Aleksandr Fridman - el cosmólogo de la teoría del universo en expansión

(...) La cosmología moderna surgió a principios del siglo XX después de haber creado A. Einstein la teoría relativista de la gravitación (teoría general de la relatividad, TGR).

El primer modelo cosmológico relativista, basado en la nueva teoría de la gravitación, que pretendía describir todo el Universo, fue construido por A. Einstein en el año 1917. Sin embargo, el modelo describía el Universo estático y, como lo han comprobado investigaciones astrofísicas, resultó incorrecto.

El matemático soviético A. Friedmann obtuvo en los años 1922-24 las soluciones generales de las ecuaciones de Einstein, aplicadas a la descripción de todo el Universo. Resultó que en el aspecto general, estas soluciones describían el Universo que va cambiando en el transcurso del tiempo. Los sistemas estelares que llenan el espacio no pueden hallarse en posición media a una distancia invariable uno de otro. Deben ora alejarse, ora acercarse recíprocamente. Veremos más adelante que ello es consecuencia inevitable de la existencia de las fuerzas de gravitación, las que predominan en escalas cósmicas. La deducción de Friedmann significaba que el Universo debe o expansionarse, o contraerse. Como ya fue dicho en el prefacio, esta conclusión significaba una reestructuración radical de nuestras concepciones más generales sobre el Universo, y no todos los intelectuales más progresistas de la humanidad lo comprendieron de inmediato y lo aceptaron. El astrónomo estadounidense E. Hubble, basándose en observaciones astrofísicas, descubrió en el año 1929 la expansión del mundo de galaxias que nos rodea y la expansión del Universo, lo que confirma que las conclusiones de A. Friedmann eran correctas. Los modelos de Friedmann sirvieron de base parar el posterior desarrollo de la cosmología. Como veremos más adelante, estos modelos describían el cuadro mecánico del movimiento de enormes masas del Universo y su estructura global. Si las imágenes cosmológicas anteriores estaban destinadas principalmente para describir la estructura del Universo que se observaba en el momento dado con un invariable, en término medio, movimiento de los mundos en éste, los modelos de Freidmann, en cambio, en su esencia eran evolucionistas, relacionando el estado actual del Universo con su historia anterior. En particular, de esta teoría se concluía que en un pasado lejano el Universo no se parecía en nada al que hoy observamos.

Opinión
Ciencia
Germán Martínez Hidalgo
EL COSMÓLOGO DE LA EXPANSIÓN DEL UNIVERSO: ALEXANDER FRIEDMAN (1888-1925)
El Sol de Puebla
16 de junio de 2008

Parte cuatro

Germán Martínez Hidalgo

Sociedad Astronómica de Puebla A.C.

ORGANIZACIÓN Y CIENCIA EN UNA NUEVA SOCIEDAD

"¡Ahora procederemos a edificar el orden socialista!"

Vladimir Ilich Ulianov -Lenin- (1919)

"La Rusia soviética no explota colonias, no busca explotar a nadie, no dirige carteles de desafío al comercio extranjero..."

Comandante Raynon Robins

División de Inteligencia del Ejército de los Estados Unidos - 1921

La Revolución rusa influyó poderosamente en todas las regiones del vasto Imperio Ruso; esto permitió la construcción en 1922 de la UNION DE REPÚBLICAS SOVIÉTICAS SOCIALISTAS URSS - CCCP ???? ????????? ???????????????? ?????????. Esta nueva organización social permitía la planificación de la educación, la producción, de la ciencia y la tecnología, además ofrecía oportunidades para el trabajo justo. A pesar de las dificultades de la creación del nuevo estado socialista, se inició un gran desarrollo industrial, comercial, social y científico. FRIEDMAN como todos los de su generación tuvieron las oportunidades de realizarse en una nueva sociedad, que les ofreció un terreno fértil para la producción científica y para la aplicación tecnológica.

Por aquellos años, tanto las teorías de la Relatividad como de la Teoría Cuántica y Atómica iniciaban su asenso; FRIEDMAN tuvo la oportunidad de conocer mucho de la producción científica de aquellos memorables años de la posguerra de la Primera Guerra Mundial.

ALEXANDER FRIEDMAN Y LA COSMOLOGÍA DE LA EXPANSIÓN (acto uno)



"El Universo es materia y movimiento, materia y movimiento son indisolubles, es decir, no hay materia sin movimiento ni movimiento sin materia, pero para que la materia moviente exista, se requiere espacio y tiempo"

Vladimir Ilich Ulianov -Lenin- (Materialismo y Empiriocriticismo) 1909



La FÍSICA de NEWTON -que representaba una gran estructura del pensamiento- consideraba que el comportamiento del UNIVERSO sólo se podía explicar con la TEORÍA de la GRAVEDAD que el mismo NEWTON había formulado, teoría de gran influencia pues desde el siglo XVIII hasta principios del siglo XX se estableció la creencia de un UNIVERSO ESTÁTICO; fue tan poderosa esta idea que el mismo EINSTEIN propuso en 1910 una nueva concepción y explicación de la GRAVITACIÓN; idea que culminaría 5 años después con la TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD, en donde la naturaleza del UNIVERSO debería tener como condición el ser estático. EINSTEIN estaba tan seguro, que modificó la Teoría para que el estatismo del UNIVERSO fuera posible; y tuvo la audacia de introducir en sus ecuaciones la CONSTANTE COSMOLÓGICA, en donde aparecía forzadamente una nueva FUERZA ANTIGRAVITATORIA -esto es- una FUERZA REPULSIVA, que como diría más tarde el propio EINSTEIN "fue la mayor metida de pata de mi vida". La explicación que daba es que esta FUERZA no provenía de ninguna fuente en particular, sino que está inserta en la estructura misma del ESPACIO-TIEMPO, lo que daba como consecuencia la existencia de un Universo estático. Curiosamente EINSTEIN y sus seguidores buscaban como modelar matemáticamente un UNIVERSO ESTÁTICO, evitando las predicciones físicas de la RELATIVIDAD que infería que el UNIVERSO era dinámico.



La gran influencia de EINSTEIN como físico, estableció como dogma la existencia de la CONSTANTE COSMOLÓGICA; aquí es cuando entra en escena ALEXANDER FRIEDMAN, un COSMÓLOGO nato, ya que él aprendió por si mismo la TEORÍA ESPECIAL como la GENERAL de la RELATIVIDAD; al estudiar las ecuaciones presentadas por EINSTEIN, FRIEDMAN descubre errores matemáticos, al corregir las ecuaciones, se da cuenta que si la TEORÍA GENERAL de la RELATIVIDAD era correcta, el UNIVERSO tendría que expandirse o bien contraerse, esta original forma de interpretar la Teoría, le hizo ser el primero en proponer un MODELO MATEMÁTICO DE UN UNIVERSO EN EXPANSIÓN, o sea un UNIVERSO DINÁMICO.



Esto se puede considerar como una de las ideas más innovadoras del pensamiento científico de nuestro tiempo. En efecto, en 1922 FRIEDMAN publicó su histórico estudio sobre COSMOLOGÍA de la EXPANSIÓN del UNIVERSO con el titulo: ON THE CURVATURE OF SPACE, traducido al alemán del ruso por la revista Zeitschrift für Physik, 1922.



ALEXANDER FRIEDMAN Y LA COSMOLOGÍA DE LA EXPANSIÓN (acto dos)



"Friedman comprendió desde el primer momento que estaba trabajando con una familia de soluciones a la ecuación de Einstein... comprendió que había una solución única a la ecuación de Einstein... e incorporó esta idea de la expansión del Universo..."

John Gribin sobre Friedman



"... la afirmación de que vivimos en un universo en expansión, reposa en cuatro lineas de investigación: 1) El modelo de Friedman, 2) la Ley de Hubble, 3) El fondo cósmico de radiación de microondas y 4) la edad del Universo inferida de la velocidad de expansión..."

Timothy Ferris (La aventura del Universo)



Cuando FRIEDMAN envió su trabajo a la revista alemana en 1922, simultáneamente le envió una copia a EINSTEIN con una clara carta, en donde explicaba como había hallado su UNIVERSO DINÁMICO; pero EINSTEIN acababa de recibir el premio nobel de FÍSICA y se encontraba en la cúspide de su celebridad; por lo que su carta venía a formara parte de las miles que recibía y le era imposible seleccionar la importancia de algunas cartas, de modo que por lo pronto no conoció ni la carta ni el trabajo de FRIEDMAN. Con las dificultades de aquellos años, FRIEDMAN consiguió ir a Berlin para visitar personalmente a EINSTEIN, pero él había salido de vacaciones, FRIEDMAN desistió y regreso a Rusia y espero visitarlo en otra ocasión. Un físico ruso le pidió a EINSTEIN que viera el trabajo de FRIEDMAN a lo que EINSTEIN accedió, con gran cuidado repasó el artículo del joven matemático ruso, EINSTEIN se quedó sorprendido de la sencillez de los razonamientos y empezó a cambiar de opinion, por lo que suprimió una nota en un artículo de 1923 sobre la CONSTANTE COSMOLÓGICA; primero trató de refugiarse en la postura de que "el resultado de Friedman, matemáticamente es correcto, pero no tiene importancia física"; después de reflexionar y analizar nuevamente, admitió que la solución dada por ese desconocido joven matemático ruso era cierta; en efecto El MODELO RELATIVISTA del UNIVERSO representa un UNIVERSO DINÁMICO y en EXPANSIÓN.



Hay que aclarar que FRIEDMAN como buen matemático, estableció dos suposiciones muy simples; primero: El UNIVERSO parece el mismo desde cualquier dirección desde donde es observable y segundo: también había la certeza de que cualquier observador desde otro sitio le parecería el mismo.



El modelo de FRIEDMAN refuerza en sus dos condiciones que las GALAXIAS -que son las mayores estructuras del UNIVERSO- se están alejando unas de otras.



Ahora bien, el tratamiento matemático de FRIEDMAN anticipaba que cuanto más alejadas están dichas GALAXIAS se separarán con mayor velocidad, de esta manera el modelo de FRIEDMAN presentaba que la velocidad de dos GALAXIAS, cualesquiera se separarían en forma proporcional a la distancia que guardan entre ellas.

Opinión
Ciencia
Germán Martínez Hidalgo
El Cosmólogo de la expansión del Universo: Alexander Friedman (1888-1925)
El Sol de Puebla
23 de junio de 2008

Parte Cinco

Germán Martínez Hidalgo

Sociedad Astronómica de Puebla A.C.

FRIEDMAN Y LA RELACIÓN VELOCIDAD-DISTANCIA

"El matemático ruso Alexander Friedman la predijo en 1922, siete años antes de que Hubble anunciara la relación velocidad-distancia"

David Layzer (Construcción del Universo) 1989

Una consecuencia del trabajo de investigación de FRIEDMAN fue hallar la relación VELOCIDAD-DISTANCIA de las GALAXIAS, resultaba ser una prueba singular de la expansión del UNIVERSO.

Como se ha visto, EINSTEIN parecía haber desarrollado una descripción matemática del COSMOS completa y al parecer única. Sin embargo el astrónomo y cosmólogo holandés WILLEM DE SITTER (1872-1934) había presentado la teoría de EINSTEIN al astrónomo británico STANLEY EDDINGTON (1882-1944), DE SITTER trató de demostrar que era posible otra solución a las ecuaciones de campo propuestas por EINSTEIN. El caso del modelo de DE SITTER -donde también incorporaba una CONSTANTE COSMOLÓGICA- venía a ser una descripción matemática de un UNIVERSO completamente vacío. Un COSMOS desprovisto de MATERIA, que podía parecer absurda a primera vista, pero es una aproximación bastante acertada de la realidad; el ESPACIO -después de todo- está en su mayor parte vacío.

Es aquí cuando EINSTEIN y DE SITTER se vieron acompañados en la arena COSMOLÓGICA, pues el versátil científico ruso FRIEDMAN corrió con sagacidad matemática el velo de un UNIVERSO estático, para darle un impulso dinámico al corregir las ecuaciones de la RELATIVIDAD GENERAL.

En 1927 el canónigo belga GEORGES EDUARD LEMAITRE (1894-1966) sin conocer el trabajo de FRIEDMAN propuso un modelo de un átomo primordial denso y muy caliente, que estalló para crear el actual UNIVERSO, dándole el impulso para ser un UNIVERSO en expansión.

El modelo del joven matemático ruso -FRIEDMAN- resultaba ser un filón de oro para la COSMOLOGÍA, pues de las dos suposiciones, se desprendían tres modelos: el primer modelo que encontró FRIEDMAN supone que: el UNIVERSO se expande lo suficientemente lento para que la acción de la GRAVEDAD entre las diferentes GALAXIAS tenga la capacidad de "frenarlas" y por consiguiente detener la EXPANSIÓN, lo que traería como consecuencia una contracción, las GALAXIAS se acercarían más unas a otras y habría una IMPLOSIÓN. Matemáticamente esto empieza siendo igual a cero y aumenta hasta llegar a un máximo -el frenado-; una segunda opción o MODELO considera que si el UNIVERSO se "expande" más rápidamente que la fuerza de atracción gravitatoria, imposibilitaría su frenado; esto es, empieza en cero y con el tiempo sigue aumentando con cierta velocidad, en donde las GALAXIAS se separan con una velocidad cada vez mayor. El tercer modelo de FRIEDMAN considera que el UNIVERSO se va EXPANDIENDO con una velocidad que se ajusta para evitar el colapso; matemáticamente, empieza en cero y aumenta continuamente, en este caso la velocidad de separación de las GALAXIAS se hace cada vez menor, sin que se haga nula.



CONCLUSIÓN DE LA TEORÍA DE FRIEDMAN



"La habilidad de mirar atentamente en la profundidad, el extenso movimiento, claramente, brevemente exponer, aplicar a la práctica o dejar una teoría nueva, alumbrar en todas partes y dar un nuevo empujón al pensamiento, fueron los rasgos característicos de su trabajo, su pensamiento creador penetraba en todos los callejones del conocimiento, por él alumbrados, e iluminaba la luz viva de su mente disciplinada y de creadora fantástica"

Ekaterina Friedman -sobre Alexander- (Esposa de A. Friedman)



"Si descubriera una estrella, Friedman la llamaría..."

Leonid Martinov -Poema a Friedman-



La conclusión del MODELO DE FRIEDMAN es que todas las soluciones se caracterizan de que en algún tiempo pasado -esto puede ser entre 10,000 y 20,000 millones de años- la distancia entre las GALAXIAS era del orden de cero. A este "instante cero" le llamamos BIG BANG, en donde la DENSIDAD DEL UNIVERSO -lo mismo que la CURVATURA del ESPACIO-TIEMPO- tendrían que ser infinitas.

FRIEDMAN que es un MATEMÁTICO y COSMÓLOGO nato establece que las MATEMÁTICAS no están en la posibilidad real de manejar cantidades infinitas, lo que significa -y está fue la solución de FRIEDMAN- que la TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD predice la existencia de un punto en el UNIVERSO en donde la TEORÍA lleva al COLAPSO; de modo, que tal idea es lo que los MATEMÁTICOS llaman -SINGULARIDAD-, esto es: el punto de CURVATURA infinita del espacio donde las ecuaciones de la RELATIVIDAD GENERAL dejan de ser válidas.

FRIEDMAN demuestra matemáticamente la descripción de nuestro UNIVERSO -de hecho- se adelantó siete años al trabajo observacional de los astrónomos estadounidenses EDWIN HUBBLE (1885-1953) y MILTON LA SALLE HUMASON (1891-1972) sobre la huida desenfrenada de las GALAXIAS; de modo que FRIEDMAN predijo con gran precisión lo que HUBBLE y HUMASON descubrieron observacionalmente en 1929.



ANÉCDOTAS DE FRIEDMAN Y SUS ÚLTIMOS AÑOS



"Muere joven, el elegido de los dioses"

Menandro (Siglo IV a.C.)



En enero de 1914 FRIEDMAN se dirigió a Leipzig, Alemania a colaborar con el noruego VILGELM FRIMAN KOREN BERKNES (1862-1951) fundador de la teoría de los Frentes en la Atmósfera. En ese año comenzaría la Primera Guerra Mundial, aún así, a 20 días de la declaración de guerra por parte de Alemania a Rusia -agosto 1- el 21 de ese mes, FRIEDMAN participó en el equipo científico para la observación del Eclipse Total de Sol que se observó en el Norte de África, Europa y Norteamérica, siendo el mejor punto de observación en las cercanías de Minsk en Bielorrusia, precisamente en las fronteras del conflicto.

FRIEDMAN dictaba conferencias desde Kiev hasta Petrogrado (Leningrado, San Petersburgo) pasando por Moscú, al poco tiempo, en 1917 le fue diagnosticada una enfermedad del corazón, por lo que los doctores le recomendaron no quedarse en Petrogrado pues el clima no le era benéfico. Friedman decidió mudarse a la ciudad de Perm en los Urales, pero en 1923 ya se encontraba nuevamente en Petrogrado dando clases en diferentes instituciones; en ese mismo año se convierte en director de la Revista de Geofísica y Meteorología y al poco tiempo es nombrado director del Observatorio Geofísico.

ALEXANDER FRIEDMAN fue famoso por los cursos que impartía en la Universidad de Petrogrado, su originalidad y su sencillez dejaron una gran cantidad de alumnos que desarrollarían el estudio a alto nivel de la FÍSICA, LA RELATIVIDAD, la COSMOLOGÍA y las CIENCIAS en general, con el método tradicional de la MATEMÁTICA RUSA.

FRIEDMAN publicó textos cuyos títulos eran: EXPERIMENTOS EN LA HIDRODINÁMICA DE LÍQUIDOS COMPRIMIRLES, EL MUNDO COMO ESPACIO Y TIEMPO, ESTUDIOS SOBRE METEOROLOGÍA DINÁMICA, etc.

FRIEDMAN murió de fiebre-tifoidea el 16 de septiembre de 1925, tenía 37 años, fue enterrado en el cementerio ortodoxo de Smolensk; por sus trabajos y su apoyo a las ciencias como motor del nuevo Estado Socialista, le fue concedida de manera póstuma la Medalla Lenin de 1931. FRIEDMAN no vivió para ver la importancia de su trabajo sobre el UNIVERSO DINÁMICO.

En 1959 la sonda soviética LUNIK III fotografió el lado oscuro de la Luna, los académicos soviéticos nombraron varios cráteres y accidentes; un cráter de 102 km. de diámetro lleva el nombre de FRIEDMAN. En el año 2006 los escritores científicos E. A TROPP, V, Y, FRENKEL y A. D CHERNIN publicaron el libro con el título ALEXANDER ALEXANDROVICH FRIEDMAN: VIDA Y TRABAJO.

El más grande COSMÓLOGO del que se tenga memoria, nos heredó la confirmación teórica de un UNIVERSO en EXPANSIÓN.