Unidad 4 – Página 123
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Teoría del Big Bang: la explosión cósmica que originó el universo
Resumen de la teoría del Big Bang
La teoría o hipótesis del Big Bang (Gran Explosión) para explicar el origen del universo, es la más aceptada por la sociedad científica en la actualidad.
Según este paradigma el universo comenzó hace unos 14.000 millones de años con una gran explosión .
Inmediatamente después de que ocurriera este fenómeno se crearon el espacio, el tiempo, la energía y la materia. Todo lo que nos rodea, la ropa, el agua, los árboles, nuestros coches y casas, absolutamente todo esto está constituido por la materia formada por el Big Bang. El hidrógeno que tiene el agua, se formó inmediatamente después de ocurrir el Bing Bang.
Pero como consecuencia de la fuerza de la gravedad o gravitatoria que atrae a los planetas entre si, el movimiento expansivo se desacelerará hasta anularse. A partir de este momento se producirá una contracción del Universo hasta su colapso gravitatorio ; Big Crunch (Gran Implosión), desapareciendo entonces en la nada.
La teoría continúa asegurando que después del colapso total, seguirá una nueva expansión, otro Big Bang , y así indefinidamente en una infinita serie de Big Bang y Big Crunch que con justificarían también un número infinito de universos. La teoría no entra a explicar las causas del Big Bang
La prueba de esta teoría se debe al astrónomo Edwin Hubble, que en 1929 observó que el universo está expandiéndose continuamente y que por tanto, todas las galaxias se alejan entre si.
Pero el origen del Big Bang, es el mayor misterio de todos los tiempos. A pesar de que la llamaos teoría del Big Bang; lo paradógico es que no nos dice nada del Big Bang
Preguntas:
¿Tuvo el universo un inicio?. ¿ De dónde viene el universo?. ¿Cómo y por qué empezó?. ¿Tendrá final?. ¿Cómo será ese final?. ¿Qué estalló en el Big Bang?. ¿Por qué estalló?. ¿Qué habían antes del gran estallido?
Si conociéramos estas respuestas sería el triunfo definitivo de la razón humana, conoceríamos la mente del creado”. Profesor Stephen Hawking; físico teórico.
Antes del siglo XX nadie había sugerido que el universo se estuviera expandiendo o contrayendo. Entonces se aceptaba que el universo, había sido creado más o menos como lo vemos hoy. La comunidad científica coincidía al pensar que el universo era algo estático y eterno. Los humanos nos sentimos a gusto creyendo verdades eternas. Nosotros envejecemos y morimos pero el universo es eterno e inmóvil.
Cuando las personas creían que el universo es algo estático, la pregunta teológica o metafísica era entonces si éste tenía o no un principio. Bajo esta teoría de un universo inmóvil, el origen del tiempo habría sido puesto por el creador, un ser externo al universo; pero realmente no existe la necesidad física de un principio del tiempo. Dios pudo crear el universo, en cualquier instante del tiempo. Pero si el universo se estuviera expandiendo, habría razones para pensar que hubo un principio.
Pero de repente todo cambió. En 1929, Edwin Hubble desde el observatorio del monte Wilson, en Los Ángeles, hizo un descubrimiento crucial. Observó que las galaxias no eran estáticas, se movían y además se alejaban de la tierra a una velocidad increíble. Fue la primera prueba del Big Bang.
Donde quieras que uno mire, las galaxias distantes se están alejando de nosotros; es decir, el universo se está expandiendo. Además, la velocidad a la que se alejan los planetas de la tierra es proporcional a la distancia del planeta a la tierra. Las galaxias que están al doble de distancia se mueven al doble de velocidad; las que están al triple, se mueven tres veces más rápido. Todo se está alejando de nosotros. Esta teoría se denomina Ley de Hubble
Según esta apreciación, en tiempos pasados los planetas y galaxias debieron estar más cerca , más juntos unos de otros. El movimiento debió de partir de un punto central. Midendo la velocidad de expansión, los cosmólogos han estimado la fecha de nacimiento de nuestro universo. Parece ser, que hace unos 13.700.000.000 años todos los objetos del universo estaban en el mismo lugar exactamente; siendo entonces infinita la densidad del universo.
La observación de Hubble sugirió , que hubo un fenómeno, llamado big bang ( la gran explosión), en que el universo era infinitesimamente pequeño y su densidad infinita. Bajo estas condiciones no es posible aplicar nuestras teorías y predicciones. Podemos considerar que el origen del tiempo es el big bang, ya que con anterioridad a éste, los tiempos previos no estarían definidos.
Podemos llegar a imaginarnos que Dios creó el universo en el instante del big bang, pero no antes. Antes no existía nada. Un universo en expansión no excluye la existencia de un creador, pero sí limita cuando pudo haber creado el universo.
La Historia del Universo: Teoría del Big Bang
En el principio de los tiempos el universo surgió de una explosión, pasando de la nada más absoluta al todo. Este “todo” es tan sólo un punto infinitamente pequeño, increíblemente caliente y de densidad inimaginable; un punto de energía pura. El Bing Bang fue inmenso, creó toda la masa de las 400.000 millones de galaxias que hoy conocemos a partir de la nada. Todo el universo ocupaba entonces la trillonésima parte de un centímetro.
La primera fuerza en aparecer fue la gravedad. En este momento ya quedó definida la forma y contenido del universo. La gravedad define la viabilidad de nuestro universo. Si hubiera sido un poco más débil, la materia se disgregaría rápidamente y no se hubieran formado las galaxias. Con gravedad excesiva, no se hubiera formado el universo, los agujeros negros hubieran engullido toda la materia. Es un equilibrio delicado. ¡Afortunadamente tenemos la gravedad óptima! Por suerte el Big Bang aportó la cantidad adecuada de gravedad.
Pasada una fracción de segundo después de que apareció la fuerza de la gravedad, se desprendió una onda inmensa de energía y comenzó la expansión del universo en todas las direcciones a una velocidad inimaginable. Todo esto a una velocidad superior a la de la luz, porque la nada puede ir más rápido que la luz, si la entendemos la nada como espacio vacío. Esto último supuso un problema para las mentes privilegiadas de los científicos más brillantes.
Para describir estos fenómenos tan rápidos, hubo que definir una nueva unidad de tiempo, se llamó tiempo de Planck. Hay más unidades de tiempo de Planck en un segundo que todos los segundo transcurridos desde el Big Bang. Es decir una unidad de tiempo de Plank es igual a 1/10 43 segundos. Es una escala temporal tan diminuta que escapa al sentido común.
Unas cuantas unidades de tiempo de Planck, después del big bang, el universo era tan pequeño que cabía en la palma de la mano y en una fracción de segundo después se expandió hasta el tamaño de la Tierra y después a la velocidad de la luz, alcanzó el tamaño de nuestro sistema solar. Todavía era una tempestad de energía radiante. La temperatura era de billones de grados; el seno de una estrella como el Sol sería un plácido remanso de paz si lo comparamos con el universo una fracción de segundo después del big bang.
Al expandirse el universo empieza a enfriarse y empieza una nueva fase en la evolución del universo. La energía pura de la explosión se transforma en materia y aparecen las primeras partículas subatómicas. Entonces aparece la primera materia del universo. La energía se transformó en materia; al revés de como ocurre en las reacciones nucleres.
La transformación de energía en materia fue anticipada por Albert Einstein años antes del enunciado de la teoría del Big Bang. La ecuación E = mc2 es la ecuación más popular y explica precisamente la equivalencia entre la energía y la materia . La energía puede transformarse en energía y la energía en materia. Esta ecuación explica la bomba atómica. En una explosión nuclear, una pequeña cantidad de materia se transforma en energía . Durante la formación del universo se dio el proceso inverso, la energía de transformó en partículas de materia. No se necesitaba materia para empezar con energía era suficiente. Al inicio había energía suficiente como para generar toda la materia del universo.
Las condiciones eran tan extremas que la materia que se formó, nada tenía que ver con la materia que vemos en la actualidad en el universo. Todavía no había átomos sino partículas subatómicas. Se transformó materia y energía simultáneamente. Aparecía y desaparecía materia. Pero poco a poco y como consecuencia del enfriamiento, debido a la expansión del universo, las partículas se hicieron más estables y dejaron de transformarse en energía. Las partículas primitivas al disminuir su temperatura disminuyó también su velocidad y se dieron las condiciones para la formación de los átomos del primer elemento, el hidrógeno. Un segundo más tarde aparecieron el helio y el litio.
Después de transcurridos tres minutos desde el big bang , ya ha habían pasado las cosas más importantes en el proceso de formación del universo.
Unos 380.000 años después del bing bang el universo comenzó a ser transparente. Las partículas iniciales dieron un aspecto al universo de nube lechosa y poco a poco a medida que fue avanzado el proceso de condensación de la materia de partículas subatómicas en átomos de hidrógeno, helio y litio, el universo perdió su aspecto de nube blanca y se fue haciendo más transparente. El universo, al ser más transparente permitió las primeras emisiones de luz al exterior. En 1964, 14.000 millones de años después del big bang, dos jóvenes investigadores de Nueva Jersey descubrieron por accidente esta radiación.
Arno Allan Penzias y Robert Woodrow Wilson cuando estaban trabajando cartografiando las señales de radio de nuestra galaxia, donde quieran que buscaban, siempre detectaban una extraña señal de ruido de fondo. Al principio pensaron que era un error debido a un fallo del equipo de medida. Pero en realidad lo que habían descubierto era la prueba de la creación del universo. Esta radiación representaba el momento en que los átomos recibieron sus electrones. En ese instante desapareció la nube de electrones.
La nave Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) llamada así en honor a David Wilkinson, fue lanzada el 30 de junio de 2001 desde Cabo Cañaveral, USA. Su misión es estudiar el universo y medir las diferencias de temperatura que se observan en la radiación de fondo de microondas, un remanente del Big Bang.Enlace a la noticia
El 21 de marzo de 2013, el telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea elaboró el mapa más detallado hasta la fecha del fondo cósmico de microondas, la radiación fosilizada del Big Bang. Las áreas rojas y amarillas son las más calientes.El azul y el verde son regiones más frías. Enlace a la noticia
La imagen del telescopio Planck, refleja la distribución de la materia del universo cuando tenía 380.000 años de antigüedad. Las diferencias de temperatura reflejan diferencias en la densidad original del universo , unas zonas tiene más materia que otras. En el universo flotan nubes de hidrógeno y de helio. Las regiones azules, sin materia, serían las zonas vacías del universo. Las áreas rojas y amarillas, más densas, darán lugar a galaxias, estrellas y planetas.
200 millones de años más tarde, las nubes de gas de hidrógeno y helio darían lugar a las primeras estrellas. Entonces el universo inició una etapa de luz y esplendor. El universo empezó a iluminarse en todas las direcciones hasta formar el impresionante espectáculo que vemos hoy cuando miramos el cielo nocturno. 1.000 millones de años después del Big Bang se formaron las primeras galaxias. Durante los 8.000 millones de años siguientes, continuó el proceso de formación de nuevas galaxias.
Hace unos 5.000 millones de años ( 9.000 años desde el Big Bang) se formó nuestro Sol y el planeta Tierra. Todo lo que contiene la Tierra se debe al Big Bang. El Bing Bang creo todo lo que nos rodea, los elementos que constituyen el universo e incluso las leyes de la física en un fugaz momento de creación.
El Final del Universo según la Teoría del Big Bang
Hay dos posibilidades y los científicos no se ponen de acuerdo. Los científicos no tienen una respuesta a la pregunta de si el universo tendrá o no un final o si es o no infinito.
Muerte Caliente
En la actualidad continua la expansión del universo, pero según la teoría del Big Bang, no lo hará eternamente. El universo tuvo un principio y también tendrá un final. En la actualidad el espacio tiene 150.000 millones de años luz de un extremo a otro del universo.
Como consecuencia de la fuerza de la gravedad o gravitatoria que atrae a los planetas entre si, el movimiento expansivo se desacelerará hasta anularse. A partir de este momento se producirá una contracción del Universo hasta su colapso gravitatorio ; Big Crunch (Gran Implosión), desapareciendo entonces en la nada.
Si el universo se colapsa podría generarse otro Big Bang. Tal vez ya haya ocurrido antes y seamos un generación más de un largo linaje de universos
Muerte Fria
Pero hay otras teorías que establecen que el universo podría ser infinito y puede expandirse hasta la eternidad. No sabemos si el Big Bang generó un universo eterno, pero lo que si es cierto que la energía liberada mantiene en la actualidad el universo en un proceso de expansión. El Big Bang todavía sigue.
Resultados de últimas investigaciones indican que el universo no está reduciendo su velocidad, como creíamos, sino que continua acelerando su velocidad de expansión. Lo explican argumentando que la energía oscura está repeliendo las galaxias y acabando con el universo. Esta fuerza destructiva es en la actualidad imposible de detectar y no sabemos por qué existe y cuál es su origen. Si la energía negra continua separando el universo , en 100.000 millones de años la Vía Láctea sería una galaxia solitaria. El universo comenzó en un instante pero tendría un largo y difícil final frío
El proceso del Big Bang en cifras.
Según esta teoría, después del Big Bang, se creó el espacio , el tiempo, la energía y la materia, según este proceso:
. 10-43 segundos o Tiempo de Planck toda la masa y energía del Universo se hallaba comprimida en una masa a temperatura y densidad inimaginable.
. La masa ocupaba un espacio 10-20veces menor que un núcleo atómico y las fuerzas de la gravitación, electromagnetismo y fuerzas nucleares fuerte y débil, se hallaban unificadas.
. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. A los 10-35segundos comenzó la Expansión y comenzó bruscamente la reducción de la temperatura, bajó a 1028 K. El Universo se expandió hasta alcanzar al 10 50 veces sus dimensión original.
. Era Leptónica : En la primera millonésima de segundo se crean las primeras partículas constitutivas de la materia. la materia surgió de un estallido a la temperatura de1027 K, y descendió a los 1014 K.. Surgen las partículas elementales: los quarks, leptones (electrones, neutrinos…), mesones (constituidos por pares de quarks) y los hadrones (protones y neutrones, constituidos por tríos de quarks). El hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang
Era de la Radiación : durante los 10.000 primeros años. Se caracterizada por la emisión de rayos gamma producidos durante la descomposición del deuterio o hidrógeno pesado.
Era del Desacoplamiento: después de 300.000 años. Se desacopla la materia y la radiación. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y condensaron, comenzaba entonces la formación de las galaxias . El hidrógeno forma las tres cuartas partes de la masa del universo, y el resto en su mayor parte es helio.
. Según se iba expandiendo el universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-70°C). Esta radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1964, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang
Big Bang: Preguntas Pendientes
1) ¿Por qué estaba el universo primitivo tan caliente?
2) Por qué se produjo la explosión?
3) Por qué es el universo tan uniforme a gran escala?. ¿ Por qué la temperatrura de la radiación de fondo de microondas es tan parecida independientemente de hacia dónde miremos?
4) ¿Por qué comenzó el universo con una velocidad de expansión próxima a la velocidad crítica? La velocidad crítica es la velocidad a la que el universo se expandiría hasta el infinito. Si la velocidad hubiera sido algo menor ( 1/ 1012 veces menor que la crítica) el universo se habría colapsado antes de llegar a su actual tamaño.
5) A pesar de que el universo están homogéneo a gran escala, contiene singularidades como las estrellas y galaxias. ¿ Cuál es el origen de la diferencias de densidades que dieron lugar a estas singularidades
Evidencias Experimentales del Big Bang
El hecho de que las estrellas se estén alejando de nosotros a velocidades gigantescas ha sido verificado repetidamente. Es lo que los expertos denominan efecto Doppler y o corrimiento del espectro de luz que recibimos del universo hacia el rojo. Estro significa un universo en expansión y no en contracción. Atendiendo al corrimiento hacia el rojo , la antigüedad del Universo está cifrada en unos 13,7 mil millones de años, según las estimaciones más recientes.
En 1949, Gamow apuntó que, si el big bang había tenido lugar, la radiación que la acompañaría habría perdido energía a medida que el Universo se expansionaba, y debería existir en nuestro tiempo bajo al forma de una emisión de radioondas procedente de todas las partes del firmamento. Es decir, dicha radiación de fondo debería ser homogénea e independientemente de la orientación . Sería en mayo de 1964, cuando el físico germano-norteamericano Arno Allan Penzias y el radioastrónomo norteamericano Robert Woodrow Wilson consiguieron detectar la radiación de fondo de microondas que impregna todo el universo conocido.
Puntos Más Debiles de la teoría del Big Bang
El Big Bang es uno de los conceptos más abstractos y difíciles de entender. ¿qué había antes de la explosión cósmica? . Los filósofos de la antigüedad, creían que nada podría surgir de la nada. Pero según las leyes y ecuaciones de la física, se puede crear materia de la nada. Todo nuestro universo, todo lo que vemos y tocamos pudo formarse a partir de la nada: La nada lo originó todo. La verdad esto no hay quién lo entienda. De la nada pasamos a un estado de densidad casi infinita y temperatura infinita. Parece que es imposible explicar con palabras lo que ocurrió inmediatamente antes y después del Big Bang.
Cómo explicar que de la nada surgió algo; este es el Santo Grial del Universo, el gran misterio.
Uno de los grandes problemas científicos sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado; es decir, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer según predice la teoría del Big Bang. Friedman estableció un valor crítico de densidad, por debajo del cual, la gravitación es inferior al impulso expansivo y el universo se expandirá sin límites; y por encima del cual, la gravitación acabará frenando a la expansión y contrayéndolo, hasta colapsar sobre sí mismo.
La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una valor de densidad mucho mayor que el valor crítico, lo que parece indicaría que el Universo está cerrado. Es decir que al final de los tiempo colapsará y vuelta a empezar. Es decir que habría un número infinitos de Big Bang que darían lugar a un infinito números de universos.
El problema es que no aparece la materia , esta materia del universo es invisible, es la llamada materia oscura que hay dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias es visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la materia oculta, este método de determinar el destino del Universo es poco convincente.
La mayoría de los cosmólogos están dedicados a localizar la materia oscura. Hannes Alfvén, premio Nobel de Física, mantienen la idea de que no sólo la gravedad sino también los fenómenos del plasma, tienen la clave para comprender la estructura y la evolución del Universo.
Teorías Modernas relacionadas con el Big Bang
En 1948, los astrónomos austriacos, Hermann Bond y Thomas Gold, formularon una teoría alternativa a la del Big Bang. Aceptaban un universo en expansión, pero negaban que hubiese tenido lugar en una primera y gran explosión.
Afirmaban que a medida que las galaxias se separaban , nuevas galaxias se formaban con una materia que se creaba de la nada . El resultado es que el Universo seguía siendo el mismo esencialmente a través de toda la eternidad, sin principio ni fin. Esta teoría hacía mención a una creación continuada y a la idea de un Universo en Estado Estacionario, como se vino a denominar.
Teoría del Big Bang: la explosión cósmica que originó el universo. (s. f.). elorigendelhombre.com. Recuperado de https://goo.gl/0GziKI