Hace un siglo, Alexander Friedmann imaginó la expansión del universo

Durante milenios, el universo hizo un buen trabajo ocultando sus secretos a la ciencia.

Los antiguos griegos pensaban que el universo era una esfera de estrellas fijas que rodeaban esferas más pequeñas que transportaban planetas alrededor de la Tierra central. Incluso Copérnico, quien en el siglo XVI reemplazó correctamente la Tierra con el sol, vio el universo como un solo sistema solar encerrado por la esfera exterior tachonada de estrellas.

Pero en los siglos que siguieron, el universo reveló parte de su inmensidad. Contenía innumerables estrellas aglomeradas en enormes cúmulos, ahora llamados galaxias.

Luego, a fines de la década de 1920, el cosmos reveló su secreto más guardado: se estaba haciendo más grande. En lugar de ser estático y estable, una entidad eterna y siempre la misma que abarca toda la realidad, el universo se expandió continuamente. Las observaciones de galaxias distantes les mostraron volando separados unos de otrossugiriendo que el cosmos actual es solo la fase adulta de un universo nacido hace mucho tiempo en el estallido de una pequeña mancha de energía.

Fue una sorpresa que sacudió la ciencia en sus cimientos, socavando los preconceptos filosóficos sobre la existencia y lanzando una nueva era en la cosmología, el estudio del universo. Pero aún más sorprendente, en retrospectiva, es que un secreto tan profundo ya había sido sospechado por un matemático cuya especialidad era predecir el clima.

Este mes hace un siglo (mayo de 1922), el matemático y meteorólogo ruso Alejandro Friedman compuso un artículo, basado en la teoría general de la relatividad de Einstein, que describía múltiples historias posibles del universo. Una de esas posibilidades describía la expansión cósmica, a partir de un punto singular. En esencia, incluso sin considerar ninguna evidencia astronómica, Friedmann había anticipado la moderna teoría del Big Bang sobre el nacimiento y la evolución del universo.

“La nueva visión del universo abierta por Friedmann”, escribe el físico ruso Vladimir Soloviev en un artículo reciente“se ha convertido en la base de la cosmología moderna”.

Friedman no era muy conocido en ese momento. Se había graduado en 1910 de la Universidad de San Petersburgo en Rusia, habiendo estudiado matemáticas junto con algo de física. En la escuela de posgrado investigó el uso de las matemáticas en meteorología y dinámica atmosférica. Aplicó esa experiencia para ayudar a la fuerza aérea rusa durante la Primera Guerra Mundial, utilizando las matemáticas para predecir el punto óptimo de lanzamiento para lanzar bombas sobre objetivos enemigos.

Después de la guerra, Friedmann aprendió de la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe la gravedad como una manifestación de la geometría del espacio (o más exactamente, del espacio-tiempo). En la teoría de Einstein, la masa distorsiona el espacio-tiempo, produciendo una “curvatura” en el espacio-tiempo, lo que hace que las masas parezcan atraerse entre sí.

Friedmann estaba especialmente intrigado por la teoría de Einstein. 1917 papel (y un artículo similar de Willem de Sitter) aplicando la relatividad general al universo como un todo. Einstein descubrió que sus ecuaciones originales permitían que el universo creciera o se encogiera. Pero lo consideró impensable, por lo que agregó un término que representaba una fuerza repulsiva que (pensaba) mantendría constante el tamaño del cosmos. Einstein concluyó que el espacio tenía una curvatura espacial positiva (como la superficie de una pelota), lo que implica un universo “cerrado” o finito.

Friedmann aceptó el nuevo término, llamado constante cosmológica, pero señaló que para varios valores de esa constante, junto con otras suposiciones, el universo podría exhibir comportamientos muy diferentes. El universo estático de Einstein era un caso especial; el universo también podría expandirse para siempre, o expandirse por un tiempo, luego contraerse hasta un punto y luego comenzar a expandirse nuevamente.

Friedman’s artículo que describe universos dinámicostitulado “Sobre la curvatura del espacio”, fue aceptado para su publicación en la prestigiosa revista de fisica el 29 de junio de 1922.

Einstein objetó. Escribió una nota a la revista afirmando que Friedmann había cometido un error matemático. Pero el error fue de Einstein. Más tarde reconoció que las matemáticas de Friedmann eran correctas, aunque seguía negando que tuviera alguna validez física.

Friedman insistió en lo contrario.

No era solo un matemático puro, ajeno a los significados físicos de sus símbolos en el papel. Su profunda apreciación de la relación entre las ecuaciones y la atmósfera lo persuadió de que las matemáticas significaban algo físico. Incluso escribió un libro (El mundo como espacio y tiempo) profundizando en la conexión entre las matemáticas de la geometría espacial y el movimiento de los cuerpos físicos. Los cuerpos físicos “interpretan” el “mundo geométrico”, declaró, lo que permite a los científicos probar cuál de los diversos mundos geométricos posibles habitan realmente los humanos. Debido a la conexión física-matemática, afirmó, “es posible determinar la geometría del mundo geométrico a través de estudios experimentales del mundo físico”.

Entonces, cuando Friedmann obtuvo soluciones para las ecuaciones de Einstein, las tradujo a los posibles significados físicos del universo. Dependiendo de varios factores, el universo podría expandirse desde un punto o desde un estado inicial finito pero más pequeño, por ejemplo. En un caso que imaginó, el universo comenzó a expandirse a un ritmo de desaceleración, pero luego alcanzó un punto de inflexión, con lo cual comenzó a expandirse a un ritmo cada vez más rápido. A fines del siglo XX, los astrónomos que midieron el brillo de las supernovas distantes concluyeron que el universo acababa de tomar un curso así, un choque casi tan sorprendente como la expansión del propio universo. Pero las matemáticas de Friedmann ya habían pronosticado tal posibilidad.

En 1929, Edwin Hubble (en la imagen) informó que las galaxias distantes parecen alejarse de nosotros más rápido que las galaxias cercanas, evidencia clave de que el universo se está expandiendo.PICTORIAL PRESS LTD/ALAMY FOTO DE ARCHIVO

Sin duda, el profundo aprecio de Friedmann por la sinergia de las matemáticas abstractas y la física concreta preparó su mente para considerar la noción de que el universo podría estar expandiéndose. Pero tal vez tenía alguna ayuda adicional. Aunque fue el primer científico en proponer seriamente un universo en expansión, no fue la primera persona. Casi 75 años antes del artículo de Friedmann, el poeta Edgar Allan Poe había publicó un ensayo (o “poema en prosa”) llamado Eureka. En ese ensayo, Poe describió la historia del universo como una expansión a partir de la explosión de una “partícula primordial”. Poe incluso describió que el universo crece y luego se contrae nuevamente hasta un punto, tal como lo imaginó en uno de los escenarios de Friedmann.

Aunque Poe había estudiado matemáticas durante su breve tiempo como estudiante en West Point, no había usado ecuaciones en Eureka, y su ensayo no fue reconocido como una contribución a la ciencia. Al menos no directamente. Sin embargo, resulta que Friedmann era un ávido lector, y entre sus autores favoritos se encontraban Dostoievski y Poe. Quizás por eso Friedmann fue más receptivo a un universo en expansión que otros científicos de su época.

Hoy en día, las matemáticas de Friedmann siguen estando en el centro de la teoría cosmológica moderna. “Las ecuaciones fundamentales que derivó aún proporcionan la base para las teorías cosmológicas actuales del Big Bang y la aceleración del universo”, señaló el matemático e historiador israelí Ari Belenkiy. en un artículo de 2013. “Introdujo la idea fundamental de la cosmología moderna: que el universo es dinámico y puede evolucionar de diferentes maneras”.

Friedmann enfatizó que el conocimiento astronómico en su día era insuficiente para revelar cuál de las posibles historias matemáticas ha elegido el universo. Ahora los científicos tienen muchos más datos y han reducido las posibilidades de una manera que confirma la presciencia de las matemáticas de Friedmann.

Sin embargo, Friedmann no vivió para ver los triunfos de sus ideas, ni siquiera para ver las primeras pruebas de que el universo realmente se expande. Murió en 1925 de fiebre tifoidea, a la edad de 37 años. Pero murió sabiendo que había descifrado un secreto sobre el universo más profundo de lo que sospechaba ningún científico antes que él. Como recordaba su esposa, le gustaba citar un pasaje de Dante: “Las aguas en las que estoy entrando, nadie las ha cruzado todavía”.

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