"Las
aguas en las que entro nunca han sido cruzadas por nadie".
La teoría del Big Bang fue popularizada en el
siglo XXI por el físico Stephen Hawking, al punto que en el imaginario popular
se asumía a este físico como el proponente de esta teoría. En la actualidad la
gran mayoría conoce que ese crédito pertenece al astrofísico y sacerdote belga Georges Lemaitre, quien en 1927 propuso su idea de la
expansión del universo, derivado de las ecuaciones presentadas por Einstein en
su teoría de la relatividad general. Sin embargo, no fue Lemaitre el primero en
proponer la idea de la expansión del universo.
En 1922, cinco años antes que Lemaitre, un
físico de Petrogrado de nombre Alexander Fridman, descubre que las ecuaciones
de la teoría de la relatividad general de Einstein admiten no solo soluciones
estáticas, sino también dinámicas.
Friedman propuso considerar el cosmos como un universo
con un radio cambiante. No está claro por qué, porque entonces nadie quería vivir
en un universo así. A todos les gustaría vivir en un universo estable, como una
pelota. Este fue el modelo que propuso Einstein en 1917. En el marco de la
cosmología relativista, Einstein propuso dos modelos estacionarios del universo
y los físicos debatieron cuál era mejor. Y Friedman decidió investigar la
suposición: ¿qué pasará si cambia el radio del universo? Entonces entraron en
juego las matemáticas.
Friedman argumentó que es posible encontrar tres clases de soluciones con tal desarrollo cualitativo. Cada una de estas clases tiene un número infinito de soluciones. En el modelo estacionario de Einstein, este es un modelo tipo bola, había un número infinito de soluciones: para cada radio, se podía indicar su propia solución. Y las soluciones fueron determinadas por dos parámetros, cada uno de los cuales podría tener cualquier valor: el radio del universo y su densidad. La decisión permitió comprender, según los parámetros seleccionados, en qué punto nos encontramos aproximadamente, y comprender qué pasará a continuación con el universo.
Por qué Friedman quería considerar el universo
con un radio cambiante, no lo explicó, pero muestra todas las consecuencias
matemáticas de esta hipótesis. Esta hipótesis fue inicialmente rechazada por
casi todos, incluido el propio Einstein. Pasaron décadas, cuando la evidencia
empírica comenzó a emerger, para volver a ella, cuando otras personas también
comenzaron a apoyarla.
Tres posibles
escenarios principales para la evolución del espacio, propuestos por Friedman
en 1922, se describen como la dependencia del radio cósmico del tiempo. En el
primer escenario monótono, M1, el universo se expande desde la singularidad con
una velocidad decreciente hasta cierto momento tf, luego la velocidad de
expansión aumenta. La hora actual está marcada en el gráfico con una línea que
pasa por t₀. El escenario M1 está en mejor acuerdo con las observaciones
astrofísicas modernas. La curva М2 corresponde al escenario en el que el universo
comienza a expandirse desde un estado con un radio inicial Rmin distinto de
cero. El escenario periódico P corresponde a la expansión desde un punto y la
contracción hasta el punto. Según: (Physics Today, octubre de 2012, p. 38).
Precursor del universo dinámico
En su libro “El mundo como espacio y tiempo”,
publicado en 1923, el propio Friedman habla del Big Bang:
“El tipo variable del universo presenta una amplia variedad de casos; para este tipo, hay casos en que el radio de curvatura del mundo, a partir de un cierto valor, aumenta constantemente con el tiempo; otros casos son posibles cuando el radio de curvatura cambia periódicamente: el universo se comprime en un punto (en nada), luego nuevamente desde un punto lleva su radio a un cierto valor, luego nuevamente, disminuyendo el radio de su curvatura, se convierte en un punto, etc. "
En 1924, Friedman propuso otra idea
revolucionaria sobre la posibilidad de la existencia de un universo dinámico
con curvatura negativa, lo que significa que es infinito en volumen e ilimitado
en espacio.
Décadas más tarde, las observaciones
espaciales confirmaron que uno de los tres escenarios para el desarrollo del
espacio, propuesto por Friedman en 1922-1924, es cierto. Tres astrónomos
estadounidenses que descubrieron la expansión acelerada del universo recibieron
el Premio Nobel de Física 2011. Para corroborar la importancia de este
descubrimiento, la Real Academia Sueca de Ciencias se refirió al trabajo de
Friedman.
Einstein y el destino
La teoría especial de la relatividad, que apareció en 1905, era bien conocida en Rusia. Pero el artículo de Einstein, escrito en 1915, en el que formulaba los principios de la relatividad general, a causa de la Primera Guerra Mundial, llegó con retraso a los científicos rusos. Poco después del final de la guerra, los informes de esta teoría y de las observaciones de Arthur Eddington de un eclipse solar en mayo de 1919 que lo confirmaban, finalmente llegaron a Rusia y fueron recibidos con entusiasmo por la comunidad científica.
Desde 1921, se reanudó la entrega de publicaciones científicas europeas a Rusia y los científicos rusos obtienen acceso a la literatura necesaria. Además, el físico Vsevolod Frederiks aporta información valiosa sobre la nueva teoría a Petrogrado, que realmente la conocía de primera mano. Durante la guerra, fue internado en Alemania como "prisionero civil". Con el permiso de las autoridades alemanas, Frederiks trabajó en Gotinga como asistente de David Hilbert, quien a principios de 1916 formuló las ecuaciones de la relatividad general independientemente de Einstein y estaba muy familiarizado con sus principios.
Friedman elogia mucho el trabajo de Einstein.
En su libro “El mundo como espacio y tiempo”, escribe:
“La teoría de Einstein está justificada por la experiencia; explica fenómenos antiguos, aparentemente inexplicables, y prevé correlaciones nuevas y sorprendentes. La forma más segura y profunda de estudiar la geometría del mundo y la estructura de nuestro universo con la ayuda de la teoría de Einstein es aplicar esta teoría a todo el mundo y utilizar la investigación astronómica. Hasta ahora, este método puede darnos poco, pues el análisis matemático está deponiendo las armas ante las dificultades de la cuestión y los estudios astronómicos aún no proporcionan una base suficientemente confiable para el estudio experimental de nuestro universo. Pero en estas circunstancias uno no puede dejar de ver dificultades temporales; nuestros descendientes, sin duda, reconocerán la naturaleza del universo en el que estamos condenados a vivir ... ".
En estrecha colaboración con Fredericks, Friedman crea sus obras fundamentales sobre la relatividad general.
En junio de 1922, Friedman envió la versión en ruso de su obra "Sobre la curvatura del espacio" a Leiden al físico teórico holandés Paul Ehrenfest, quien la envía para su publicación en Zeitschrift für Physik. El propio Einstein llama la atención sobre el artículo, publicado en julio de 1922, que, sin embargo, no es sorprendente: después de todo, Ehrenfest era su amigo íntimo.
La evaluación de Einstein de la teoría de Friedman como "sospechosa" mostró cuán inaceptable le parecía en ese momento la idea de un universo cambiante. Correcto, en su opinión, la teoría debería haber confirmado la constancia "obvia" del cosmos.
En septiembre de 1922, Einstein envió una breve nota a Zeitschrift für Physik en la que sugería que Friedman había cometido un error matemático. En una carta de respuesta con fecha de diciembre de 1922, Friedman da sus cálculos con más detalle. Sin embargo, esta carta cae en manos del destinatario recién en mayo del año siguiente, cuando Einstein regresa de su gira de conferencias alrededor del mundo.
Un mes después, el colega de Fridman, el físico soviético Yuri Aleksandrovich Krutkov, se encuentra con Einstein en la casa de Ehrenfest en Leiden y le da una explicación final. Inmediatamente después de esta reunión, Einstein publicó otro mensaje en Zeitschrift für Physik, en el que reconoció que los cálculos matemáticos de Friedman eran correctos.
Sin embargo, tuvieron que pasar otros ocho años antes de que Einstein aceptara la idea de un universo en expansión.
Paralelamente, Friedman presenta otro argumento contra la idea de un espacio cerrado. Por sugerencia de su viejo amigo, el matemático Yakov Tamarkin, se plantea la pregunta: ¿Tienen las ecuaciones de la relatividad general soluciones en forma de un hiperboloide infinito en volumen con la misma curvatura negativa en todos los puntos del espacio?
En su nuevo artículo, publicado en Zeitschrift für Physik en enero de 1924, ofrece dos de estas soluciones: estática y dinámica. La solución estática para el espacio con curvatura negativa, como la solución de De Sitter, requiere una densidad de materia cero en el universo, lo que significa que no es de interés físico. En el caso de una solución dinámica, la densidad de la materia debe ser la misma que en la variante con curvatura positiva. De lo cual, por ejemplo, se sigue que es imposible determinar el signo de la curvatura del espacio sobre la base de una sola medición de la densidad de una sustancia.
Desafortunadamente, este artículo de Friedman también fue ignorado por la comunidad física internacional, incluido Einstein.
Desgraciadamente, la vida de Alexander Fridman se truncó: en septiembre de 1925, después de regresar de Crimea, enfermó de fiebre tifoidea y, después de dos semanas de luchar contra la enfermedad, muere a la edad de 37 años.
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