El alumno que nos lanza hoy una pregunta hace trampa, pues pregunta por qué el universo es infinito, cuando en realidad no estamos del todo seguros sobre si es finito o no.
Una pequeña parte del universo: NGC 6744 (cc-by-3.0, http://www.eso.org/public/images/eso1118a/)
Sabemos que nuestro sistema solar es parte de la Vía Láctea, una galaxia que estimamos que tiene unos 150.000 años luz de diámetro (o aproximadamente 1.420.000.000.000.000.000 km)… y suponemos que hay unas 100.000.000.000 galaxias como esa en el Universo Observable… eso es mucho espacio, muy grande, inmenso, pero… ¿es infinito? Por muy grande que sea un número, no es infinito.
El truco está en que no hemos escrito “Universo”, sino “Universo Observable”.
La mejor explicación que nuestra física da ahora mismo al origen del Universo es la del Big Bang, que ocurrió hace 13.800 millones de años. Eso es un montón de tiempo. Dado que la luz (y cualquier otra interacción fundamental) viaja a esa velocidad, cualquier cosa que esté ahora mismo a más de 13.800 millones de años-luz de distancia no puede ser observada por nosotros. No es que nuestros instrumentos sean poco precisos, nuestros telescopios malos o nuestros radiotelescopios demasiado pequeños, es que las propias leyes de la física impiden que cualquier suceso que haya ocurrido más allá de esa distancia haya tenido tiempo de llegar a nosotros.
En realidad aún tenemos una teoría que matiza eso, y es que después del Big Bang no solo la materia y la energía salieron despedidas, sino que el propio espacio se expandió, de modo que hay cosas que ahora están muy lejos, pero antiguamente estaban más cerca, y por lo tanto pudimos “verlas”, interaccionar con ellas, a pesar de que ahora están más allá de los 13.800 millones de años-luz que marcan el límite si no tenemos en cuenta dicha expansión. Si te resulta difícil de entender, vamos a usar una analogía: imagina una goma elástica, de esas de sujetar los cartones de huevos… pero muy grande. Imagina que corres sobre ella a la velocidad de la luz, que es la máxima velocidad a la que puede correr, pero a la vez estiras de los lados la goma. Al cabo de un cierto tiempo, la distancia que separa dos puntos es muy grande, pero en el principio no lo era, y por lo tanto podían interaccionar entre sí si viajaban a la velocidad de la luz, o incluso si viajaban más despacio.
Nuestras estimaciones actuales dicen que, teniendo en cuenta esa expansión, podemos teóricamente llegar a unos 45.000 millones de años-luz.
Por lo tanto, el Universo Observable es finito: es una esfera de 45.000 millones de años-luz alrededor nuestra. Ojo: no el Universo, solo el Universo Observable, del cual por definición somos el centro.
¿Y qué hay del Universo No Observable? ¿Hay algo más allá de esa esfera?
Nuestra intuición nos diría que sí, ¿verdad? No es como si allí hubiera una barrera que no dejara pasar nada, es solo que está demasiado lejos. No nos cuesta mucho imaginar que hubiera un extraterrestre alejado de nosotros, por ejemplo 15.000 millones de años luz… su Universo Observable llegaría hasta más allá del nuestro (por un lado; por el otro, se le acabaría antes que a nosotros).
Dado que este ejercicio de imaginación no parece descabellado… ¿qué hay más allá de lo que podemos ver? ¿Qué tamaño tiene?
Muchos creen que la mera pregunta no tiene sentido, no es científica. La Ciencia (con mayúsculas) estudia lo que se puede medir, pero esa zona fuera de la esfera azulada que representa nuestro Universo Observable no podemos medirla… y por lo tanto no es objeto de la Ciencia.
Otros creen que, a pesar de ello, podemos hacer el experimento mental que hemos hecho antes y que la pregunta es legítima… solo que no tenemos respuesta. Mejor dicho: la respuesta es no lo sabemos.
Pero el alumno se pregunta “¿por qué es infinito?”, da por supuesto que es infinito, así que suponemos que se adhiere a las teorías que lo consideran infinito. ¿Por qué algunos se adhieren a esa teoría? La mejor explicación que conozco es la siguiente: hasta donde llegan todas nuestras medidas el Universo es isotrópico, lo cual quiere decir que se comporta igual en todas las direcciones. Si se terminara en algún momento (como si fuera una mesa que se termina cuando llegas al borde), habría una dirección en que se comportaría distinto… justo en la dirección en que se termina. Como eso no es así, no puede terminarse en ningún sitio, es infinito.
O mejor dicho: es infinito en nuestras 3 dimensiones. Hay quien considera que eso es una posibilidad. A ver si con una analogía lo conseguimos explicar: la Tierra es una esfera. Alguien que esté en la superficie de la esfera puede andar sin parar y jamas alcanzará el “borde de la Tierra”. Eso es porque la superficie, que es de dos dimensiones por definición, se curva sobre la tercera dimensión hasta formar una esfera. A menudo se dice que la superficie de la esfera “es finita pero ilimitada”.
Haciendo un enorme esfuerzo de imaginación podemos pensar que las 3 dimensiones espaciales que conocemos se curven sobre una cuarta dimensión (que nuestra mente, pobrecita, apenas puede vislumbrar) haciendo una especie de 4-esfera: del mismo modo que una hormiga que vive en las dos dimensiones de la superficie de la Tierra puede vivir creyendo que su superficie es infinita, quizá nosotros vivimos en nuestras tres dimensiones creyendo que el Universo es infinito… aunque en realidad “solo” es ilimitado.
Si ya os duele la cabeza, enhorabuena.
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{ 21 } Comentarios
Hola J,
creo que se te coló una errata, anisótrópico por isotrópico.
Tienes razón; qué error más gordo, porque significa justo lo contrario. Corregido, gracias.
No veo donde el hecho de que el universo sea un esfera en 4 dimensiones es un esfuerzo de la imaginacion, es practicamente un hecho. Podria ser un toro o una silla de caballo, pero eso no es que sea mas facil de imaginar. En fin, si el universo no es un cosa de esas, como se explica que todo se aleje de todo? El universo es finito pero ilimitado, eso creo que esta aceptado actualmente.
Me parece ver un dilema logico en decir primero que algo esta fuera del alcance de la ciencia y despues decir que no lo sabemos cientificamente. La ciencia no puede dar ninguna repuesta a algo que por definicion esta fuera de su aplicacion. Es como decir que no se cuantos milimetros mide un vatio. Claro que si sabemos que el universo era mas o menos homgeneo en su origen y bastante tiempo despues, es una extrana asuncion suponer que en cuanto alguna porcion del espacio/tiempo desaparece de nuestra alcance se convierta en mordor, pero quien sabe.
Sergio B, hasta donde sé la hipótesis más aceptada es que el Universo es infinito y plano.
Creo que estamos muy lejos hoy por hoy de asegurar todo este tipo de consideraciones. Estoy de acuerdo con lo que dice Sergio B en lo referente a que se cree que el Universo es finito e ilimitado. Eso, unido al tema de la planitud, me parece que no deja de ser una hipótesis de trabajo para intentar resolver las ecuaciones de la Relatividad. Si lo que observamos se ajusta a los resultados… podemos dar un voto de apoyo a las hipótesis de trabajo.
Hoy por hoy parece que tenemos la certeza, por las características de la Radiación de fondo de microondas, que la realidad, y por tanto la geometría que hay que aplicar en los cálculos, es la euclidiana, es decir: Universo plano o muy próximo a ello. Lo cual no quiere decir que lo tengamos que imaginar como una hoja de papel. Es plano, euclidianos, a efectos de cálculos coherentes.
La finitud podríamos quizás comprobarla también (aunque mis ojos no lo van a ver) ya que la luz de una galaxia debería llegar a nosotros por más de un sitio (entelequia: directamente o dando la vuelta a través de la “esfera” del Universo). Deberíamos ver a la galaxia dos veces. En teoría esto se podría hacer. En la práctica… buf. Creo que están en ello algunos astrónomos.
Que el universo no tenga borde, ilimitado, aún lo veo más difícil de comprobar ¿querría decir eso que no hay nada más que el Universo si no existe una frontera de separación que le limite? A saber.
Según todo lo anterior, que es mi forma de entenderlo y que quizás sea un churro, dejo los conceptos de planitud, infinitud y sin fronteras para la teoría. Mis patrones neuronales de gestión de las abstracciones no me dan para más. Y así me quedo deseando que los matemáticos cosmológicos sigan siendo tan buenos como hasta ahora. O mejores. No lo dudo.
Le he hechado un ojo a la wikipedia:
https://es.wikipedia.org/wiki/Forma_del_universo
Sale lo del fondo de microondas y hay algo que no logro entender en la explicacion de ahi. Si nuestro horizonte de vision es limitado, como esperaban ver las vueltas del universo? Es decir, si mi coche solo recorre cien kilometros y soy incapaz de volver al punto de partida, eso no quiere decir que la tierra sea plana. He intentado indagar algo mas pero aparte del hecho no consigo encontrar una explicacion. Seguro que habra otro motivo por el que el fondeo de microondas dice lo que dice, si alguien lo sabe agradeceria una explicacion.
A mi se me hace complicado la ide de un universo que no sea cerrado, sobretodo por que no veo claro el concepto de una frontera del universo. Ademas, respecto a la esfera del universo observable, vale que la diferencia es pequena pero si tenemos un telescopio dando vueltas a la tierra, la esfera observable se mueve segun en que posicion de la orbita este el satelite?
Según las mediciones actuales, si el Universo es cerrado tendría que ser como mínimo más de 200 veces más grande que el universo observable. Eso indicaría que va a ser muy difícil comprobar el tamaño tanto si es infinito como si es finito.
En mi opinión personal, veo más elegante un Universo infinito que uno finito y cerrado, ya q
(continuo)… ya que eso pone más constantes arbitrarias al Universo ¿Porqué tiene ese tamaño? ¿Porqué no es más grande o más chico?. Además de que la Relatividad no se aplicaría a todo el Universo.
imagino una zona fronteriza del cosmos donde dejara de haber materia , donde por cm cúbico – por decirlo de alguna forma – no existiese nada de nada , tampoco espacio/tiempo y por tanto cero gravedad ; un objeto no podría desplazarse por ese lugar claro está y no existiría ningún fenómeno que requiriera del omnipresente espacio/tiempo …. y caigo en la cuenta que mas estoy definiendo este universo que cualquier otra cosa mas allá de él , y que siempre llego donde mismo : intentando ponerle una piel al cosmos . y me surge otra duda : el espacio/tiempo no puede existir sin materia/energía y viceversa ?? supongo que surgieron en forma simultanea .
anibal, todas las observaciones que se hacen en el universo observable indican que es homogéneo e isotrópico. Si todo el Universo tiene esa característica entonces no hay una zona donde deja de haber materia o espacio-tiempo, solo hay dos posibilidades, es infinito o es finito pero cerrado, osea que no tiene un borde sino que simplemente se da la vuelta.
Siempre está la posibilidad de que esas características sean solo del universo observable y no de todo el Universo, pero primero, es difícil de verificar las características de algo que no podemos medir y segundo, requeriría una explicación de porqué justo estamos en una zona que tiene esas características.
ademas que el espacio tiene mucha mas información que entregar sobre su naturaleza , Ahora sabemos que el espacio y el tiempo no son sólo el escenario en el que el universo físico se desenvuelve, sino que forman parte de los propios procesos físicos. por tanto saber mas acerca de él nos puede ayudar a comprender finalmente sobre su finitud o infinitud.
Madre mía, nunca me había planteado cuál era el tamaño del Universo, pero mucho menos lo que implicaba el Universo y el Universo Observable. La cosa es que reflexionando sobre ello me he quedado un poco roto al conocer que se estima la dimensión del Universo en 150000 años luz de diámetro. ¿Cómo puede ser que si el Universo tiene 13600 millones de años y nada puede superar la velocidad de la luz, el propio Universo tenga un diámetro tan superior? Básicamente, ¿cómo es que el Universo haya podido expandirse más rápido que la luz?
Andoni, el Universo no se expandió desde un punto hacia afuera. Todo el espacio-tiempo se expandió en todas direcciones, no depende de la velocidad de la luz ya que ninguna materia es la que “viajó” sino que simplemente hay cada vez más espacio y la densidad de la materia y energía disminuyó (eso es el Big Bang).
Por otro lado, no se conoce el diámetro del Universo, solo se puede estimar un mínimo.
tan solo la vía láctea tiene un diámetro de 150 mil años luz . y con respecto a lo otro se podría decir que el universo es mas grande que la distancia que ha recorrido la luz desde el big bang . y que en el principio se expandió mas rápido que la luz y por tanto le lleva una ventaja inalcanzable para esta . ahora la duda : que sucedería si el universo detuviera su expansión .
Se agradecen muchísimo las respuestas. El problema es mi capacidad de abstracción, es la que me marca el límite. Supongo que mi error reside en pensar que el Universo surgió a partir de un punto de densidad infinita. Lo visualizo como un globo que se hincha en todas las direcciones partiendo de ese punto singular. No puedo concebir mentalmente que algo que parte de un punto se expanda a la vez en todas partes y en todas las direcciones. De todas formas reconozco que mi base científica para poder abordar estos temas queda muy lejos del mínimo deseable. Muchísimas gracias de todos modos.
Andoni, tu analogía no esta mal, pero déjame completarlo un poco.
Imagina que eres una hormiga sobre un globo inmenso. Desde tu perspectiva pensarías que el globo es bidimensional (del mismo modo que los hombres antiguos pensaban que la tierra era plana). Pero si caminas en una dirección, en algún momento terminas dándole la vuelta y llegando nuevamente al punto de partida.
Si inflas el globo, el universo de la hormiga se expande, porque cada vez necesita recorrer mayor distancia para darle la vuelta. Pero ojo, el universo de la hormiga es en 2D y el globo se infla en 3D. Esta curvado en una dimensión que la hormiga no percibe.
Ahora volviendo al universo real. Nosotros creemos que nuestro universo es 3D, pero talvez este curvado en 4D. Osea si vas “hacia arriba” en algún momento volverás a aparecer “por debajo”. Lo mismo de “izquierda a derecha” o “adelante y atrás”. La distancia que deberías recorrer para que eso suceda es cada vez mayor porque el universo se expande, pero no solo lo hace en 3D sino también en 4D.
O podrías verlo al revés.
Si vuelves el tiempo atrás en el universo de la hormiga el globo se contrae, y la superficie disponible es cada vez mas pequeña. El momento en que el globo sea solo un punto, la superficie sera cero. Ese seria el momento del big bang en ese universo 2D.
En el caso de nuestro universo, el espacio-tiempo disponible seria cada vez mas pequeño (Le das la vuelta cada vez mas rápido) y la materia se amontonaría hasta llegar el momento en que nuestro “globo 4D” sea un punto y el espacio disponible sea cero, que seria nuestro momento del big bang.
El problema es que si el universo observable de la hormiga es de algunos metros a su alrededor y el globo se ha inflado tanto que tiene el tamaño del sol, jamas se entera. Algo similar podría suceder en nuestro caso.
Yo veo difícil asumir a la vez las siguientes dos afirmaciones: Por una parte que no podemos realmente vislumbrar qué es eso de la cuarta dimensión y por otra admitir que el universo se curva sobre ella.
Tanto si pensamos que es plano como si pensamos que tiene forma de silla de caballo o cualquier otra forma, no podemos escapar de un gazapo de película: ¿Dónde estamos nosotros cuando nos imaginamos un universo con esa forma? Cuando me imagino un universo en forma de silla de caballo me veo mirándolo desde fuera. Ja! Para mí esto es una prueba de que simplemente no sabemos imaginar el borde del espacio.
Es parecido a lo que nos pasa con los números naturales: No sabemos imaginar cuál es el último. Los números están en nuestra cabeza y no tenemos problemas para asumir que son infinitos, pero el espacio… con el espacio hemos topado! Es algo a mitad de camino entre lo físico y lo imaginario y ahí patinamos. Nos cuesta entender cómo puede ser infinito porque es algo físico y a la vez nos cuesta entender cómo puede tener un borde porque también es imaginario. Por eso es tan interesante la pregunta.
La respuesta confío en que llegará con el tiempo tras un complicado encendido de bombilla que no será obvio ni mucho menos, pero al fin y al cabo comparable a lo que sucedió cuando entendimos que la tierra no era plana y de paso dimos respuesta a otros tantos enigmas relacionados.
Esto me recuerda esa historia del maestro hindú que decía que la tierra, plana, se apoyaba sobre 4 pilares, y los pilares sobre un elefante y el elefante sobre una tortuga. Cuando le preguntaban en qué se apoya la tortuga, el maestro callaba. Seamos humildes: Así estamos nosotros ahora con esta cuestión del borde del universo.
Si, todo el asunto es muy difícil de imaginar visualmente. Hay que tener en cuenta que matemáticamente no se necesitan dimensiones extras para que el espacio-tiempo se curve, la curvatura se considera interna.
sinceramente no veo cómo pueda ser finito el universo , si fuera como una burbuja , ¿entonces que hay fuera de la burbuja?
Hola jose,
así es como yo lo “veo”. Fuera de la burbuja no habría nada. Pero nada de nada, no materia, no energía, no leyes universales, no campos -digo este retahíla porque creemos que nuestro universo es todo lo anterior-. Ni siquiera soporte para esta nada. Es imposible de imaginar ya que nuestra biología está moldeada para vivir en nuestro mundo temporal aparentemente tridimensional, y creo que el cerebro evolutivamente no da para más, a pesar de toda la potencia de raciocinio que despliega.
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