Sobre el meu llibre “La veritable història de la cosmologia moderna. Orígens, principals actors i avenços decisius”

Pròleg: Weinberg com a referència i contrast

En el meu llibre The True Story of Modern Cosmology, que acaba de publicar aquest 2021 l'editorial Springer-Nature de Berlín, presento la rigorosa història de com, durant el segle passat, observadors del cel i científics pioners van assolir la nostra comprensió actual de l’univers, convertint al mateix temps la cosmologia en una ciència moderna. Abans, però, d’explicar amb detall el seu contingut, m’agradaria primer posar-lo en context. I ho faré prenent com a referència un altre llibre, To Explain the World: the Discovery of Modern Science, escrit el 2015 pel gran físic, traspassat el 23 de juliol d'enguany, Steven Weinberg.

Considero necessari procedir així, tenint en compte les crítiques (a vegades ferotges) que acostumen a rebre els científics en actiu —els recercadors en les diverses fronteres de la ciència— per part dels historiadors professionals, quan els primers escriuen algun llibre sobre història de la ciència.

Com a exemple, m’estendré una mica sobre el que li succeí al mateix Steven Weinberg, físic teòric molt influent, d’una categoria excepcional; gairebé un mite, per a molts físics. Ni tan sols un personatge d’aquest nivell se’n va poder deslliurar, d’aquestes crítiques. Tot un gran premi Nobel que, en paraules del també premi Nobel Frank Wilczek a Nature: “va portar la comprensió fonamental de la natura a nous nivells de poder i completesa, i va tenir un paper cabdal a l’hora de formular i establir els dos models estàndards de la física teòrica actual: el model estàndard de les interaccions fonamentals i el model estàndard de la cosmologia”. Weinberg fou un teòric colossal, que unificà dues de les quatre forces fonamentals de la natura i va donar forma a la manera com els físics i les persones del carrer pensem ara sobre l’univers. Tot i això, alguns dels seus col·legues més qualificats argumenten que la contribució realment seminal de Weinberg a la física de partícules no va ser pas la unificació de les forces febles i l’electromagnetisme (malgrat la gran importància d'aquest descobriment), sinó el fet d’haver articulat de manera definitiva com han de ser tractades les teories efectives de camps quàntics, que a hores d’ara han adquirit una importància de primer ordre. Va escriure diversos llibres excelents, que han format varies generacions de físics teòrics, i el seu llibre de caràcter divulgatiu "The first three minutes" el feu universalment conegut. No m’estendré més, ja que teniu a l'abast nombrosos i ben documentats obituaris sobre Weinberg amb explicacions molt detallades (vegeu el de Physics Today). A més, una entenedora discussió de la seva obra ha aparegut en un article del darrer número de la Revista de Física de la RSEF, escrit per Luis Álvarez Gaumé.

Les crítiques a Weinberg van sorgir immediatament després de la publicació del seu llibre To Explain the World: The Discovery of Modern Science (Harper and Collins, 2015; edició en castellà Explicar el mundo: El descubrimiento de la ciencia moderna, Taurus, 2015), que dedicà a la història de la física, des dels antics grecs fins als nostres dies. Weinberg hi expressà, per començar, la seva visió compartida per molts altres científics que la ciència genuïna transcendeix la història i la cultura. Les crítiques que va rebre foren especialment dures en el seu cas, potser, precisament, degut a la seva excepcional categoria. Encara que també es podrien veure com una reacció, fins a cert punt comprensible, al gran menyspreu que els historiadors han rebut tants cops per part d’alguns científics. Sovint els retreuen no haver fet mai cap contribució rellevant a la ciència, i fins i tot no entendre adequadament les teories actuals més avançades.

Quan fou publicat, el llibre va donar ales a les plomes dels historiadors i filòsofs més combatius, que es van mostrar realment molestos amb l’aproximació de Weinberg a la història. L’acusaren sobre tot de jutjar el passat des del punt de vista del present, això és, d’allò que ara sabem amb certesa. Aquesta visió acostuma a rebre el nom d’interpretació whig de la història, la qual es caracteritza per contemplar els esdeveniments passats sempre sota el prisma d’una marxa vers la il·lustració que ignora per complet els culs-de-sac i els corriols cecs que es troben pel camí. D’alguna manera, és considerada com "la història escrita pels guanyadors" (Fig. 1).

Fig. 1 Portada del llibre de Steven Weinberg Explicar el mundo, Editorial Taurus, 2015.

Resulta a primera vista sorprenent, quan hom hi pensa una mica, que els científics mantinguem en paral·lel dos discursos aparentment ben diferents sobre aquesta qüestió i sobre el desenvolupament de la ciència en general. Per una banda, estem molt satisfets de proclamar a totes hores que anem adquirint coneixement, que aprenem més i més sobre com funcionen les coses. Però també afirmem, al mateix temps, que és molt bo equivocar-se de tant en tant i que l’arrel del progrés futur és el fet que sempre romanen coses que encara no sabem com funcionen. I sovint es diu que la part emocionant de debò de la ciència és precisament adonar-se del que no sabem i de com podrem arribar a conèixer-ho, a assolir-ho.

I es dóna el cas precisament que el moment en què ara ens trobem en cosmologia és molt apassionant en aquest sentit, ja que, com explico en el meu llibre, hem arribat a la conclusió que desconeixem de què està format el 95% del nostre univers! Tot això pot semblar bastant contradictori, però no ho és en absolut. De fet, ambdues actituds es complementen; fins i tot podríem dir que es retroalimenten, d’una manera molt positiva i fructífera.

Sigui com sigui, vist en perspectiva el fet indubtable és que anem progressant cap a un major coneixement (sobretot si admetem que saber que no se sap és també una manera de saber). Per posar un exemple, cal entendre que la validesa de la mecànica newtoniana no va ser pas mai posada en dubte pels descobriments d’Einstein: tan sols va succeir que el seu àmbit d’aplicació es va delimitar amb més claredat. Des del camp de la ciència activa s’acusa alguns historiadors de no ser capaços de comprendre un punt tan bàsic i elemental com aquest. Car és un fet ben clar que, tot i els nostres descobriments posteriors, la mecànica newtoniana segueix sent exactament igual de vàlida com ho era abans, dins del seu domini. i que avui dia seguim fent servir les equacions derivades de les lleis de Newton per a nombrosíssimes i molt importants aplicacions en física i enginyeria.

La ciència és radicalment diferent d'altres formes del coneixement humà en molts altres dominis, ja que en la física fonamental sí que hi ha algunes coses, com les lleis de Newton, que és del tot segur que coneixem i que ja no canviaran mai, per molt que aquesta progressi i que apareguin noves teories. La ciència és una representació cada cop més precisa de com funciona l’univers, i aquesta precisió sempre millora i s’amplia, mai no retrocedeix, sota cap circumstància (vegeu "The best books on The History of Science", recomanats per Matthew Cobb, en una entrevista de Jo Marchant).

En qualsevol cas, en titllar Plató de “ximple” ("silly"), Aristòtil de “tediós” i Galileu d’”endarrerit en el temps”, el llibre de Weinberg comet, en opinió dels historiadors esmentats, tots els pecats que aquests acostumen a atribuir al whiggisme. El llibre els en dona motius clars, quan hi llegeixen:

“M’acostaré al terreny perillós que els historiadors contemporanis eviten amb més cura: jutjar el passat d’acord amb els estàndards del present. [...] Alguns historiadors de la ciència eviten a tot preu referir-se al coneixement científic present en els seus estudis de la ciència del passat. En lloc d’això, en el meu cas utilitzaré a fons el coneixement present per aclarir la ciència del passat”.

I com un altre aspecte del tema, referint-se al subtítol del seu llibre (“El descobriment de la ciència moderna”), Weinberg n’explica el sentit, afirmant que és un fet que la ciència no es “construeix”, sinó que es “descobreix”; de la mateixa manera que l'agricultura no es va pas construir sinó que es va descobrir: “la realitat física de l’univers és la que és, i només està esperant ser descoberta”.

En clar contrast, Thomas Kuhn, entre altres grans pensadors i historiadors, considera en els seus escrits que el progrés lineal i acumulatiu pot ser una noció problemàtica i que la història hauria de tractar correctament d’entendre el món del passat en els seus propis termes. Weinberg descarta explícitament en el seu llibre aquesta idea, dient amb claredat: “No la comparteixo”. L'objectiu del seu llibre no és, segons declara, entendre el passat en els seus propis termes, sinó “jutjar el passat d’acord amb els estàndards del present”. I afirma que és des d’aquest punt de vista que Plató fou “ximple” i Aristòtil “equivocat sobre les lleis de la natura” (encara que admet que era al mateix temps "clar i seriós"). Diu també que l'èmfasi de Galileu en la geometria per sobre de l'àlgebra “el va fer quedar endarrerit” respecte al que podria haver aconseguit d’altra manera. Considera a més que Bacon ha estat sobrevalorat i afegeix que, malgrat els elogis del baconianisme per part de diverses generacions de pensadors, “no tinc clar que el treball de cap científic rellevant hagi estat mai millorat pel fet d’haver llegit Bacon”. Weinberg considera així mateix que Descartes ha estat també molt sobrevalorat, dient: “és remarcable el nombre d’equivocacions que Descartes va fer en tants aspectes de la seva aproximació a la natura”. Newton és en aquest sentit un dels pocs que se salven: els seus èxits “proporcionaren el paradigma que tota la ciència posterior va seguir, a mesura que va anar esdevenint moderna”. Ho deixo aquí.

L’enfocament del meu llibre sobre els orígens de la cosmologia moderna

Serveixi el preàmbul precedent, sobre l'orientació i les crítiques rebudes pel llibre de Weinberg, per posar en context l’aproximació històrica que he intentat seguir en el meu. Podríem dir, d'entrada, que se situa en el bell mig de totes aquestes consideracions. Vegem-ho. És del tot cert que el progrés lineal i acumulatiu pot resultar en general una noció problemàtica, tal com afirma Kuhn, quan hom pensa en un àmbit científic genèric. Però s’ha de tenir en compte que el concepte de Ciència és molt ampli i variat, i aquestes consideracions poden ser de ben diferent validesa i aplicabilitat en els seus diversos àmbits o àrees del coneixement. Em permeto recordar que hi ha alguns especialistes que han gosat fins i tot imaginar com a possibilitat, encara que remota, que el paradigma de la selecció natural en l'evolució de les espècies podria trontollar i haver de ser dràsticament modificat en el futur. Aquí doncs, com també en àmbits de la medicina (és molt interessant la discussió sobre aquest punt que es pot trobar a The Whig History of Science: An Exchange) i en molts d’altres, l’afirmació de Kuhn pot resultar del tot vigent i adequada. Altrament, però, pel que fa a la física fonamental, als principis més bàsics i essencials de la realitat física, el progrés és indiscutible i la línia des del passat fins al present i més enllà queda marcadament definida, d’una manera rigorosa i objectiva. Aquí estic absolutament d’acord amb Weinberg.

Ara bé, no comparteixo amb ell que la visió dels descobriments i formulacions passats de la física s’hagi de fer exclusivament amb els ulls del que sabem avui. Hem de tenir un criteri bastant més obert en aquest sentit i el viatge cap enrere en el temps (gedanken Zeitrückreise) resulta, al meu entendre, imprescindible. Hem d’oblidar per una estona tot el que ara sabem i endinsar-nos de ple en les èpoques passades, tan sols amb els coneixements que aleshores es tenien. I així ho faig molt sovint en el meu llibre. Dono, en qualsevol cas, un plus d’importància al fet que alguns d’aquells científics i científiques fossin realment capaços de trobar el camí “correcte”, en aquelles circumstàncies, la senda que conduïa al coneixement futur que ara tenim. Això ho valoro, però sempre d’una manera relativa, i no de tot o res. Cal pensar, a més, en la influència tantes vegades decisiva de la sort en aquestes troballes: l'atzar és un factor molt important, del qual considero que es parla massa poc i que de fet ha estat crucial en un bon nombre de descobriments científics de gran transcendència (Fig. 2).

Fig. 2 Portada i contraportada del meu llibre The True Story of Modern Cosmology, recentment publicat per Springer-Nature, que pretenen transmetre la seva essència i objectius. A la portada, el baf del cafè calent dibuixa una regió famosa de la Via Làctia on neixen constantment les estrelles a partir d’enormes concentracions de pols i gas. El baf segueix escampant-se, impregnant tot el llibre, fins a la contraportada, on hi trobem una imatge del camp més profund del cel amb algunes de les estrelles més antigues de l’univers, les més llunyanes. La tassa de cafè vol transmetre l’amable consell de l’autor que totes les lliçons d’aquest llibre sobre el naixement i l’evolució de l'univers s’han de prendre a petits glops i en un lloc còmode, tot assaborint un bon cafè o la beguda preferida del lector/a. És la millor manera d’apropar-se a aquesta singular història del cosmos.

Deixant ara de banda les rivalitats esmentades entre científics i historiadors, que trobo fins a cert punt comprensibles per les raons que ja he exposat, un dels grans motius de discrepància és aquest al qual m’acabo de referir: mentre que els historiadors de la ciència se situen, com a bons historiadors, en l’època en què els descobriments científics van tenir lloc, els científics historiadors solen generalment descriure el passat en termes dels nostres coneixements actuals, donant d’aquesta forma una visió que és sovint radicalment diferent. D’aquesta manera, grans personatges històrics que van edificar teories excel·lents per a l’època en què van ser proposades, però que després es va demostrar que eren completament errònies (pensem, per exemple, en les teories que consideraven la Terra, o més tard el Sol, com a centres de tot l’univers, o en les esferes d’Aristòtil) queden absolutament minimitzades (fins i tot ridiculitzades, a vegades) pels científics historiadors, degut al fet irrefutable, comprovat a posteriori, que aquelles teories no són vàlides.

És, per altra banda, un fet indiscutible que hi ha una gran diferència entre el progrés de la ciència i el d’altres disciplines de la cultura humana. En efecte, la joia més preuada del coneixement científic és el fet que la ciència és acumulativa: ara sabem moltes més coses del món, i d’una manera millor, que fa cent anys. Això no es pot dir, per exemple, de la creació artística, ja que ningú no pot demostrar, posem per cas, que Keats fos un escriptor millor que Shakespeare. Ni tampoc que entre els escriptors posteriors a Keats n’hi hagi hagut algun de millor que aquest. D’alguna manera, hom podria opinar que en literatura anem enrere, o pel cap baix, que no hem avançat gens, segons com es miri. I el mateix podríem dir en molts altres camps, com el de la música: qui ha pogut fins ara superar Bach, Mozart o Beethoven? Bé, en opinió del meu veí resulta que sí, que han estat superats tots tres (per un músic esotèric del qui ara no recordo el nom); però aquesta afirmació del meu veí no és pas una opinió universal, ja que l’aclaparadora majoria de les persones no pensen en absolut com ell. I és que “millor” no significa realment res objectiu en aquests contextos culturals.

La ciència bàsica, ben al contrari, és progressiva, ja que es basa en coneixements previs, comprovats tots amb extraordinari i indiscutible rigor. Però l’interessant del coneixement científic és que aquest progrés és increïblement no lineal, ja que resulta ben cert que es cometen errors contínuament i que la feina que s’ha de fer fins a arribar a trobar la sortida bona de l’ocasional laberint amb què hom es troba, això és, la que condueix a la senda vàlida, és sovint, retrospectivament, la part més interessant i la més apassionant de la recerca.

Tanmateix, quan els científics descriuen aspectes de la història de la seva pròpia temàtica, en especial en llibres de text o divulgatius, molt sovint ho fan de manera que sembla que tot és planer, lineal i que inevitablement ens porta a on som avui. Aquesta és una raó per la qual alguns historiadors es mostren molt frustrats pels científics que escriuen història. Als historiadors professionals els agrada d’allò més recrear-se precisament en totes les derivacions, en cada una de les teories errònies que es van desenvolupar en paral·lel a la que finalment es demostrà que era la correcta i sembla que per a ells totes aquestes possibilitats són igualment apassionants i valuoses. Han estat formats per ser crítics amb tot i pensar d’una manera molt detallista, que analitza els mil i un aspectes de la història; i així resulta que sovint les teories equivocades poden arribar-los a semblar tant o més interessants, per dedicar-los-hi espai, que les correctes. Això contrasta del tot amb la manera d’enfrontar els fets per part dels científics en actiu, molt més pràctica, directa i agressiva, poc comprensiva amb els errors comesos.

Repeteixo que en el meu llibre intento buscar un equilibri entre ambdues postures. En particular, hi afirmo que mai no hauríem de pensar que la gent del passat era estúpida. La majoria dels científics sobre els quals s’escriuen els llibres d’història eren bastant més intel·ligents del que mai no ho serem molts de nosaltres. I, no obstant això, sovint van dir tota mena de disbarats (pensem altre cop en els mapes de l’univers d’abans de Copèrnic: Anaximandre situava les estrelles més a prop de nosaltres que el Sol!), si els jutgem des d’una perspectiva actual. Com podien creure aquestes persones tan intel·ligents coses que ara considerem tan palpablement falses? Com hem assolit la comprensió que tenim avui dia de les coses? Quin ha estat el procés seguit per arribar fins aquí? Per fer-ho, hem d’intentar honestament reconstruir el que pensaven els científics i científiques del passat en el seu propi temps i ambient, amb els coneixements que eren aleshores al seu abast. I la manera correcta de dur-ho a terme és oblidar, encara que només sigui per una estona, totes les teories i conceptes que vingueren més endavant. Així ho faig contínuament en el meu cas.

En el llibre m’he preocupat a consciència de contrapesar, de mirar d’equilibrar, dins del que m’ha estat possible, aquests dos enfocaments tan diametralment oposats. Com a científic practicant de teories i models demostrats correctes avui dia (i també d’alguns que encara estan a prova) resulta bastant difícil abstreure’s de la visió en perspectiva del segle passat i de l'evolució que els coneixements cosmològics van experimentar, en la bona direcció —encara que seguint un camí a cops tortuós— fins a arribar a les dues revolucions cosmològiques que he identificat clarament, corresponents a aquest període. Però, alhora, m’he dedicat també en moltíssimes ocasions a fer “viatges enrere en el temps”, a situar-me de ple en les èpoques passades i a analitzar els esdeveniments en el marc estricte dels coneixements que es tenien a cada època. Per poder així apreciar el seu valor d’una manera més honesta: la corresponent al moment en què el model va ser proposat, i que pot ser radicalment diferent del valor que se li dona actualment, vist en perspectiva des dels coneixements d’avui. Espero haver pogut aconseguir aquest propòsit. Potser m’he allargat una mica, però considero que ha estat necessari per posar en context la meva obra.

I ara ja, el contingut del llibre amb més detall

Explico en ell com, durant el segle passat, observadors i científics pioners van assolir la nostra comprensió actual de l’univers. Ja a l'antiguitat, la humanitat havia intentat entendre’l, encara que ben sovint amb l'ajut de mites i llegendes. La meva història, però, se centra a l’època en què finalment la cosmologia es va convertir en una ciència autèntica. El lector apreciarà que aquest va ser un procés lent, que s'estengué per una gran part del segle XX i que involucrà astrònoms, cosmòlegs i físics teòrics. El llibre explica com les dades astronòmiques empíriques (Leavitt, Slipher i Hubble) es van conciliar amb la teoria d’Einstein de la relativitat general; un repte que finalment va conduir Friedmann, De Sitter i Lemaître, i finalment el mateix Einstein, a una comprensió coherent dels resultats observacionals.

Aquests èxits van tenir unes implicacions extraordinàries que canviaren del tot la nostra visió del cosmos: de ser petit, estàtic, immutable i etern, va esdevenir enorme i dinàmic, originat a partir de gairebé res, i es va veure també que actualment, prop de 14.000 milions d’anys després, experimenta encara una expansió accelerada. Però, com sempre passa, a més de coneixement preciós, pel camí també s’han anat creant nous misteris on anteriorment havia regnat la certesa absoluta.

El llibre proporciona explicacions fàcils d’entendre però alhora completament rigoroses. Descriu com vàrem arribar a conèixer l’origen i l’expansió del nostre univers. Ajuda, a més, el lector a copsar d’una forma molt visual el significat de la relativitat general i el misteri de l’acceleració còsmica. I mostra d’una manera magistral (copio literalment les paraules de les ressenyes que s’han escrit sobre el llibre) com la recerca projecta una nova llum sobre els camins que condueixen al progrés del nostre coneixement de l'univers.

Concretant una mica més, el llibre consta dels següents nou capítols.

1. Introducció: El despertar de la consciència còsmica.
2. Què és una teoria científica?
3. La primera revolució cosmològica del segle XX.
4. La teoria de la relativitat general i les seves principals solucions.
5. La llei de Hubble-Lemaître i l’expansió de l’univers.
6. La teoria del big-bang.
7. Cap a l’instant mateix de la creació de l’univers.
8. La segona revolució cosmològica del segle XX.
9. Conclusió.
   Bibliografia.
   Índex.

En conjunt, es tracta d’una història d’alguns dels episodis —els que considero més fonamentals— que conduïren al naixement de la cosmologia moderna. Per raons que queden descrites en el llibre, situo l’origen d’aquesta l'any 1912, època que caracteritzo com el moment en què els cosmòlegs van tenir per fi a la seva disposició les eines imprescindibles per convertir la cosmologia en una veritable ciència. Això va succeir finalment quan els cosmòlegs varen poder utilitzar les teories físiques que sorgiren de les grans revolucions científiques del primer terç del segle XX. Aquestes els van permetre descriure, amb models cada cop més acurats, l’origen, l’estructura, l’evolució i el comportament de l’univers en el seu conjunt, com un tot. I portades als extrems —tot i que aquestes teories no són estrictament vàlides en aquests límits— permeten també fer-se una idea plausible de com i quan es va produir l’origen del cosmos i de quin serà el seu futur.

El llibre està dedicat especialment als orígens, i per això en el primer capítol es discuteix amb certa cura l’apassionant qüestió del despertar de la consciència còsmica en els éssers humans. Aquesta recerca, en tota la seva profunditat, queda fora de l’abast del llibre, però en el primer capítol se’n fa un relat documentat, per bé que necessàriament curt. Resumint moltíssim, només un parell d'aspectes:

• Les capacitats dels homínids van evolucionar molt més gradualment del que es pensava als anys setanta, quan es creia que hi va haver un canvi genètic sobtat i molt dramàtic fa 50.000 anys, que va provocar que els humans poguessin de sobte pensar i comunicar-se.
• Els neandertals, i segurament ja els seus avantpassats comuns amb els de l'Homo sapiens, probablement es comunicaven oralment, encara que fos d’una manera rudimentària. Això portaria l’origen de les primeres expressions orals a fa més de dos milions d’anys.
• I, molt probablement, la primera capacitat mental documentada, adquirida potser ja fa 800.000 anys, va ser la geometria. Incipient, si voleu, només ratlles senzilles sobre pedres i petxines, però amb patrons recurrents ben clars, que es troben en diversos llocs, molt allunyats els uns dels altres, ben documentats des de fa almenys 73.000 anys.
• I això va succeir diverses desenes de mil·lennis abans que s’utilitzessin símbols gràfics per codificar sons, noms i llenguatges.

A més, es discuteixen breument els orígens i l'evolució de la cosmologia durant els segles passats (model d'Anaximandre, etc.).

El segon capítol tracta sobre el que és una teoria científica. Hi distingim sempre dues parts (pilars o potes), ambdues igualment importants i necessàries:

• D’una banda, els resultats del laboratori o de l’observació directa de la natura.
• De l'altra, el model teòric o llei fonamental que proporciona l'explicació dels resultats.

Per elegant que sigui un model o una teoria, si no es correspon amb les observacions de la naturalesa o amb els resultats del laboratori, aquesta llei o model no tindrà el més mínim valor com a teoria científica. D’altra banda, un recull de resultats o d’observacions experimentals, per més exactes, acurats i exhaustius que siguin, no constituiran una teoria científica si no trobem la llei o el model que obeeixen. Per posar un exemple, com a model teòric, la supersimetria no podria ser més brillant i ben elaborada; però fins ara encara no hi ha cap resultat experimental que la confirmi. A l’extrem oposat, nombroses missions astronòmiques han recopilat una fabulosa quantitat de dades, que milloren dia a dia, sobre l’existència, distribució i evolució de la matèria fosca al cosmos. No obstant això, no hi ha encara cap model teòric que pugui explicar irrefutablement totes aquestes dades. En cap dels dos casos estem, doncs, davant d’una teoria científica.

Fig. 3 Versió prèvia del llibre, publicada per Libros de la Catarata, Madrid, 2020.

Es considera, a més, un altre exemple molt important que té a veure amb la cosmologia. En molts llibres i articles de tota mena s'afirma erròniament que “Edwin Hubble va descobrir l'expansió de l'univers”. Raono que això és del tot fals, per diversos motius. De fet, Hubble mai no va creure en aquesta expansió i va lluitar aferrissadament contra aquesta idea, tot i que va contribuir molt al descobriment de l’expansió.

Sembla un trencaclosques, però no és pas tan difícil d’entendre, si ens atenim a la definició de teoria científica:

Teoria científica = Observació + Llei o model teòric (explicació)

Hubble només va contribuir a la primera de les dues potes: la part empírica o observacional. Va construir, en efecte, una taula de distàncies a les nebuloses espirals i, comparant-la amb la taula de Vesto Slipher de les velocitats de recessió radial (obtinguda a partir dels desplaçaments cap al roig, redshifts), va trobar la seva famosa llei: les nebuloses s’allunyaven de nosaltres a una velocitat proporcional a la distància a què es troben. Així, la mida de l’univers visible augmentava. Un resultat purament empíric que fou molt ràpidament acceptat. Ningú no va posar la menor objecció contra aquest gran descobriment.

Però resulta que això res té a veure amb dir que l’univers s’expandeix, és a dir, que el teixit de l’espaitemps s’estén, arrossegant les nebuloses amb ell. És un fet demostrat que Hubble, com gairebé tots els astrònoms de l’època, van buscar explicacions completament diferents per a la recessió de les nebuloses a aquelles velocitats colossals: ho atribuïren, amb arguments físics del tot sòlids per aquella època, a un efecte de llum cansada, o a l’efecte De Sitter, etc.; en cap cas a la dilatació del teixit del cosmos, que era aleshores un concepte extremadament difícil d'entendre i acceptar. Ni Hubble, en tota la seva vida, ni Einstein, durant deu llargs anys, varen acceptar l'expansió de l'univers.

El tercer capítol del llibre tracta dels inicis de la primera revolució cosmològica del segle XX. S’inicia amb la cerca dels orígens de la cosmologia com a ciència moderna. Argumento que, amb aquest fi, s’ha de determinar amb claredat i precisió el moment en què els científics es van trobar per primera vegada en condicions d’estudiar l’univers totalment, com ho farien amb qualsevol altre sistema físic.

A escala còsmica, l’univers és una col·lecció de punts i, com qualsevol sistema físic, queda ben especificat quan coneixem les seves masses, posicions i velocitats. Amb això es poden representar a l’espai de fases. A diferència d’un sistema habitual de laboratori, sempre observem l’univers des del mateix lloc, de manera que la posició dels objectes celestes estarà sempre naturalment donada per la distància radial a l’objecte i les dues coordenades angulars de la línia radial, o equivalentment, de la seva projecció sobre l’esfera celeste. De la mateixa manera, el vector velocitat tindrà un component radial, allunyant-se o aproximant-se a nosaltres, i un altre component perpendicular a la direcció radial, que determinarà el seu desplaçament sobre l’esfera celeste.

Recordem l’objectiu inicial: quan es va convertir la cosmologia, per fi, en una ciència moderna? La resposta és ara ben clara: quan hom va disposar per primer cop de les eines que van permetre als investigadors i investigadores calcular: (i) posicions i (ii) velocitats dels cossos celestes a gran escala. En aquest capítol s’explica quan i com això va passar. Va succeir l’any 1912.

El capítol 4 s’inicia considerant que la primera revolució cosmològica quedà marcada per tres fites importants:

• La primera va ser trobar que l’univers era milions de vegades més gran que la Via Làctia (Öpik, 1922, i Hubble, 1924, ja se n'adonàren que Andromeda era fora d'aquesta).
• La segona es presenta en el capítol 5: contràriament a la visió dominant dels anys vint, recolzada en rigoroses consideracions físiques i que tothom, inclòs Einstein, acceptava plenament, l’univers no era estàtic, sinó que s’estava expandint.
• La tercera, que es discuteix al capítol 6, fou adonar-se que el nostre univers no havia existit des de sempre: que va tenir un origen, fa uns catorze mil milions d’anys.

Però, a més, la revolució cosmològica va coincidir exactament amb el moment en què la cosmologia va esdevenir una ciència moderna. I l’observació dels objectes celestes, inclosa la determinació de les seves posicions i velocitats, i de la seva evolució, només corresponen a la part empírica de la definició de ciència. Tots aquests resultats s’han d’explicar sobre la base d’alguna llei fonamental, que hauria de ser predictiva i explicar com evolucionaran aquests objectes i l’univers sencer en el futur i com van evolucionar en el passat; fins i tot abans de posseir les dades astronòmiques per confirmar aquests dos aspectes.

Aquesta llei fonamental no és altra que la teoria general de la relativitat d’Albert Einstein. Tot el capítol 4 està dedicat a aquesta teoria i a les seves principals solucions. Les molt poques fòrmules que conté el llibre (que gairebé n'està lliure del tot) apareixen en aquest capítol i sempre perque són absolutament imprescindibles per a entendre els conceptes que s'hi expliquen. Com a lectures curtes complementaries, són d'allò més interessants dos articles de Weinberg i Wilczek, respectivament, a Physics Today.

El capítol 5 s'ocupa de la llei de Hubble-Lemaître i del descobriment de l’expansió de l’univers. Comença amb una descripció del període que va precedir la formulació d'aquesta llei. El 1924 Karl Lundmark, fent la hipòtesi que totes les nebuloses espirals eren d'alguna manera objectes astronòmics estàndards (com la nebulosa d'Andròmeda), aconseguí deduir la seva lluminositat intrínseca a partir de la seva massa (com ja havia fet Ernst Öpik anteriorment). Després va utilitzar un conjunt d’aquestes nebuloses per determinar, a partir de la seva brillantor, la seva distància a nosaltres. Les velocitats dels objectes les va treure de la taula de Vesto Slipher i va intentar determinar una relació entre velocitats i distàncies, concloent que no podia pas afirmar que hi fos.

Al seu torn, Carl Wirtz també va derivar una relació entre la recessió de les nebuloses espirals i les seves distàncies, assumint que totes les galàxies tenien aproximadament la mateixa mida i estimant la seva distància relativa a partir dels corresponents diàmetres aparents. Va interpretar els seus resultats com un possible augment de les velocitats radials amb la distància, però assenyalant que també eren perfectament compatibles amb l'univers de De Sitter. Cap dels dos va aconseguir, doncs, trobar una llei de proporcionalitat velocitats-distàncies.

La resta del capítol es dedica principalment a Georges Lemaître, que va ser el primer a derivar la llei de Hubble i a interpretar-la correctament, en termes d’una solució de Friedmann de la relativitat general que ell mateix havia redescobert. Així doncs, Lemaître va ser el primer a afirmar, de manera raonada, que el nostre univers s’està expandint.

El capítol 6 és crucial, el més original per les noves interpretacions que conté, i alhora el més difícil d’entendre, ja que s’hi fa ús dels principis més fonamentals de la teoria de la relativitat general. Està dedicat a la teoria del big-bang i a l’origen de l’univers. Si l’expansió de l’univers ja no és gens fàcil d’acceptar, entendre’n l’origen amb cert detall és encara més difícil. Tan sols això pot explicar l’enorme quantitat d’inexactituds que s’han escrit i s’estan encara escrivint cada dia sobre aquest tema. Moltes de les explicacions que podem trobar actualment en articles i altres mitjans s’aferren a la molt simplista que Lemaître va donar... ja fa 90 anys! Aquest capítol aprofundeix en els veritables orígens del terme “big-bang” i el seu significat precís:

• Quan va aparèixer aquesta expressió per primera vegada?
• Què digué exactament la persona que va pronunciar aquestes dues paraules per primer cop?
• Per què va utilitzar aquest terme i no un altre?
• En quin context el va utilitzar?

Havent acceptat ja que l'univers s'estava expandint, n'hi havia prou que Lemaître girés el cap i mirés enrere en el temps, vers el passat. Fou tan senzill com això: en el passat remot, tot l'univers devia haver estat necessàriament concentrat dins d'una closca de nou, molt i molt densa...

El capítol 7 s’adreça a l’instant mateix de la creació de l’univers. Dues coses romanen pendents. Una d'aquestes, ben important: aprofundir encara més en els orígens del cosmos i arribar fins al moment t = 0. L’altra, completar la discussió de tots els significats actuals del terme "big-bang", és a dir, de tots els conceptes diferents que ha adoptat aquest mateix nom.

A banda del model del big-bang, ja considerat, en els setanta anys transcorreguts des que Hoyle va pronunciar aquestes dues paraules, han estat utilitzades en situacions molt diverses:

• Dins de la física tenim la singularitat del big-bang i els models de big-bang calent, fred i càlid.
• Fora de la física, en nombrosos contextos: en novel·les, pel·lícules i en una sèrie de televisió molt popular.
• No sorprèn que aquest últim sigui ara el primer significat que apareix inevitablement en fer cerques a internet.
• Quan s'utilitza el terme “big-bang”, seria molt bo especificar a quin d'aquests conceptes s'està fent referència, però això és demanar massa.

En aquest capítol, es descriuen primer els diferents models cosmològics del big-bang, després el concepte de la singularitat del big-bang, amb els teoremes de singularitat clàssics de Penrose i Hawking (retent de passada un breu homenatge a aquest darrer), i la seva generalització sota la forma del teorema de Borde-Guth-Vilenkin. Per acabar amb una discussió sobre com es podria haver originat l’univers, sempre d’acord amb la física més avançada que coneixem actualment.

El capítol 8 està dedicat a la segona revolució cosmològica del segle XX. Amb l'ajut del Petit Príncep de Saint-Exupéry es comença per demostrar que un univers en expansió uniforme és solució de les equacions d'Einstein (n'hi ha també moltes altres d'alegories, en bé de la pedagogia de les explicacions, al llarg del llibre). Però resulta que observacions astronòmiques dutes a terme, fa poc més de vint anys, per dos equips d’una trentena de científics cadascun (Riess et al., Perlmutter et al.) indicaren que l’expansió de l’univers s’accelera. El primer a publicar resultats va ser l’equip d’investigació de Supernoves High-z, dirigit per Brian Schmidt i Adam Riess, el 1998. El Projecte de cosmologia de Supernoves Ia, amb Saul Perlmutter com a PI, ho va fer de manera independent l’any 1999.

En molts llocs s’afirma equivocadament que aquests resultats constituïren una sorpresa extraordinària. Però el fet és que, per als especialistes en la matèria, els resultats no van sorprendre en absolut, ben al contrari, car ja hi havia molts indicis de la no nul·litat de la constant cosmològica Λ que implicaven de manera directa que l’expansió de l’univers s’accelerava. En el meu propi grup, amb Enrique Gaztañaga i Pablo Fosalba, vam participar activament en aquesta recerca, amb diversos articles publicats que es detallen en el llibre: els models amb Λ no nula ajustaven molt millor els resultats astronòmics. Observacions en favor de l'acceleració es van anar acumulant després, provinents de moltes i variades anàlisis de dades en diferents direccions, incloent-hi: el CMB, la formació primerenca de galàxies, les supernoves SNIa, ja esmentades, les distribucions de galàxies properes, les oscil·lacions acústiques dels barions (BAO) i algunes altres.

De tota manera, roman encara oberta la gran pregunta: quin és el motiu físic d’aquesta acceleració universal?

S'han proposat diversos models i experiments per respondre aquesta qüestió, el més senzill dels quals respecta plenament la validesa de la relativitat general d'Einstein, amb l'única addició del seu famós terme Λ. Si es demostra, però, que aquest camí no té sortida, encara ens queda una altra possibilitat, que és modificar una mica la RG. Quina és, però, la manera correcta de fer-ho? Això s’analitza en aquest capítol 8 del llibre.

El darrer capítol és el 9 i conté les conclusions. El segueix una bibliografia, amb unes 250 referències i un índex final que conté les entrades a uns 600 termes que apareixen en el llibre.

Les conclusions comencen amb un breu resum on s’explica de què tracta la llei d’eponímia de Stigler  —que afirma que cap descobriment és conegut amb el nom de qui el va realitzar— i se’n consideren diversos exemples, alguns dels quals han aparegut en el text. A continuació, es destaca especialment la conclusió final a la qual he arribat després de l’apassionant viatge a través dels desenvolupaments cosmològics del segle XX que s’han discutit al llarg del llibre. I és que el coneixement adquirit el darrer segle va donar lloc a dues revolucions cosmològiques d'excepcional importància.

Això pot semblar exagerat, atès que, per molt que cerquem a la literatura, no hi trobarem (que jo sàpiga) referència explícita a aquestes revolucions. Tanmateix, és del tot cert que les observacions astronòmiques que van anar tenint lloc al llarg del segle passat van canviar completament la nostra visió de l’univers:

• De ser petit, estàtic, immutable i etern va passar a ser enorme, en expansió i amb un origen des del “no-res” (1a revolució).
• Després, també vàrem aprendre que la seva expansió s’accelera sense aturar-se, creant així un misteri absolut on abans havia regnat la certesa gairebé completa, almenys durant un temps (2a revolució).

La primera revolució es pot emmarcar en el període 1912-1932: des dels descobriments de Leavitt i Slipher fins als de Hubble, i inclou els avenços teòrics fets per Einstein, Friedmann, De Sitter i Lemaître. Va arribar al seu apogeu el 1929, amb la publicació dels resultats de Hubble, confirmats el 1931. Finalment, la teoria científica de l'expansió de l'univers amb origen va ser adoptada pels especialistes i formulada en el famós model d'Einstein i De Sitter de 1932.

De totes maneres, el seu arrodoniment total encara va haver d’esperar que es produïssin:

• Una elaborada formulació del model del big-bang.
• La seva comprovació definitiva, mitjançant la detecció de la radiació còsmica de fons (CMB).
• I una important remodelació (la inflació), que només arribaria cinquanta anys després i que fou de fet el preludi de la segona revolució cosmològica.

La segona revolució es va produir en el període 1985-2005. Atès que podem afirmar que va començar a mitjans dels vuitanta, amb les primeres discussions sobre models de matèria fosca freda dotats d’un terme Λ possiblement no nul. Va arribar al seu punt àlgid el 1998-99, quan varen aparèixer els resultats de les supernoves. Però no es va confirmar del tot fins uns sis anys més tard, mitjançant els resultats provinents d’altres observacions de gran importància, que s’han explicitat abans.

És cert que la teoria ΛCDM, que ja s’estava construint al voltant dels diversos resultats cosmològics, va rebre la seva confirmació més impactant a través del descobriment astronòmic de la velocitat d’expansió accelerada utilitzant supernoves de tipus Ia com a candeles estàndard. Però aquests resultats l’únic que van fer és confirmar el que altres observacions astronòmiques i els ajusts teòrics havien ja estat tossudament indicats des de feia temps: que l'expansió còsmica s'estava accelerant.

Tant els models de gravetat modificada com l’ús de Λ ja esmentat proporcionen marcs teòrics sòlids, basats en les lleis fonamentals de la física, per intentar comprendre aquest fet tan sorprenent i extraordinari. Però fins ara ningú no ho ha pogut aconseguir de manera convincent.

Les similituds entre les dues revolucions són molt notables:

• El seu període de gestació va ser exactament el mateix: vint anys en ambdós casos.
• A més, sempre hi va haver alguns líders destacats que van pretendre ser els únics descobridors i que van intentar reclamar tot el mèrit dels avenços exclusivament per a ells.
  
  • Hubble i el seu observatori Mount Wilson, en el primer cas.
  • Riess, Schmidt, Perlmutter et al. i les seves observacions SNIa, en el segon.
• El que es conclou en el llibre és que aquestes afirmacions no són sostenibles, que no s’ajusten a la realitat dels fets.

La història va ser molt més rica i complexa (Peebles) i va involucrar moltes altres contribucions cabdals al llarg del camí que conduí a les troballes i a la confirmació final dels descobriments, en ambdós casos.

A més, és cert també que aquestes dues revolucions cosmològiques no es poden identificar mirant tan sols el que va succeir durant aquests intervals de temps de vint anys, en cada cas. He d’admetre que aquest pot ser un enfocament incomplet, una simplificació una mica crua. Però això és ben comprensible, sempre és així en totes les revolucions. Si prenem com a exemple la Revolució Francesa, aquesta no es pot pas reduir als esdeveniments del 14 de juliol de 1789. Les revolucions són sempre llargues i extenses en el temps i poques vegades es produeixen de manera lineal o coherent; però no obstant, produeixen al final grans transformacions en el pensament, en el comportament i en l’organització de les persones i de les societats. I pel que fa a la famosa Revolució Científica, com a segon exemple, aquesta va tenir lloc durant el que els historiadors anomenen a vegades el “llarg segle XVII”, que molts consideren que s’estén de fet des del segle XVI, quan es començà a investigar l'anatomia i l'astronomia mitjançant tècniques modernes, fins a arribar al mateix Darwin, ja ben avançat el s. XIX (encara que alguns tallen abans). Aquell va ser també un període molt extens, en què gran part del que ara reconeixem com a Ciència es va anar condensant lentament i en què per primera vegada hom va anar buscant explicacions materialistes en totes les àrees de la recerca.

Conclusió final del llibre

Els models cosmològics estan sent reformulats contínuament, a la vegada que s’acumulen més i millors dades astronòmiques. Però una cosa ha quedat clara: quan mirem ara en perspectiva tot el segle passat i l’observem amb aquesta perspectiva des del final fins al principi, comparant estrictament la visió del nostre univers de finals del segle XX amb la del seu inici, és llavors i només llavors quan aquesta visió, des de l'exterior i d’ampli abast, ens obre de cop els ulls a una realitat incontestable:

• Les observacions astronòmiques al llarg del segle XX van tenir implicacions extraordinàries, gairebé increïbles, que van canviar completament la nostra visió del cosmos.
• De ser petit, estàtic, immutable i etern va passar a ser enorme, a expansionar-se i hom descobrí que havia tingut un origen des del “no-res”, o gairebé res (1a revolució).
• Llavors, es va descobrí a més que la seva expansió s’està accelerant sense aturar-se, creant així un misteri absolut on abans havia regnat la certesa quasi completa (2a revolució).

Mirant-ho amb perspectiva, es tracta indubtablement de dues revolucions impressionants sobre el coneixement del cosmos. Dos dels descobriments més extraordinaris que s'han fet mai en tota la Història de la Humanitat.