John Auping Birch

U N I V E R S I D A D I B E R O A M E R I C A N A

Una revisin de las teoras sobre

El origen y la evolucin del Universo

Fsica, metafsica, ciencia ficcin y (a)teologa en la cosmologa antigua y moderna

Una revisin de las teoras sobre

El origen y la evolucin del Universo

UNIVERSIDAD IBEROAMERICANABIBLIOTECA FRANCISCO XAVIER CLAVIGERO

Auping Birch, John

Una revisin de las teoras sobre el Origen y la Evolucin del Universo: Fsica, metafsica, ciencia 5ccin y (a)teologa en la cosmologa antigua y moderna

Religin y ciencia. 2. Filosofa y ciencia. 3. Cosmologa. I. Universidad 1. Iberoamericana Ciudad de Mxico. II. T.

BL 240.2 A96 2009

El diseo y cuidado de esta edicin es responsabilidad exclusiva del autor

Diseo de cubierta: John Auping Birch y Joaqun Cabeza lvarezIlustracin de cubierta: Galaxia, de Andrea Aragn Lpez

1a. edicin, 2009

D.R. John Andrew Auping Birch

D.R. Universidad Iberoamericana, A.C. Prol. Paseo de la Reforma 880 Col. Lomas de Santa Fe 01219 Mxico, D.F. publica@uia.mx

ISBN 978-607-417-070-2

Impreso y hecho en MxicoPrinted and made in Mexico

Todos los derechos reservados. Esta publicacin no puede ser reproducida, ni en todo ni en parte, ni registrada en, o transmitida por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea mecnico, fotoqumico, electrnico, magntico, por fotocopia, o cualquier otro, sin el permiso previo por escrito de la editorial.

Una revisin de las teoras sobre

El origen y la evolucin del Universo

Fsica, metafsica, ciencia ficcin y (a)teologa en la cosmologa antigua y moderna

por Dr. John Auping Birch

UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA

Mxico 2009

CON TRES NIVELES DE LECTURA:

PRIMER NIVEL: La historia de la cosmologa sin matemticas

SEGUNDO NIVEL: Incluye los cuadros con matemticas simples

TERCER NIVEL: Los apndices con las matemticas complicadas

NDICE PREFACIO DR. JOS MORALES OROZCO, RECTOR UIAPREFACIO DR. LEONID GUEORGUIEV, UNAMINTRODUCCIN

PARTE I HISTORIA DE LA COSMOLOGA ANTIGUA Y MODERNA

CAPTULO 1DE LOS PRESOCRTICOS A KEPLER Seccin 1. La ciencia emprica incipiente de los presocrticos Seccin 2. El modelo geocntrico de Aristteles y Ptolomeo Seccin 3. Coprnico entre la metafsica aristotlica y el modelo heliocntrico Seccin 4. La ciencia emprica y el platonismo esotrico de Kepler

CAPTULO 2 LA REVOLUCIN CIENTFICA DE GALILEO Y NEWTON Seccin 5. Cmo Galileo provoc la condena del modelo heliocntrico Seccin 6. Cmo Newton revolucion la fsica y astrofsica Seccin 7. Antecedentes e implicaciones de la ley de gravitacin universal

CAPTULO 3 LA ELECTRODINMICA CLSICA Y CUNTICA Seccin 8. Las ondas electromagnticas de Maxwell Seccin 9. Cuntos de luz y su absorcin y emisin por los tomos Seccin 10. La interaccin de electrones y fotones segn Bohr y Feynman Seccin 10.1. El modelo del tomo de Bohr Seccin 10.2. Funciones de probabilidad en forma de onda asociadas a partculas Seccin 10.3. La re6exin de la luz por una lmina de vidrio Seccin 11. Electrones y fotones en el experimento de las dos rendijas Seccin 11.1. El cambio de fase de la amplitud Seccin 11.2. El experimento de las dos rendijas Seccin 11.3. Conclusin

CAPTULO 4 LA TEORA DE LA RELATIVIDAD DE EINSTEIN Seccin 12 . La teora especial y la teora general de la relatividad Seccin 12.1. Cuatro mitos sobre Einstein Seccin 12.2. La teora especial de la relatividad Seccin 12.3. La teora general de la relatividad Seccin 12.4. La corroboracin de la teora general de la relatividad Seccin 13. La teora del Universo dinmico y su geometra Seccin 13.1. Los modelos esttico y dinmico del Universo Seccin 13.2. La teora general aplicada a la expansin del Universo Seccin 13.3. Los hechos deciden entre dos teoras sobre el tamao del Universo Seccin 13.4. Los hechos deciden entre las teoras del Universo esttico o dinmico Seccin 13.5. Breve historia de la expansin del Universo a partir del Big Bang Seccin 13.6. Historia de la estimacin de omega y de la geometra del espacio

7

111315

19

212123

2530

41414864

7575869999

107111120120124128

133133133142156166172172174

178

183

188

199

Seccin 14. La relatividad general refuta la especulacin sobre la materia oscura Seccin 14.1. Origen de la especulacin sobre la materia oscura no-barinica Seccin 14.2. Una dinmica relativista de galaxias sin materia oscura no-barinica Seccin 14.3. Una dinmica relativista de cmulos de galaxias sin materia oscura Seccin 14.4. El mal uso de la termodinmica en la teora de la ncleosntesis del Big Bang Seccin 15. Una revisin de la especulacin sobre la energa oscura Seccin 15.1. Una presentacin de la constante cosmolgica Seccin 15.2. La energa oscura y la aceleracin de la expansin del Universo Seccin 15.3. La energa oscura y la dinmica gravitacional de cmulos de galaxias Seccin 15.4. La energa oscura y la radiacin csmica de fondo Seccin 15.5. Explicaciones tericas de la energa oscura Seccin 16. La relatividad general refuta la especulacin sobre la energa oscura Seccin 16.1. La backreaction que resulta de promediar regiones in-homogneas Seccin 16.2. Diferencias en el correr del tiempo en regiones densas y vacas Seccin 16.3. El nuevo paradigma relativista de Buchert-Wiltshire Seccin 16.4. La transformacin del tensor de Einstein segn el Principio de Mach

CAPTULO 5TEORAS DEL STEADY STATE, BIG BANG Y MULTIVERSO Seccin 17. Fusin y produccin de elementos en las estrellas Seccin 17.1 Cmo la fuerza gravitacional logra superar a la fuerza electromagntica Seccin 17.2. Produccin de helio a partir de hidrgeno en el corazn de las estrellas Seccin 17.3. Produccin de carbono y oxgeno a partir de helio en las estrellas Seccin 17.4. El ciclo de vida de estrellas de diferentes masas Seccin 18. Los hechos deciden entre las teoras del Big Bang y Steady State Seccin 18.1. El modelo Steady State de Hoyle, Gold y Bondi Seccin 18.2. El descubrimiento de la radiacin csmica de micro-ondas de fondo Seccin 18.3. El problema de la homogeneidad y del !atness del Universo Seccin 18.4. La expansin geomtrica acelerada del Universo explica su homogeneidad Seccin 18.5. Las pequeas perturbaciones de la radiacin csmica de fondo Seccin 19. Leyes y constantes 5namente ajustadas en el origen del Universo Seccin 19.1. La constante y la formacin de estrellas y galaxias en el Universo Seccin 19.2. La produccin y preservacin de protones en el Big Bang Seccin 19.3. El inicio de fusin nuclear en las estrellas Seccin 19.4. La fusin de helio, carbono, oxgeno y otros elementos en las estrellas Seccin 19.5. La existencia de planetas y de rbitas planetarias casi- circulares y estables

206

207

217

227

238241241

244

251256260

265

267

276276

295

297

297297

301304

306313313

316

321

328

329331

332335339

341

346

Seccin 19.6. La existencia de tomos estables y molculas complejas Seccin 19.7. Sntesis: calculando el "netuning del Universo Seccin 20. Las teoras modernas del multiverso Seccin 20.1 La teora de Hoyle de los campos creacionales en el Universo observable Seccin 20.2. La teora del Big Crunch de Wheeler Seccin 20.3. La teora de la variacin de las constantes de Barrow Seccin 20.4. La teora del multiverso en agujeros negros de Smolin Seccin 20.5. La teora-5ccin de la eterna in!acin de Guth-Linde Seccin 20.6. La teora-5ccin del multiverso de Susskind y Kaku Seccin 20.7. Conclusin sobre las teoras del multiverso

PARTE II METAFSICA, CIENCIA FICCIN Y (A)TEOLOGA EN LA COSMOLOGA MODERNA

CAPTULO 6 EVALUANDO LA FILOSOFA DE LA CIENCIA DE POPPER Seccin 21. Las fronteras entre ciencia, metafsica y ciencia 5ccin Seccin 21.1. La frontera entre ciencia y no-ciencia Seccin 21.2. La frontera entre ciencia y metafsica Seccin 21.3. La frontera entre ciencia y ciencia 5ccin Seccin 21.4. Las especulaciones en la frontera entre ciencia y ciencia 5ccin Seccin 21.5. La fascinacin con los milagros matemticos Seccin 22. La causalidad en la ciencia: es determinista o indeterminista? Seccin 22.1. Causalidad determinista o indeterminista Seccin 22.2. Cinco argumentos contra el determinismo cient5co Seccin 22.3. Argumentos contra el determinismo metafsico Seccin 23. La gran confusin cuntica Seccin 24. La gran confusin entrpica Seccin 24.1. Breve historia de la primera y segunda ley de la termodinmica Seccin 24.2. La entropa del Universo

CAPTULO 7 LOS PROBLEMAS DEL ORIGEN Y FINETUNING DEL UNIVERSO Seccin 25. Anlisis metafsico-lgico del origen y del 5ne-tuning del Universo Seccin 25.1. Un anlisis metafsico-lgico del origen del Universo Seccin 25.2. Un anlisis metafsico-lgico del 5ne-tuning del Universo Seccin 25.3. El carcter axiomtico de las leyes fsicas del Universo Seccin 25.4. Evaluacin metafsica de las teoras del multiverso Seccin 26. (A)teologa en la explicacin del origen y "ne-tuning del Universo Seccin 26.1. Explicaciones ateolgicas y teolgicas del problema del origen del Universo Seccin 26.2. Explicaciones ateolgicas del problema del "ne-tuning Seccin 26.3. Explicaciones teolgicas del problema del "ne-tuning Seccin 27. La evolucin de la vida y de la mente auto-consciente Seccin 27.1. Condiciones iniciales necesarias para la emergencia de vida compleja Seccin 27.2. La evolucin de la vida y el azar Seccin 27.3. Creacionismo anti-evolucionista y evolucionismo ateo Seccin 27.4. La evolucin de la mente auto-consciente y su interaccin con el cerebro

349352357

358358359363364370397

399

401401401405412

415417419419424439445454

454462

467

467467476483486

489

489493499509

509511521

524

PARTE III

APNDICES FSICO-MATEMTICOS Apndice I. La geometra analtica de la elipse Apndice II. Las leyes de Kepler y Newton en un solo sistema axiomtico Apndice III. Las rbitas planetarias estables segn Ehrenfest Apndice IV. Las ecuaciones de Maxwell en un solo sistema axiomtico Apndice V. La relatividad especial de Einstein Apndice VI. La teora general de la relatividad Apndice VI A. La construccin del tensor mtrico y su transformacin Apndice VI B. La construccin de la geodsica y el tensor de Einstein Apndice VI C. La rotacin del perihelio de Mercurio a la luz de la teora general Apndice VII. El modelo estndar Apndice VIII. Algunas ecuaciones astrofsicas Apndice IX. Algunas unidades y constantes de la fsica Apndice X. Tabla peridica de los elementos Apndice XI. Las funciones de onda y de probabilidad de Schrdinger Apndice XII. La entropa y la evolucin del Universo Apndice XIII. La teora del caos: un ejemplo Apndice XIV. Comments on 9ermodynamics in the Expanding Universe

BIBLIOGRAFACRDITOS DE ILUSTRACIONES Y GRFICASNDICE DE AUTORESNDICE DE CUADROS MATEMTICOS Y LGICOSNDICE TEMTICO-ANALTICO

529531535559567603631631639

697721729741747749757769

771

773794797803808

11

Prefacio del Dr. Jos Morales Orozco, S.J.No es mi campo de especialidad le dije al Dr. Juan Auping Birch, S. J. cuando me pregunt si poda escribir unas pginas como prefacio a su libro Una revisin de las teoras sobre el origen y la evolucin del Universo. Fsica, meta"sica, ciencia "ccin y (a)teologa en la cosmologa antigua y moderna. l acab por convencerme argumentando que se trata de un libro para interesados en el dilogo Fe-Ciencia y Fe-Cultura y pidindome que nicamente le hiciera algunas observaciones en relacin a los aspectos relativos a la metafsica y la crtica a la ateologa y teologa en la cosmologa moderna, contenidos en la segunda parte de su libro. Cuando comenc a leer esta parte del libro, con5eso que me interes mucho, pues me hizo recordar mis tiempos como profesor de Filosofa de la Ciencia, en los aos 70s en la Universidad Iberoamericana y un tema que siempre me ha interesado: el valor cognoscitivo de las diversas ciencias y el problema epistemolgico de la relacin entre conocimiento y realidad. El Dr. Auping muestra en su libro un amplio conocimiento de la historia de la Cosmologa desde sus orgenes hasta el tiempo actual. Pero lo que ms me interes fue la amplitud y claridad con las que expone la relacin entre el sujeto (la mente auto-consciente: conocimientos, pensamientos, afectividad, libertad y experiencia religiosa), realidad (fenmenos del mundo fsico y estructura or-denada, oculta y constante del mundo fsico que determina las relaciones causales) y teora (lgico-matemtica, cient5ca, metafsica, ciencia-5ccin y teoras ticas y (a)teolgicas. La forma de abordar esta relacin muestra la complejidad de la realidad, del ser que nunca es totalmente conocida y debe ser abordada por diversos tipos de conocimiento: el sentido comn y las diversas Ciencias (naturales, humanas, sociales, interpretativas) y por la Filosofa y la Teologa. La clave de lectura del problema de la validez del conocimiento como ciencia es aborda-da desde la 5losofa de la ciencia de Karl Popper, que el Dr. Auping domina ampliamente. Para Popper una teora universal es cient5ca si es falsi5cable, es decir, cuando un enunciado bsi-co que la refute es corroborado en una regin espacio-temporal concreta, la relacin causal pos-tulada por la teora universal, no existe. Si un enunciado no es falsi5cable, no es cient5co para Popper. Desde esta perspectiva el Dr. Auping va estableciendo los lmites y la diferencia entre ciencia y ciencia 5ccin, entre ciencia y metafsica, entre ciencia y especulacin y entre metafsica y teologa. El principio metafsico de causalidad (todo efecto supone una causa proporcionada) es la base de la investigacin cient5ca, y como tal dicho principio es indemostrable. El autor del libro aborda de una forma clara, sencilla y exhaustiva el problema de la causalidad cient5ca y concluye probatoria-mente que la causalidad cient5ca es indeterminista, lo que implica que los enunciados cient5cos no son apodcticos sino probables y que en la estructura de las relaciones causales de los fenmenos se da un grado de indeterminacin o azar. Pero, el tema que ms me interes fue el del origen del Universo, tratado en el captu-lo 7. Despus de un anlisis lgico-metafsico, el Dr. Auping concluye que el Universo es objeto de la ciencia, pero la causa u origen del Universo no es objeto de la investigacin cient5ca, sino que presenta un problema metafsico, ya que el Universo es causado por una causa externa que es causa de s misma y es inteligente. De esta forma la metafsica que estudia las relaciones entre

12t&0&6

los tres mundos del sujeto, teoras y fenmenos empricos remite a un cuarto mundo para explicar el origen del Universo, a saber, el mundo de la causa inteligente del Universo. Termino este breve prefacio citando un prrafo que me parece la conclusin ms im-portante de los anlisis que hace el Dr, Auping sobre el origen del Universo, en la Seccin 26 de su libro: el discurso teolgico sobre un Dios creador est construido sobre la base de un enuncia-do metafsico slido, a saber, que el Universo tiene una causa inteligente que no pertenece al Univer- so y es causa de s misma. Esto no quita que la identi"cacin de esta causa inteligente del Universo con el Dios personal de las religiones monotestas se deriva de un acto de fe que rebasa la metafsica, as como una casa rebasa el fundamento sobre el cual fue construida. A "n de cuentas, descartando las teoras cient"cas refutadas y tomando en serio la metafsica, nos quedamos con dos opciones, a saber, un discurso de ciencia "ccin sin base metafsica o un discurso teolgico con base metafsica. Dejo al lector la decisin sobre cul de estas dos opciones le parece racional y cual irracional. Felicito al Dr. Auping por este libro que sin duda contribuir mucho al dilogo entre fe y ciencia e impulsar la investigacin interdisciplinaria de la realidad y a la discusin sobre la relacin entere los diversos modos de conocimiento y las distintas disciplinas cient5cas.

Jos Morales Orozco, S. J.Rector de la Universidad Iberoamericana

13

Prefacio del Dr. Leonid GueorguievEn el libro Una revisin de las teoras sobre el origen y la evolucin del Universo. Fsica, meta"sica, cien-cia "ccin y (a)teologa en la cosmologa antigua y moderna, las secciones que discuten la materia y la energa oscura, unos de los conceptos modernos en la astronoma contempornea, son de particular inters para astrofsicos. La seccin 14 introduce el lector en los conceptos de la materia y energa oscura. Se discuten las observaciones cuya interpretacin requiere la introduccin de la materia oscura. Despus de in-troducir la interpretacin estndar, el autor introduce teoras alternativas que explican las mismas observaciones. Se hace un anlisis tanto de la teora basada en la existencia de la materia oscura como de las teoras alternas basadas en la teora de la relatividad general. El autor muestra correctamente que las teoras alternas no deben ser descartadas y que en la mayora de los casos explican las ob-servaciones de manera ms sencilla que la teora basada en la materia oscura. La seccin concluye con la demostracin del uso errneo de la ecuacin de Boltzmann para calcular los productos de la nucleosntesis en el Universo temprano y a partir de esto se pone en duda la estimacin del cociente de la masa barinica y la no-barinica. La seccin 15 es dedicada a la energa oscura. Se presenta al lector una breve introduccin en los razonamientos que llevan a la idea de la presencia de la energa oscura y el modelo CDM. Se describen las observaciones que son interpretadas desde el modelo CDM:

1) La primera evidencia observacional es la aceleracin de la expansin del Universo sugerida por la comparacin entre las distancias medidas con Supernovas y su corrimiento al rojo. Se presentan argumentos mostrando que la interpretacin de estos datos no es trivial y no necesariamente comprueba la aceleracin.

2) La segunda evidencia es la formacin de estructuras representada en la funcin de masa de cmulos de galaxias con diferentes corrimientos al rojo. Se presentan observaciones recien-tes y se muestra que los autores interpretan sus datos con modelos que parten de la teora CDM. Se trata de interpretaciones dependientes de modelo. De tal forma se han obtenido parmetros importantes de esta teora, pero stos no se pueden utilizar para corroborar o refutar la misma.

3) Por ultimo se presentan las observaciones de la variacin espacial de la radiacin del fondo. Se da la interpretacin de estas observaciones dependiente del modelo CDM y se subraya que la capacidad de un modelo de acomodar datos observacionales no permite usar esta compatibilidad como evidencia de que el modelo es ms realista que otros modelos.

La seccin 15 termina con una recopilacin de opiniones de varios autores que discuten que tan real es la energa oscura y la conclusin es que, en realidad, se trata de un nombre que se ha dado a algo desconocido que explica algunos datos observacionales, pero crea otra larga lista de problemas en la fsica en general, los cuales no tienen una solucin fcil. De tal forma, lo ms sencillo sera descartar la energa oscura y tratar de explicar las observaciones de otra forma.

14t&0&6

A esta teora alterna est dedicada la seccin 16. La idea es que, al abandonar el supuesto de que el Universo sea homogneo, sus parmetros no se pueden obtener de los datos observacionales obtenidos en diferentes regiones del espacio con un simple promedio. Adems, dado que el Uni-verso est compuesto por grandes volmenes vacos separados por paredes de alta densidad, el tiempo corre con diferente velocidad en las regiones vacas y en las paredes y hace el anlisis de las observaciones muy diferente del anlisis basado en la simple fsica newtoniana. Se presentan ejemplos de interpretacin de los datos tomando en cuenta los efectos relativistas. Se concluye que la interpretacin de estas observaciones, basada en estas teoras relativistas es igual de buena que la basada en el modelo CDM y, dado que no requieren sustancias esotricas como la materia oscura y la energa oscura, debe de estar ms cerca de la realidad. En pocas palabras, el Dr. Auping presenta al lector una teora establecida (la que requiere la presencia de materia y energa oscuras) y resalta que, aunque es ampliamente aceptada, la teora sigue siendo una hiptesis de trabajo y no un hecho establecido. Se propone una teora alternativa y dado que esta ltima est basada slo en fsica bien establecida, la conclusin lgica es que debe ser mejor. El texto de estas secciones est dividido en dos categoras. Las ideas bsicas se presentan en un texto continuo que se lee fcil y no contiene conceptos ni frmulas complicadas. Adems de este texto, el autor agrega por separado desarrollos matemticos de los conceptos claves. De tal forma un lector con ms conocimientos o curiosidad puede seguir los clculos y entrar en los detalles ma-temticos de estas ideas. De esta manera, el libro tendr un pblico ms amplio. Creo que el texto de estas secciones est elaborado con base en una amplia literatura contempornea y extrada de libros y revistas profesionales del ms alto nivel en el rea. En consecuencia, el texto tiene un nivel adecuado tanto para el pblico en general como para profesionistas.

Dr. Leonid GueorguievInvestigador Titular B

Instituto de AstronomaUNAM

15

IntroduccinEn diciembre de 2004 me reun con la Dra. Anabel Arrieta Ostos, el Dr. Leopoldo Garca-Coln Scherer y el Dr. Alfredo Sandoval Villalbazo en la sala de juntas del Departamento de Fsica y Mate-mticas de la Universidad Iberoamericana de Mxico. Les expuse mis dudas con respecto a algunos conceptos de la cosmologa moderna, a saber, la energa oscura y la materia oscura, no-barinica. Me dieron a entender que, efectivamente se trata de especulaciones sin fundamento en observa-ciones fsicas, pero que no pocos astrofsicos los consideran indispensables, para que en el modelo cosmolgico estndar o concordante, conocido como el modelo CDM, las cuentas coincidan. Esta conversacin me rea5rm en mi propsito de llevar a cabo mi proyecto de investigacin, con el 5n de buscar un modelo alternativo, ms apegado a la fsica ortodoxa, y, adems, analizar los enunciados sobre el origen y la evolucin del Universo, hechos a lo largo de la historia de la cosmologa antigua y moderna, desde el punto de vista de la 5losofa de la ciencia, para ver cules son enunciados cient-5cos refutados, cules enunciados cient5cos corroborados, cules metafsicos, cules (a)teolgicos, cules especulaciones en la frontera de ciencia y ciencia 5ccin y cules ciencia 5ccin no aceptable en la ciencia. En la primera parte del libro, se analizan las principales aportaciones a la astrofsica de los pre-socrticos, Coprnico y Kepler (Captulo 1); de Galileo y Newton (Captulo 2); de Faraday y Maxwell y otros estudiosos del electromagnetismo, y Bohr y Feynman y otros estudiosos de la fsica cuntica (Captulo 3); de Einstein (Captulo 4); y de los descubridores del Big Bang y del "ne-tuning (Captulo 5), eliminando en la marcha algunos mitos histricos que han llegado a ser aceptados en algunos crculos, sobre Coprnico, Galileo, Newton y Einstein. Presto mucha atencin a Newton y Einstein, no solamente por la obvia importancia que tienen en la cosmologa moderna, sino porque la diferencia entre la gravitacin newtoniana y la relativista hace la diferencia entre el modelo CDM y el incipiente modelo relativista que compite con ste para explicar la dinmica de galaxias, cmulos de galaxias y de la expansin del Universo entero. Desde que Zwicky y Rubin empezaron a analizar la dinmica de galaxias y cmulos de galaxias, muchos astrof-sicos, siguiendo su ejemplo, a5naron los parmetros del modelo concordante CDM e introdujeron el concepto especulativo antes mencionado de la materia oscura no-barinica, que resulta indispen-sable para que las cuentas chequen en el contexto de la gravitacin newtoniana. Asimismo, desde que Perlmutter, Riess y Kirshner descubrieron la aparente aceleracin de la expansin del Universo, se introdujo el concepto de la energa oscura, igualmente indispensable en el contexto de la gravitacin newtoniana. No es sino hasta entrando al siglo xxi, que algunos astrofsicos valientes e independientes empezaron a explorar las implicaciones de la relatividad general, para resolver los problemas de la dinmica de galaxias, de cmulos de galaxias y de estructuras todava ms grandes, a saber, los 5lamentos de cmulos y vacos que afectan de manera diferencial el correr de los relojes en sus res-pectivos campos gravitacionales. Se trata de Brownstein, Buchert, Cooperstock, Kolb, Man5eld, Ma-tarrese, MoBat, Paranjape, Riotto, Sussman, Wiltshire, Zalaletdinov y Paranjape, entre otros. Estos autores han demostrado, a mi parecer de manera convincente, que si tomamos en serio la relatividad general, se pueden resolver estos problemas, sin necesidad alguna de los conceptos especulativos de la materia y energa oscuras.

16t&0&6

Cmo es que tantos astrofsicos piensan que los parmetros newtonianos, y no los relativistas, son los adecuados para el estudio de la dinmica gravitacional de galaxias y cmulos de galaxias, aunque todos reconocen el genio de Einstein? Se trata de una circunstancia aparentemente intrascen-dente, a saber, la opinin generalizada de que en campos gravitacionales relativamente dbiles con velocidades no relativistas basta Newton y sale sobrando Einstein. Si bien es cierto que la teora newto-niana es una buena aproximacin cuando toda la masa de un sistema est concentrada en su centro de masa, como en un sistema solar, sta deja de ser vlida cuando se trata de una nube de objetos, en donde cada objeto con masa contribuye al campo. Al descartar la teora general a favor de la teora gra-vitacional newtoniana, algunos autores no prestaron atencin su5ciente al hecho de que las estrellas que componen las galaxias, y las galaxias que componen los cmulos, se mueven exclusivamente por la gravedad, sin friccin. Se sabe desde el tiempo de Eddington que problemas de un sistema atado gravitacionalmente (en ingls: gravitationally bound) son intrnsecamente no-lineales an cuando las condiciones son tales que el campo es dbil y la velocidad de los movimientos, no-relativista. Para este tipo de problemas, an en estas condiciones, se requiere la teora relativista. Al desaprovechar la relatividad general, tampoco se prest atencin su5ciente al hecho, co-nocido desde la publicacin de teora de la relatividad general por Einstein, que diferentes campos gravitacionales generan diferencias en el correr de los relojes que se mueven con estos campos (en ingls: co-moving), por ejemplo los relojes en los 5lamentos de cmulos y en los vacos del Universo, y que stos, a su vez, marcan un tiempo diferente del reloj del observador terrestre, lo que genera un nuevo problema matemtico, resuelto slo recientemente, a saber, el de promediar diferentes ecua-ciones tensoriales no-lineales, para calcular la magnitud de la backreaction. Lo increble es que la astrofsica tard unos 90 aos, de 1917 a 2007, en aplicar la relatividad general a los problemas antes mencionados, dando preferencia a los conceptos especulativos de energa y materia oscuras, en una dinmica gravitacional newtoniana. Al respecto comenta Wiltshire: Como fsicos tericos, estamos demasiado inclinados para aadir todo tipo de factores a la accin gravitacional, an cuando violan principios fsicos bsicos, en lugar de pensar profundamente sobre los problemas operacionales bsicos del objeto de nuestro estudio. En mi punto de vista, Einstein tuvo razn en la Relatividad General.2 Lo que Brownstein, Buchert, Cooperstock, MoBat, Sussman, Tieu, y Wiltshire han propuesto se deriva lgicamente de la relatividad general. El modelo concordante CDM es un modelo consistente y bien a5nado, en cambio, el nuevo modelo relativista est en vas de construccin, ni se han integrado bien en una sola teora las dife-rentes aportaciones de los autores que acabo de mencionar. Sin embargo, hay indicios convincentes de que el primer modelo es errneo y el segundo, verdadero. Se trata de una verdadera revolucin cient5ca, del tipo sealado por Kuhn, en #e Structure of Scienti"c Revolutions, razn por la cual me he detenido, en el Captulo 4, para analizar ambos modelos y sealar las implicaciones de la relati-vidad general para los problemas antes mencionados, caminando por los caminos que estos autores abrieron. Muchos cosmlogos no se dan por enterados cuando se trata de estas aportaciones relati-vistas. Todava en 2009 se publicaron libros de texto sobre cosmologa sin una sola referencia a estos autores. Kuhn ya seal que,histricamente, la comunidad cient5ca se resiste a la asimilacin de

2 David Wiltshire, Cosmic clocks, cosmic variance and cosmic averages, en New Journal of Physics (2007): 62

Introduccin t17

nuevos parmetros, porque muchos invertieron una carrera entera en un modelo que est a punto de ser desplazado. El problema de la competencia entre dos modelos cosmolgicos no es el nico al cual se presta atencin en este libro. En el captulo 5 analizo otro problema importante, a saber, el del "ne-tuning. Despus del Big Bang, el segundo descubrimiento ms importante de la cosmologa del siglo xx es, a mi parecer, el del "netuning, es decir, el aparente ajuste 5no de las leyes fsicas y sus constantes y de las mismas condiciones iniciales del Big Bang, de tal manera que ha permitido que emergieran en la evolucin del Universo estrellas de larga duracin, con fusin nuclear capaz de producir elementos pesados, como carbono y oxgeno, y con sistemas solares como el nuestro que permiten la evolucin de vida compleja. En el mismo capitulo evalo seis propuestas diferentes sobre el as llamado multi-verso, que pretenden explicar este "netuning y demuestro que cuatro de estas teoras del multiverso son cient5cas y han sido refutadas por los hechos, y dos son ciencia 5ccin, porque no pueden ser contrastadas con la realidad. As, parece que la explicacin del "netuning elude explicaciones cient-5cas. Esta a5rmacin nos introduce en la metafsica. La segunda parte del libro es metafsica. Dado que, en la primera parte del libro, los enuncia-dos y teoras sobre el origen y la evolucin del Universo son analizados, desde el punto de vista de la 5losofa de la ciencia de Popper, resulta necesario analizar en la segunda parte esta 5losofa como tal. La 5losofa de la ciencia de Popper seala muy bien la frontera (o como l dice demarcacin) entre teoras cient5cas y no-cient5cas, y tambin entre teoras cient5cas corroboradas y refutadas. Pero, en el conjunto de enunciados no-cient5cos existen grandes diferencias entre especulacin, ciencia 5ccin, metafsica y (a)teologa. Dado que Popper aporta muy poco para distinguir estos diferentes tipos de enunciados no-cient5cos, complemento, en el Captulo 6, su 5losofa, para que sirva para mi anlisis de la historia de la cosmologa. En el mismo captulo ofrezco argumentos de que la causalidad en el Universo es indeterminista, es decir, el azar juega un papel importante. A la vez demuestro que estos procesos causales azarosos pueden producir resultados con una probabilidad cercana a uno. Esta a5rmacin tiene implicaciones importantes, tanto para la evolucin del Universo, como de la vida compleja en la Tierra. En la segunda parte analizo tambin los problemas del origen o causa del Universo y del "ne-tuning, desde el punto de vista metafsico. Con la fuerza de la lgica pura se ofrece en el ca- ptulo 7 una corroboracin de cinco enunciados metafsicos importantes, a saber, en primer lu-gar, que el Universo es el conjunto de eventos y objetos que no son causa de s mismos y que el mismo Universo pertenece a este conjunto; en segundo lugar, que el Universo no es causado por s mismo, sino por una causa externa que no pertenece al Universo; en tercer lugar, que la cau-sa del Universo es causa de s misma; en cuarto lugar, que el Universo y todo lo que contiene es objeto de la investigacin cient5ca, pero la causa u origen del Universo no es objeto de la inves-tigacin cient5ca, sino que representa un problema metafsico; y en quinto lugar, que la causa del Universo es inteligente. En el mismo captulo 7, reviso diferentes enunciados ateolgicos y teo-lgicos de unos veinte cosmlogos, relacionados con estos problemas del origen y del "ne-tuning del Universo. Reviso tambin algunas teoras cient5cas relacionadas con la evolucin de la vida compleja y la consciencia de s mismo en la Tierra, el ltimo peldao de la evolucin del Universo, analizando, entre otras cosas, el papel que juega el azar en la evolucin biolgica, de tal manera que

18t&0&6

ciertos resultados adquieran una probabilidad cercana a uno y sealando el error lgico que tienen en comn, bien tonns de se trouver ensemble, el creacionismo anti-evolucionista y el evolucionismo ateo. Este libro tiene tres niveles de lectura:

1) En un primer nivel, donde se narra la historia de la cosmologa, el nivel es de lectura verbal. Todas las personas cultas e interesadas lo pueden comprender.

2) En un segundo nivel, el lector puede complementar esta lectura, apoyndose en matemti-cas simples, que se encuentran insertadas en el texto en cuadros de color amarillo claro.

3) En un tercer nivel, se muestran en los apndices de la tercera parte de este libro los desarro-llos matemticos formales que sustentan algunos enunciados analizados y solamente son recomendables para estudiantes de reas a5nes y profesionistas de astrofsica.

El lector que no se interesa en cuestiones fsico-matemticas puede prescindir de los cuadros con un fondo de amarillo claro y de los apndices. Esto no afectar la coherencia del discurso ni su com-prensin. Quiero agradecer a todas las personas que me ayudaron a escribir este libro, sobre todo las siguientes personas del departamento de Fsica y Matemtica de la Universidad Iberoamericana en Mxico: Dra. Anabel Arrieta Ostos, astrofsica; Dr. Arturo Fregoso Infante, qumica inorgnica; Dr. Leopoldo Garca-Coln Scherer, termodinmica y fsica general; Dra. Ana Laura Garca Perciante, fsica general; Dr. Antonio Miranda Garca, sistemas de control; Mtro. Humberto Mondragn Surez, matemticas; Dr. Alfredo Sandoval Villalbazo, fsica general y matemticas; Mtro. Erich Starke Fa-bres, termodinmica y entropa. Y tambin las siguientes personas del Instituto de Astronoma de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico: Dr. Leond Gueorguiev; Dr. Manuel Lozano, R.I.P.; Dr. Sergio Mendoza; y el Dr. Antonio Peimbert. Los errores que se encuentren en las partes del libro, donde cont con la asesora de estas per-sonas, corren por mi cuenta. Si el lector piensa que ha descubierto un error, le agradezco que me lo comunique.

Dr. John Auping BirchUniversidad Iberoamericana

jauping@iwm.com.mxCiudad de Mxico, diciembre de 2009