El Libro De Los Universos — John D. Barrow / The Book of Universes: Exploring the Limits of the Cosmos by John D. Barrow

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Este es otro de los grandes libros de cosmología. Interesantísimo libro. Gran cantidad de notas e imágenes hacen de este libro una gran referencia.

Los cosmólogos modernos no solo están interesados en la estructura y la historia de nuestro universo, sino también en los otros tipos de universos posibles. Nuestro universo tiene un gran número de propiedades especiales y sorprendentes (al menos, para nosotros) que queremos evaluar para comprobar si podrían haber sido distintas. Eso significa que debemos poder generar ejemplos de «otros» universos con los que poder comparamos.
De eso trata la cosmología moderna. No es solo un ejercicio de descripción de nuestro universo de la forma más completa y precisa posible: trata de situar esa descripción en un contexto más amplio de posibilidades que el actual. Se pregunta por qué nuestro universo tiene estas propiedades y no otras. Por supuesto, puede que al final descubramos que no hay ningún otro universo posible (cuya estructura, contenido, leyes, edad, etc., sean distintas de algún modo que nosotros podamos concebir) aparte del que vemos. Durante mucho tiempo, los cosmólogos suponían (esperaban, incluso) que ese resultaría ser el caso. Pero últimamente las aguas han empezado a fluir en dirección contraria, y parece que nos enfrentamos a muchos universos posibles, todos ellos coherentes con las leyes de la Naturaleza. Y, para acabarlo de rematar, puede que esos universos no sean meras posibilidades: quizá existan en el mismo sentido que atribuimos a las cosas ordinarias como tú y yo, aquí y ahora.

En el Ecuador, la latitud es cero y no hay regiones de estrellas que siempre son visibles o que no lo son nunca. Un observador del cielo ecuatorial puede contemplar cualquier estrella, aunque, en la práctica, los dos Polos Celestes se pierden en la neblina del horizonte. Las estrellas salen y llegan a su punto más alto en el cielo. Cuando cada estrella sale, su dirección permanece más o menos constante, y eso la convierte en una excelente baliza de navegación para viajar por tierra o por mar durante la noche. Apenas hay movimiento lateral en la oscuridad del cielo, que parece simétrico y simple. Nuestros observadores celestes tienen la impresión de hallarse en el centro de todo, bajo un celestial dosel de arcos y movimientos predecibles que parecen estar allí para su propia comodidad. El universo se comporta como si ellos fuesen la pieza central.
En el caso extremo del Polo Norte, la latitud es de 90 grados, y las estrellas visibles no salen ni se ponen, sino que se mueven en círculos por el cielo. El Polo Norte Celeste se encuentra justo encima de nuestra cabeza y las estrellas giran a su alrededor. La impresión es que se trata del foco del universo y que nosotros nos hallamos debajo de él.
En latitudes norte más templadas, como la del antiguo Stonehenge en Gran Bretaña, a 51 grados, la situación es intermedia. Las estrellas que se hallan dentro de un círculo de 51 grados del Polo Celeste se verán describiendo círculos concéntricos en el cielo, con el Polo en su centro. Otras estrellas se alzarán por encima del horizonte, ascenderán hacia su cénit, para acabar descendiendo y poniéndose. El cielo parece estar extremadamente torcido. Las diferentes estrellas siguen rutas diferentes entre su alba y su ocaso. Pero lo más sorprendente de todo es el enorme torbellino de estrellas en la dirección del Polo Celeste, girando a su alrededor como si se tratase del eje de una gran rueda cósmica. Para los observadores sin conocimiento alguno de astronomía o del movimiento de la Tierra, parece que hay un lugar especial en el cielo.
Esta es una de las razones por las que los mitos sobre el cielo y la naturaleza del universo que nos rodea tienen una componente geográfica.

En respuesta a los complicados movimientos de los planetas y del Sol con relación a la Tierra muestra la dificultad en llegar a una descripción correcta del universo partiendo únicamente de las observaciones o de un principio filosófico muy general. Si los seguidores de Aristóteles hubiesen sido más críticos, habrían tenido que lidiar con unos cuantos problemas incómodos. ¿Por qué la Tierra no es perfectamente esférica? ¿Por qué la posición central de la Tierra se consideraba tan importante, mientras que podía haber otros movimientos circulares en epiciclos que no estaban centrados en la Tierra? ¿Por qué se aceptaba la idea de desplazar el centro del círculo deferente de cada planeta fuera de la Tierra? Quizá fuera un desplazamiento pequeño, pero la Tierra está en el centro del universo o no lo está.
Después de Copérnico, la imagen heliocéntrica de nuestro sistema solar se refino gradualmente hasta llegar a ser descrita matemáticamente por una nueva teoría del movimiento y la gravedad creada por un joven de Lincolnshire llamado Isaac Newton (1643-1727). La ley de la gravitación y las tres leyes del movimiento de Newton dominaron la forma de entender el mundo de los físicos e ingenieros durante casi 250 años, y transformaron las anteriores descripciones visuales del movimiento en una matemática y precisa. Proporcionaron ecuaciones («leyes» de cambio) cuyas soluciones (los «resultados» de esas leyes) predecían satisfactoriamente lo que podríamos ver en cada momento, los movimientos de la Luna y de los planetas. Una de esas predicciones fue que la órbita de un planeta alrededor del Sol no será circular, como había supuesto Copérnico, sino elíptica, con el Sol situado en uno de los focos de la elipse.

Las tres leyes del movimiento de Newton se pueden expresar de la siguiente forma:
Primera ley: los cuerpos sobre los que no actúa ninguna fuerza seguirán en reposo o en movimiento a velocidad constante en línea recta.
Segunda ley: el ritmo de cambio del momento de un cuerpo es igual a la fuerza que se aplica sobre él.
Tercera ley: para toda fuerza hay una fuerza de reacción igual y opuesta.
Estas leyes ocultan numerosas ideas notables. La primera hace referencia a los cuerpos sobre los que no actúa «ninguna fuerza». Pero ¿alguien ha visto alguna vez un cuerpo así?.
Uno de los grandes logros de Einstein fue encontrar una forma de hallar y formular leyes de la Naturaleza que garantizasen que todos los observadores viesen las mismas leyes, sin importar cómo se moviesen. Su nueva ley de la gravedad, que sustituye la de Newton, se denomina teoría de la relatividad general, y muchas personas piensan que se trata de la más notable creación de la mente humana. Amplía la perspectiva copernicana de simplemente dictar que nuestra posición en el universo no debe ser privilegiada a exigir que cualquier físico, esté donde esté o se mueva como se mueva, halle las mismas leyes de la Naturaleza.
El universo de Einstein demuestra la fuerza del concepto heredado de un espacio estático que también había utilizado Schwarzschild. Introdujo un modelo de universo asombroso: un espacio finito curvado sin límite que existe durante toda la eternidad pasada y futura. Fue el primero que se deducía de sus extraordinarias ecuaciones, pero él había suprimido lo que las ecuaciones trataban de decirle: el universo no quería ser estático. Más adelante, Einstein calificaría su respuesta como «la peor metedura de pata de mi vida».

Casi todos los universos que hemos descrito tenían una sorprendente propiedad. «Empezaban» a un tiempo finito de nuestro pasado, en el que poseían una densidad infinita. Fue este inicio singular lo que tanto repugnaba a los creadores del universo de estado estacionario y lo que los motivó a buscar una alternativa que no «empezase» a existir en ningún momento histórico especial. Mucho tiempo antes, Richard Tolman había intentado eludir la inevitabilidad de un principio imaginando que los ciclos de expansión y contracción de un universo cerrado eran eternos, como una pelota que rebota. Esta explicación exigía una suspensión de la incredulidad en cada momento en que el universo rebotaba, porque la teoría de Einstein no podía seguir siendo válida a densidades y temperaturas tan enormes. Desde luego, no se puede llevar el universo hasta un tamaño cero y una densidad infinita y esperar que todo siga funcionando sin cambios.
Cuando se hallaron los primeros universos a partir de las ecuaciones de Einstein hubo distintos puntos de vista, generalmente escépticos, acerca del aspecto de un principio del universo con densidad infinita. Al principio, Einstein pensó que era simplemente una consecuencia de excluir la presión de las propiedades de la materia en el universo.

A principios de la década de 1960 los cosmólogos aspiraban a encontrar una forma claramente definida de decidir esta cuestión para los universos en general, en lugar de limitarse a examinar las soluciones halladas una a una para averiguar si tenían un principio o una singularidad en el sentido de Misner. El matemático indio Amalkumar Raychaudhuri había dado comienzo a este proceso de forma casi inadvertida en Calcuta en 1953; también fue el caso de Arthur Komar en Estados Unidos en 1956. A ninguno de ellos les gustaba la idea de las singularidades, y Raychaudhuri, quizá por carecer de la influencia de las tradiciones cristianas heredadas, no pretendía que los universos tuvieran un principio. Aunque la densidad se hiciese infinita en algún momento del pasado, no veía necesidad alguna de que eso significase el principio del universo. Era posible continuar más allá del infinito en un camino aún desconocido hacia un estado anterior del universo. Lo más probable, pensaba él, era que las ecuaciones de Einstein simplemente no ofreciesen una descripción completa del universo cuando la densidad se hacía demasiado alta. Aparecerían nuevos términos en las ecuaciones de Einstein, las soluciones podían cambiar, y quizá desapareciesen las singularidades.

Si los universos pueden aparecer «de la nada» sin violar las leyes de la física, quizá la creación del universo pueda describirse utilizando esas mismas reglas. Tradicionalmente, los cosmólogos que creían que el universo tenía un principio se habían sentido satisfechos con considerarlo como un lugar y tiempo en el que las leyes fallaban. Esas leyes empezaron a existir al mismo tiempo que el espacio, el tiempo y el universo físico. Toda nuestra charla sobre «otros» universos y sobre el multiverso cuestiona este punto de vista. Cada vez más, vemos nuestro universo como un resultado de las leyes de la Naturaleza, quizá uno entre muchos en un multiverso: un pequeño acontecimiento local en una historia eterna.

Empezamos preguntándonos cuán difícil es comprender el cielo. Vimos que era muy complejo entender las estrellas y decidir si existían otras galaxias. La teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 marcó un hito en la visión de nuestro universo y en la posibilidad de otros. Por primera vez podíamos predecir y estudiar universos enteros, comprender sus propiedades generales y elegir entre ellos. Hemos seguido el proceso de descubrimiento que ha hallado cada vez más soluciones de las ecuaciones de Einstein y ha revelado universos con una multitud de propiedades inesperadas. Hemos visto cómo se han utilizado para comprender las observaciones astronómicas o para expresar visiones filosóficas sobre cómo debería ser el universo.
El actual paradigma cosmológico es el más longevo que se ha visto. Es la imagen del universo inflacionario, basada en un brote de expansión acelerada en el pasado remoto del universo, y su correcta predicción del patrón especial de minúsculas variaciones que vemos en la radiación como rastro de las primeras etapas de la expansión. La combinación de la potencia de los superordenadores para simular las complejidades de la agrupación de galaxias con las observaciones de extraordinaria sensibilidad de los nuevos telescopios ha trazado un mapa del universo que es comprensible, pero desconcertante.
Se nos pide que aceptemos que nuestro universo forma parte de un infinito multiverso de universos reales con propiedades distintas. Nuestro universo puede ser especial en aspectos esenciales para nuestra propia existencia y la de otras formas de vida inteligente. Hoy, nuestro universo muestra un segundo brote de expansión acelerada que se inició hace menos de 5000 millones de años.
Copérnico nos enseñó que nuestro planeta no se encuentra en el centro del universo. Quizá ahora tengamos que aceptar que ni siquiera nuestro universo se encuentra en el centro del Universo.

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This is another of the great cosmology books. Very interesting book. Many notes and images make this book a great reference.

Modern cosmologists are not only interested in the structure and history of our universe, but also in the other types of possible universes. Our universe has a large number of special and surprising properties (at least, for us) that we want to evaluate to see if they could have been different. That means that we must be able to generate examples of «other» universes with which we can compare.
That’s what modern cosmology is about. It is not just an exercise in describing our universe in the most complete and precise way possible: it tries to situate that description in a wider context of possibilities than the current one. He wonders why our universe has these properties and not others. Of course, we may eventually discover that there is no other universe possible (whose structure, content, laws, age, etc., are different in some way that we can conceive) apart from what we see. For a long time, cosmologists supposed (hoped, even) that this would be the case. But lately the waters have begun to flow in the opposite direction, and it seems that we are faced with many possible universes, all of them coherent with the laws of Nature. And, to finish it off, those universes may not be mere possibilities: perhaps they exist in the same sense that we attribute to ordinary things like you and me, here and now.

In Ecuador, the latitude is zero and there are no regions of stars that are always visible or that are never. An observer of the equatorial sky can contemplate any star, although, in practice, the two Celestial Poles are lost in the fog of the horizon. The stars come out and reach their highest point in the sky. When each star leaves, its direction remains more or less constant, and that makes it an excellent navigation beacon to travel by land or by sea during the night. There is hardly any lateral movement in the darkness of the sky, which seems symmetrical and simple. Our celestial observers have the impression of being at the center of everything, under a celestial canopy of arches and predictable movements that seem to be there for their own comfort. The universe behaves as if they were the centerpiece.
In the extreme case of the North Pole, the latitude is 90 degrees, and the visible stars do not rise or fall, but move in circles in the sky. The North Celestial Pole is located just above our head and the stars revolve around it. The impression is that it is the focus of the universe and that we are beneath it.
In more temperate northern latitudes, such as that of the ancient Stonehenge in Great Britain, at 51 degrees, the situation is intermediate. The stars that are within a circle of 51 degrees of the Celestial Pole will be described by concentric circles in the sky, with the Pole at its center. Other stars will rise above the horizon, ascend to their zenith, to finish descending and setting. The sky seems to be extremely crooked. The different stars follow different routes between their dawn and their sunset. But most surprising of all is the huge whirlwind of stars in the direction of the Celestial Pole, spinning around it as if it were the axis of a great cosmic wheel. For observers without any knowledge of astronomy or the movement of the Earth, there seems to be a special place in heaven.
This is one of the reasons why the myths about the sky and the nature of the universe that surrounds us have a geographical component.

In response to the complicated movements of the planets and the Sun in relation to the Earth shows the difficulty in arriving at a correct description of the universe based solely on observations or a very general philosophical principle. If the followers of Aristotle had been more critical, they would have had to deal with a few uncomfortable problems. Why is the Earth not perfectly spherical? Why was the central position of the Earth considered so important, while there could be other circular movements in epicycles that were not centered on the Earth? Why was the idea of ​​moving the center of the deferent circle of each planet off Earth accepted? Maybe it was a small displacement, but the Earth is at the center of the universe or it is not.
After Copernicus, the heliocentric image of our solar system was gradually refined until it was mathematically described by a new theory of movement and gravity created by a young Lincolnshire man named Isaac Newton (1643-1727). The law of gravitation and Newton’s three laws of motion dominated the world of physicists and engineers for almost 250 years, and transformed the previous visual descriptions of motion into a mathematical and precise one. They provided equations («laws» of change) whose solutions (the «results» of those laws) satisfactorily predicted what we could see at each moment, the movements of the Moon and the planets. One of these predictions was that the orbit of a planet around the Sun will not be circular, as Copernicus had supposed, but elliptical, with the Sun located in one of the foci of the ellipse.

The three laws of Newton’s movement can be expressed as follows:
First law: the bodies on which no force acts will remain at rest or moving at a constant speed in a straight line.
Second law: the rate of change of the momentum of a body is equal to the force applied to it.
Third law: for all strength there is an equal and opposite reaction force.
These laws hide numerous remarkable ideas. The first refers to bodies over which «no force» acts. But has anyone ever seen such a body?
One of Einstein’s great achievements was finding a way to find and formulate laws of nature that would guarantee that all observers would see the same laws, no matter how they moved. His new law of gravity, which replaces that of Newton, is called the theory of general relativity, and many people think that it is the most remarkable creation of the human mind. It broadens the Copernican perspective of simply dictating that our position in the universe should not be privileged to demand that any physicist, wherever he is or moves as he moves, find the same laws of Nature.
Einstein’s universe demonstrates the strength of the concept inherited from a static space that Schwarzschild had also used. He introduced an amazing universe model: a boundless finite curved space that exists throughout all past and future eternity. It was the first to be inferred from his extraordinary equations, but he had suppressed what the equations were trying to tell him: the universe did not want to be static. Later, Einstein would describe his response as «the worst blunder of my life.»

Almost all the universes we have described had a surprising property. «They began» at a finite time of our past, in which they possessed an infinite density. It was this singular beginning that so disgusted the creators of the steady state universe and what motivated them to look for an alternative that would not «begin» to exist at any special historical moment. A long time before, Richard Tolman had tried to avoid the inevitability of a principle by imagining that the cycles of expansion and contraction of a closed universe were eternal, like a bouncing ball. This explanation demanded a suspension of disbelief in every moment the universe bounced, because Einstein’s theory could not continue to be valid at such enormous densities and temperatures. Of course, you can not take the universe to zero size and infinite density and expect everything to continue to work without changes.
When the first universes were found from Einstein’s equations there were different points of view, generally skeptical, about the aspect of a universe principle with infinite density. At first, Einstein thought that it was simply a consequence of excluding pressure from the properties of matter in the universe.

In the early 1960s, cosmologists aspired to find a clearly defined way of deciding this question for the universes in general, rather than simply examining the solutions found one by one to find out if they had a principle or singularity in the sense from Misner. The Indian mathematician Amalkumar Raychaudhuri had begun this process almost unnoticed in Calcutta in 1953; it was also the case of Arthur Komar in the United States in 1956. None of them liked the idea of ​​singularities, and Raychaudhuri, perhaps because he lacked the influence of inherited Christian traditions, did not intend universes to have a beginning. Although density became infinite at some point in the past, I saw no need for that to mean the beginning of the universe. It was possible to continue beyond infinity on a still unknown path to an earlier state of the universe. Most likely, he thought, was that Einstein’s equations simply did not offer a complete description of the universe when the density became too high. New terms would appear in Einstein’s equations, solutions could change, and perhaps singularities would disappear.

If the universes can appear «out of nothing» without violating the laws of physics, perhaps the creation of the universe can be described using those same rules. Traditionally, cosmologists who believed that the universe had a beginning had been satisfied with considering it as a place and time in which laws failed. These laws began to exist at the same time as space, time and the physical universe. All our talk about «other» universes and about the multiverse questions this point of view. Increasingly, we see our universe as a result of the laws of Nature, perhaps one among many in a multiverse: a small local event in an eternal history.

We begin by asking ourselves how difficult it is to understand heaven. We saw that it was very complex to understand the stars and to decide if other galaxies existed. Einstein’s theory of general relativity of 1915 marked a milestone in the vision of our universe and the possibility of others. For the first time we could predict and study entire universes, understand their general properties and choose between them. We have followed the discovery process that has found more and more solutions of Einstein’s equations and has revealed universes with a multitude of unexpected properties. We have seen how they have been used to understand astronomical observations or to express philosophical views about how the universe should be.
The current cosmological paradigm is the longest we have seen. It is the image of the inflationary universe, based on an outbreak of accelerated expansion in the remote past of the universe, and its correct prediction of the special pattern of minuscule variations that we see in radiation as a trace of the early stages of expansion. The combination of the power of supercomputers to simulate the complexities of galaxy clustering with the observations of extraordinary sensitivity of the new telescopes has mapped the universe that is understandable, but disconcerting.
We are asked to accept that our universe is part of an infinite multiverse of real universes with different properties. Our universe can be special in essential aspects for our own existence and that of other forms of intelligent life. Today, our universe shows a second outbreak of accelerated expansion that began less than 5000 million years ago.
Copernicus taught us that our planet is not at the center of the universe. Maybe now we have to accept that not even our universe is at the center of the Universe.

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