La ciencia dice que el universo es... ¿Plano?

Hasta ahora la teoría predominante es que vivimos en un universo plano... mientras ningún nuevo dato demuestre lo contrario.
Los científicos limitan las opciones a tres: que el universo sea curvo como una esfera, que sea curvo como una silla de montar o que sea plano (la alternativa que hasta el momento, resulta ser la más aceptada).

Lo complejo del asunto del universo plano es que no se trata de un folio colocado sobre una mesa, del que podríamos ver todos sus bordes y esquinas y comprobar a simple vista que, efectivamente, es llano.
Lo primero que hay que tener en cuenta es que el concepto plano, no tiene el mismo significado en ciencia que en nuestra vida cotidiana.
El término "plano", que es el que han utilizado los científicos, no quiere decir, en su contexto, exactamente lo mismo que en el lenguaje ordinario.

Un experimento hipotético para comprobar que el universo es plano, sería lanzar dos rayos de luz paralelos que se mueven como "rectas" en el espacio, y comprobar si se encuentran alguna vez o permanecen paralelos indefinidamente.
Sabemos que los rayos de luz se curvan en las cercanías de una masa, por ejemplo, cuando pasan cerca de una estrella, así que para determinar la geometría global del espacio, tendríamos que descontar esas desviaciones locales. Si los rayos de luz siguen indefinidamente paralelos, la geometría del Universo es plana.
En este contexto, el término "plano" no se refiere a las características de una superficie, como ocurre en el lenguaje coloquial, sino a las propiedades geométricas de un espacio en tres dimensiones.

 

Vamos a expresarlo de otro modo:
Imaginad una hoja de papel en la que dibujamos 2 líneas perfectamente paralelas.
Si coges la hoja y la enrollas para que un extremo toque al otro, tendrás un cilindro. Si te fijas en las líneas que habías dibujado, verás que siguen siendo perfectamente paralelas, porque un cilindro es plano… por extraño que pueda sonar.
Es una distinción importante. Una cosa es la geometría (el comportamiento de esas líneas paralelas), y otra cosa es la topología, la forma en la que podemos torcer y manipular un espacio (como hemos hecho con nuestra hoja de papel, en este ejemplo).
Pues bien: Hemos medido con mucha precisión la geometría del universo (por eso sabemos que es plano), pero no hemos medido su topología.
Es decir, a pesar de que parece que el universo se comporta geométricamente como un plano, esto no quiere decir que su forma topográfica pueda ser muy enrevesada.
Esto explica por qué no hay que tomarse de forma literal, lo de que le universo es plano.

Bien, hay que tener en cuenta que sólo podemos medir la curvatura del universo observable (el espacio de 46.000 millones de años luz de radio que nos rodea). Y he aquí el dilema: si el universo observable es más pequeño que el universo entero, entonces, nuestras mediciones sólo nos revelarían la geometría del espacio-tiempo local (a una escala enorme, por supuesto, pero seguiríamos sin conocer la curvatura del universo completo).

Algunas personas plantean por qué no todos los objetos se están expandiendo: por ejemplo, ¿por qué no aumenta la distancia entre el Sol y la Tierra?. La respuesta es que los sistemas unidos bajo la fuerza gravitatoria, no están en expansión debido a que el efecto gravitatorio local domina sobre la tendencia a la expansión.
Por ejemplo, la galaxia Andrómeda (que se encuentra a unos dos millones de años luz de distancia), está unida gravitacionalmente al Grupo Local de galaxias, del que nuestra Vía Láctea forma parte. Andrómeda no se está alejando de nosotros, sino que de hecho se acerca a una velocidad de unos 100 km/s (con posibilidad de colisión dentro de unos 3 mil millones de años).

Pero todo esto no resuelve el enigma de cómo puede el universo expandirse en todas direcciones (como dicen), y al mismo tiempo ser plano. Para explicarlo, vamos a usar la siguiente analogía:
Para una hormiga qque se encuentere en la superficie de un balón, el balón parece ser un plano que admite infinitos caminos en todas direcciones en todo momento. Hay alguna posibilidad de confusión en esta analogía, ya que el balón puede ser visto por un observador externo que vería la tercera dimensión de expansión (en la dirección radial). Esta tercera dimensión, no es donde estamos (no tenemos una visión externa completa del universo), sino que más bien, nuestra posición es la de esa hormiga; una hormiga que está confinada en la superficie del balón, y que no tiene forma de determinar si una tercera dimensión existe o no.
El modelo de las hormigas en un balón es una analogía bidimensional, para la métrica de expansión tridimensional (y esto, obviamente lleva a cierto desconcierto).

Desde nuestra perspectiva, parece que estamos en el centro de todo, y que cada galaxia se está alejando de nosotros.
Pero supongamos que nos trasladamos a Andrómeda (nuestro vecino galáctico más cercano). Desde ese nuevo punto de vista, todavía se ve como si estuviéramos en el centro del universo y todo está volando lejos de nosotros.
Ahora vamos a imaginarnos que nos teletransportamos a la galaxia más distante observable...
Desde esa nueva posición, se vería también como si estuviéramos en el centro del universo, y cada galaxia - incluyendo la lejana Vía Láctea - estría corriendo lejos de nosotros.
Esto es lo que se quiere expresar cuando se dice que "El universo se está expandiendo". Desde la Vía Láctea, el universo se ve como una enorme burbuja de jabón que crece en tamaño, con nosotros en el centro. Pero desde otra galaxia, esta burbuja universal, se ve diferente, porque hay una galaxia diferente en el "centro" de la burbuja... Esto quiere decir, que podemos tener un universo en expansión, sin necesidad de un borde o una cosa hacia la cual se expanda. ¡Se expande en todas partes!
En resumen, el universo no tiene centro, y el Big Bang no ocurrió en ningún lugar en particular: ocurrió en todas partes.
Por tanto, no hay un único punto del que se aleja todo lo demás, sino que en cada punto del universo, se aleja todo lo demás. Así, es  la métrica que contiene los objetos, la que se está expandiendo.

La interpretación demasiado literal de la analogía de las hormigas tiene sus defectos, y puede indicarnos que sí hay un centro (el centro  del balón). Olvidemos este lioso detalle, y situémonos en la superficie del balón... Cuando el balón se infla, todas las hormigas se alejan más y más unas de otras, pero al no tener punto de referencia, cualquier hormiga puede estar en el centro. Todas las hormigas parecen estar en el centro de esa superficie bidimensional, según lo ven desde su propia perspectiva. Trasladando este hecho de la expansión de su universo 2D, los puntos de la superficie del balón se van expandiendo en todas direcciones (bien, en este caso de forma bidimensional). Pero el universo, como decía, es tridimensional. Hay que hacer un ejercicio mental importante, para trasladar esta idea bidimensional en nuestro universo 3D. A mi esta analogía no acaba de gustarme, y quizá arroja más preguntas que respuestas, pero bueno...

Sea como sea, recalco una vez más que nosotros tenemos una concepción de lo que es plano muy de andar por casa, y a veces nos engaña. El Universo se dice que es plano, en sentido matemático. Resulta que desde el punto de vista de la física, un Universo plano es simplemente aquel en el que las fuerzas expansivas y las fuerzas atractivas, son iguales.

La forma del universo deriva en distintos destinos y posibilidades para el mismo:
Puede ocurrir que el universo contenga masa de sobra para frenar la aceleración; lo que, además, terminaría también por revertir la expansión. Esto significa que en un futuro lejano, toda la materia del universo empezaría a acercarse de nuevo y terminaría por volver a concentrarse en una singularidad como la que dio lugar al Big Bang. En este caso se habla de un universo cerrado, en el sentido de que termina igual que como había empezado.  La teoría de la Gran Implosión o Big Crunch, propone este universo cerrado.
Puede suceder que el universo no tenga suficiente masa como para frenar su expansión. En este caso, el universo seguiría expandiéndose para siempre y las galaxias se irían alejando entre sí a velocidades cada vez mayores hasta que ni siquiera la luz pasara de una a otra. En esta situación, hablaríamos de un universo abierto. 
La expansión no solo continuaría sino que se aceleraría. El destino final de un universo abierto es un gran desgarramiento o Big Rip.
Por último, el destino de un universo plano es el caso en que la expansión del Universo irá tendiendo a cero, aunque continuará creciendo para siempre. En este caso, la expansión del universo irá reduciendo su ritmo hasta que dentro de decenas de miles de millones de años, habrá una vida muy triste, oscura y fría, con temperaturas cada vez más próximas al cero absoluto. Sólo las estrellas conservarán algo de calor hasta que agoten su combustible, se enfríen y mueran... Es una perspectiva futura llamada Big Freeze (la muerte térmica del universo).

Con los datos actuales que se tienen gracias a la radiación de fondo de microondas, se maneja que la densidad del universo es cercanamente igual a la densidad crítica (por lo que el universo es casi perfectamente plano y por lo tanto, de geometría euclídea).
La densidad crítica es la densidad de la materia en el universo necesaria para detener la expansión del mismo en un tiempo infinito. En el caso del universo plano, la expansión cesaría después de un tiempo infinito (esto es muy difícil de imaginar, pero bueno).
¿Y cuál es la densidad crítica del universo? La respuesta es: 5 átomos por metro cubico. Si introducimos más de 5 átomos por metro cubico, el universo se colapsará. Con menos de 5, continuaría expandiéndose.
Ahora bien: La expansión se está acelerando (o esa es la idea más extendida). La materia oscura gana la partida a la gravedad...  Pero... ¿Esto no nos lleva a una final tipo universo abierto (una expansión para siempre)? (Y no plano: equilibrio en la densidad crítica?)
Sea como sea, nuevas mediciones indican que la idea de la aceleración del universo propuesta en los años noventas es errónea, y que  la expansión no es acelerada, sino  constante.
No sé, todo esto es muy complicado... Ya lo veis.

Bien, ¿y qué es eso de la geometría euclídea que decía?
A partir de observaciones del Fondo Cósmico de Microondas, han determinado, con un margen de error del 0,5%, que el universo es plano (como ya he dicho).
Si dibujas un triángulo enorme en la superficie de la Tierra, la suma de los ángulos será mayor a 180 grados, porque es curva. La misión espacial WMAP ha hecho el mismo razonamiento en tres dimensiones, sobre un triángulo tridimensional que se extiende sobre vastas regiones del espacio. Y ha mostrado que la naturaleza del espacio es euclídea, es decir, que su curvatura es cero.
No puede ser, por ejemplo, una esfera, a menos que sea muy grande y lo que observemos sea tan pequeño que parezca plano (por la misma razón por la que una pequeña porción de la Tierra parece plana).