La forma del Universo

Lo que tiene vivir dentro del Universo es que se nos hace muy complejo averiguar qué forma tiene. Si ya deducir la forma esférica de la Tierra tiene su aquel, debido a que su radio es tan grande en comparación con lo que nuestra vista puede abarcar que se nos antoja plana, podemos hacernos una idea de lo difícil que es hacer lo propio con el Universo en su inconmensurable tamaño. Hoy vamos a intentarlo, utilizando lo que sabemos observando el Universo a gran escala hasta donde alcanza nuestra visión.


El Universo se expande de forma acelerada


Entre 1910 y 1920 el astrónomo Vesto Milver Slipher observó que el espectro, la luz, que nos llega de la mayoría de las galaxias está desplazada hacia el rojo, mientras que la de algunas pocas, como Andrómeda, está desplazada hacia el azul.

Más tarde, en 1929 Edwin Hubble corroboró estas observaciones y las amplió observando un gran número de galaxias e interpretó que todas las galaxias, excepto las del grupo local, se alejan de nosotros a mayor velocidad cuanto más lejos están. En esta forma de interpretar el enrojecimiento de la luz como que la fuente se aleja se usa el Efecto Doppler. El sonido de una ambulancia es más agudo si se está acercando a nosotros, es decir su onda sonora es más energética; mientras que el sonido es más grave si se aleja, es decir, su onda sonora es menos energética. Con la luz ocurre lo mismo, es más energética (y por tanto más azul) si la fuente se acerca y menos energética (y por tanto más roja) si la fuente se aleja.

Esquema del Efecto Doppler para una fuente de sonido y para una fuente de luz

Sin embargo, hoy sabemos que ese enrojecimiento de la luz no es exactamente por Efecto Doppler. En este efecto, las galaxias serían las fuentes que viajan por el Universo, alejándose de nosotros, tal y como la ambulancia se mueve sobre el asfalto. Lo que ocurre en realidad es que las galaxias están ‘pinchadas’ en el mismo espacio-tiempo, que es el que se estira. Es como si la ambulancia estuviera quieta y se alejase porque el asfalto se alarga. Ésto ‘estira’ también la onda de luz, disminuyendo su frecuencia y aumentando su longitud de onda y, por tanto, volviéndola menos energética.

Pérdida de energía de la luz debido a la expansión del espacio-tiempo

El Universo no tiene centro


A veces, cuando nos imaginamos el nacimiento del Universo en el Big Bang, la imagen que aparece en nuestra cabeza es la de una explosión al uso, con una ‘zona cero’ donde se produce la explosión en sí misma y una posterior expansión radial, desde esa zona cero hacia afuera. Esto implicaría que el Universo tendría un centro, un punto estático desde el cual todo se aleja. Con las observaciones de Hubble, si todo se aleja de nosotros, ¿podría la Tierra ser el centro del Universo?

Pues la respuesta es que no. Si viviéramos en otra galaxia fuera del grupo local, también veríamos que todo se aleja de nosotros. Es como si todos los puntos fuera un centro en sí mismo, ya que estés donde estés, todo se aleja de todo. Por lo tanto no hay un ‘centro’, no hay un punto en el Universo observado que sea especial en este aspecto.


El Universo no tiene frontera


¿Qué es una frontera? Aquí en La Tierra, una frontera podría ser por ejemplo la línea limítrofe entre dos países: a un lado de la línea estarías, por ejemplo, en Korea del Norte y al otro lado de esa línea, en Korea del Sur. Esta línea indica que las cosas cambian de un lado a otro, que tu vida no se regirá por las mismas normas según en qué lado de la misma estés.

Así entendemos también aquí una frontera: es un conjunto de puntos que indican que a un lado y otro de ellos las propiedades físicas y matemáticas serán diferentes. Tampoco encontramos en el Universo observado ninguna serie de puntos especiales que separen dos espacios de propiedades diferentes. El Universo observado es homogéneo e isótropo, es decir, miremos en la dirección que miremos, todo nos resulta igual (recordemos que hablamos de Universo a gran escala). Esto es lo que se conoce como Principio Cosmológico.

Visualización de homogeneidad e isotropía

El Universo visible es plano


Como ya hemos dicho que el Universo no tiene puntos especiales, nos podemos quitar todas aquellas formas que tengan aristas (cubos, octaedros…). Para que todo punto sea igual a cualquier otro punto, y por tanto cumplamos el Principio Cosmológico, todos los puntos del Universo deben tener la misma curvatura. Esto nos deja sólo con aquellas formas con curvatura uniforme: esferas, hipérboloides abiertos y planos.

¿Cómo podemos saber en cual de ellos estamos? Una forma de diferenciar estos espacios es con los triángulos: en un espacio plano, la suma de los ángulos de un triángulo siempre es 180º (tal y como nos enseñaron en el colegio), pero en un espacio esférico esa suma resulta en más de 180º mientras que en un hiperboloide abierto resulta en menos de 180º. Entonces ahora sólo nos falta tomar la imagen más grande que tenemos del Universo, el Fondo Cósmico de Microondas, establecer un triángulo entre 3 puntos y sumar sus ángulos. El resultado de esto es compatible con un espacio plano.

Triángulos en esferas, superficies hiperbólicas y planos

Por tanto, ¿el Universo es infinito?


Todo esto es lo que conocemos y hemos deducido con lo que sabemos y hasta donde podemos ver, pero ¿y si el Universo es mucho más grande de lo que creemos?

Puede ser que el Universo sea, efectivamente, plano, en cuyo caso si iniciamos un viaje en línea recta, en cualquier dirección, nunca volveremos al lugar de origen. En este caso el Universo sería infinito. Aunque es un poco rara la idea de algo que ya es infinito, expandiéndose infinitamente. Podríais llegar a pensar que, si es plano, debe tener un borde y por tanto una frontera, pero tenéis que intentar abstraeros y pensar que un plano infinito no tiene bordes, porque por muy lejos que vayas siempre vas a encontrar más plano.

Otra opción es que sea tan grande, que en el pequeño tamaño que nosotros alcanzamos a ver, nos parezca que es plano. Sería el equivalente a intentar medir la curvatura de La Tierra en una baldosa, evidentemente la baldosa es demasiado pequeña como para apreciar la curvatura de La Tierra, pero si pudiéramos medir ese triángulo usando como vértices Sidney, Moscú y La Habana, entonces sí que se apreciaría. En este caso tendríamos un Universo, finito, cerrado y con curvatura constante. Esto es: una esfera o un donut. Si estuviéramos es este escenario, al iniciar un viaje en línea recta acabaríamos, en algún momento, regresando al punto de partida.

Me diréis, pero una esfera sí tiene un centro. Bueno, pero es que el Universo únicamente sería la superficie de la esfera, con lo que el centro queda fuera. Esto requiere un poco de imaginación: si dibujamos a Pepe en un folio y luego curvamos ese folio, ¿podrá Pepe apreciar que su folio está curvado? No, porque Pepe, al igual que el folio, es un ser de dos dimensiones. El centro sobre el que curvamos el folio está fuera del folio, en una tercera dimensión y por tanto imperceptible para nuestro Pepe 2D. Puede que con nosotros ocurra igual, puede que seamos seres 3D y nuestro folio esté curvado en una cuarta dimensión (o seres 4D y curvado en 5D si aceptamos el tiempo como cuarta dimensión).

Esta limitación a la hora de cuánto Universo podemos observar es el verdadero problema para encontrar la forma del Universo.


Con lo que sabemos, el Universo es plano, infinito, sin centro, sin frontera y actualmente en expansión acelerada


Sin embargo, aún no podemos afirmar con rotundidad en qué tipo de Universo vivimos, ya que si es más grande de lo que pensamos, otras posibilidades quedan abiertas.