablemente en muchos casos esto refleje la realidad. Pero no es de ningún modo el único modo en el que se llega a saber algo en ciencia. Muchos conocimientos se obtienen de manera mucho más flexible y creativa. Es valioso que nuestros estudiantes sepan esto. En esta historia mostramos que Penzias y Wilson realizaron una observación casualmente, intentando responder otras preguntas. Y la interpretación de esa observación fue provista por otros científicos. La conjunción de ambos factores permitió saber que esa observación era muy posiblemente el eco del Big Bang.
  • Observación vs. experimentación: Es frecuente que se hable de que, para responder una determinada pregunta en ciencia, hay que realizar un experimento. Esto no siempre es deseable y a veces ni siquiera es posible. Hay campos de investigación enteros que se basan, no tanto en la experimentación, sino en la observación. La cosmología es uno de ellos. En este caso, lo que realizaron Penzias y Wilson fue una observación muy concreta. No podrían haber hecho un experimento ni si se lo hubieran propuesto. Ahora bien, observar es una habilidad, una competencia científica, mucho más compleja de lo que puede parecer a simple vista. Una observación muchas veces se busca atentamente para responder una pregunta en particular, aunque esto no pasó en esta historia. Sin embargo, Penzias y Wilson hicieron mucho más que toparse con un ruido de fondo en sus mediciones: trabajaron metódicamente para comprender ese ruido lo más posible, y asegurarse de que era algo real. De hecho, como mencionamos, hay evidencias que sugieren que otros investigadores también habían notado ese ruido de fondo, y sin embargo ninguno de ellos lo tomó en cuenta.
  • Serendipity: El papel del azar en la investigación científica muchas veces ha demostrado ser importante. Es interesante que transmitamos esto a nuestros alumnos, pero es fundamental que no se queden con la idea de que todo depende exclusivamente de la suerte. En la ciencia no se llega muy lejos si solo se tiene suerte. Sobre algo descubierto por azar hace falta construir algo sólido e interpretarlo a la luz de lo que ya se sabe. En este sentido, la historia de Penzias y Wilson ilustra muy bien este aspecto.
  • Modelos teóricos: En esta historia se mencionan y discuten dos modelos teóricos. Un modelo teórico es básicamente un invento humano que intenta, no solo explicar las evidencias (obtenidas por observación y experimentación) de algo que ocurre en la realidad, sino también formular predicciones concretas. Estas predicciones son ideas del estilo “si este modelo fuera cierto, entonces esperaría observar tal cosa”. Dicke y Peebles justamente plantearon una predicción dentro del Modelo del Big Bang. Es interesante que distingamos bien claramente qué es la realidad, y qué las ideas que tenemos como seres humanos acerca de esa realidad. Un modelo es el intento humano de explicar algún aspecto de la realidad y, como tal, puede desmoronarse si se obtiene una evidencia que no concuerda con él. Pero lo que se desmorona es la idea, mientras que la realidad sigue ahí afuera, inalterada.
  • La comunicación entre los científicos: Los científicos muy rara vez trabajan en soledad sino que se comunican permanentemente entre sí, ya sea dentro del mismo grupo de investigación como con otros investigadores. En las últimas décadas cada vez se volvió más habitual e indispensable que los científicos socialicen entre sí por medio de congresos donde se reúnen, o por medio de cartas anteriormente, o llamadas telefónicas o e-mails y otros métodos virtuales en la actualidad. La costumbre de charlar con otros científicos acerca de lo que uno está investigando es más que un momento social de compartir ideas: muchas veces esto permite que personas ajenas a la investigación puedan realizar aportes, o imaginar experimentos o interpretaciones que a los investigadores del tema en cuestión se les escapa. Pero el modo más formal de comunicación entre científicos es quizás la publicación de los trabajos en revistas especializadas. En esta historia hay ejemplos de muchos de estos tipos de comunicación entre científicos.

Cuestionario guía para trabajar el texto en el aula:

  1. Averiguá más acerca de Penzias y Wilson. ¿En qué trabajaron luego de obtener el Premio Nobel? ¿Viven todavía?
  2. Buscá otros ejemplos de descubrimientos científicos en los que el azar tuvo un papel importante.
  3. ¿El Modelo del Big Bang es el único modelo científico que actualmente intenta explicar el origen del universo, o hay otros que se consideren posiblemente válidos?
  4. Según tu opinión, debería realizarse investigación básica financiada por instituciones privadas, como los Laboratorios Bell en esta historia, o esto podría representar algún tipo de conflicto de intereses?

A modo de epílogo

Gamow, Alpher y Herman habían predicho la existencia de la radiación cósmica de fondo mucho antes que Dicke y Peebles, pero no obtuvieron prácticamente ningún reconocimiento. Todos hablaban de Penzias y Wilson como los descubridores de la radiación cósmica de fondo, y de Dicke y Peebles como los predictores.

El Premio Nobel de Física de 1978 se dividió en dos mitades: una fue otorgada a Pyotr Leonidovich Kapitsa “por sus invenciones y descubrimientos básicos en el campo de la física de bajas temperaturas”, y la otra fue para Arno Allan Penzias and Robert Woodrow Wilson “por su descubrimiento de la radiación cósmica de fondo”.

Podríamos pensar que también Dicke y Peebles merecían algún tipo de reconocimiento en su calidad de teóricos, pero los Premios Nobel se adjudican, por indicación de Alfred Nobel, más que nada a descubrimientos concretos y no tanto a ideas. Sin ir más lejos y a modo de ejemplo, Albert Einstein recibió en 1921 el Premio Nobel de Física, no por su Teoría de la Relatividad Especial, sino por su descubrimiento del efecto fotoeléctrico.

Más allá de esto, el Premio Nobel a Penzias y Wilson marcó en cierta medida el momento en el que el Modelo del Big Bang pasó a ser algo validado y reconocido por la mayor parte de la comunidad científica.

A partir del descubrimiento de la radiación cósmica de fondo se realizaron muchas mediciones más con el objetivo de caracterizarla más cuidadosamente. La NASA envió en 1989 un satélite especialmente dedicado a la cosmología. Este satélite se llamó COBE (por COsmic Background Explorer) y orbitó la Tierra hasta 1996. COBE permitió descubrir que la radiación cósmica de fondo no es totalmente uniforme en el espacio, sino que existen irregularidades. Dos de los investigadores principales del proyecto COBE, George Smoot y John Mather, recibieron por esto el Premio Nobel de Física en 2006. El comité del Premio Nobel dijo que este proyecto marcaba “el comienzo de la cosmología como una ciencia de precisión”. COBE permitió armar el primer “mapa” del universo que muestra las zonas donde la radiación cósmica de fondo es más intensa o menos intensa.

Luego de COBE, se lanzó en 2001 un nuevo satélite para seguir midiendo la radiación cósmica de fondo pero con mayor precisión todavía. Este satélite se llamó WMAP (por Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) y operó hasta 2010. WMAP permitió armar un mapa aún más detallado que COBE.

Mapa de la radiación cósmica de fondo a partir de los datos tomados por la sonda Planck (2013)

Mapa de la radiación cósmica de fondo a partir de los datos tomados por la sonda Planck (2013)

En 2009 se lanzó el Planck Surveyor, la tercera misión destinada a medir la radiación cósmica de fondo. En este caso, fue realizada por la Agencia Espacial Europea (ESA). La sonda Planck pudo medir a escalas más pequeñas y con mayor precisión que la WMAP y, en base a los datos que pudo obtener, se armó en 2013 el mapa más detallado de la radiación cósmica de fondo que tenemos hasta el momento

Referencias

– Singh, Simon, “Big Bang. The Origin of the Universe”. Harper Collins Publishers, 2004

– Conferencia Nobel de Penzias (Premio Nobel de Física, 1978): http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1978/penzias-lecture.html

– Conferencia Nobel de Wilson (Premio Nobel de Física, 1978): http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1978/wilson-lecture.html

http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Arno_Allan_Penzias

http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background_radiation

Una versión preliminar de este artículo fue publicada online en el año 2010, como Expedición Ciencia, en La Punta del Ovillo, que formaba parte del espacio Enseñanza en Foco del portal Educared, de Fundación Telefónica Argentina.

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6 comentarios en “El comienzo del universo

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