El Big Bang, literalmente gran estallido, constituye el momento en que de la "nada" emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo. La materia, hasta ese momento, es un punto de densidad infinita, que en un momento dado "explota" generando la expansión de la materia en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo.
Inmediatamente después del momento de la "explosión", cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, de la misma manera que al inflar un globo éste va ocupando más espacio expandiendo su superficie. Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial está constituida exclusivamente por partículas elementales: Electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones y un largo etcétera hasta más de 89 partículas conocidas hoy en día.
En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos.
Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo, la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble.
Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang.
Uno de los problemas sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).
Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado.
La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.
Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar al Big Bang. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinidad de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario.
Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que una minoría, encabezada por el sueco 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.
Sí, sí, pero... ¿Que hubo antes del BigBang?
Un grupo de científicos aplicó un nuevo modelo matemático, basado en la combinación de la Teoría General de la Relatividad y la mecánica cuántica, que permite obtener detalles del universo antes del Big Bang: antes de la gran explosión existía un universo en contracción que "rebotó" en un Big Bounce o Gran Rebote para dar origen a nuestro universo actual.
La idea de que el universo comenzó con un Big Bang ha sido una gran barrera en los intentos científicos de entender el origen de nuestro universo en expansión.
Esto es así porque la física imperante en el inicio no nos es accesible, aunque sí lo es, aquello que ocurrió algunos segundos después de ese momento.
Como se describe en la Teoría General de la Relatividad de Einstein, el origen del Big Bang es un estado matemático -una singularidad de cero volumen que sin embargo contiene infinita densidad y energía.
A pesar de esto, Martin Bojowald profesor asistente de física en la Universidad Penn State han usado un nuevo modelo matemático para meterse en territorio desconocido: ¿Qué ocurrió ANTES del Big Bang?
El modelo usado combina la Teorgía de la Relavitivad con la física cuántica, específicamente la teoría Loop Quantum Gravity (Gravedad cuántica de bucles). La teoría está siendo desarrollada en el Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry y es un nuevo acercamiento a la meta de unificación de la relatividad con la cuántica.
Usando esta teoría, los científicos rastrearon hacia atrás el universo y encontraron que su punto de comienzo tenía un mínimo volumen que no es cero y una energía máxima que no es infinita. Como resultado, las ecuaciones continuaron produciendo resultados matemáticos válido incluso antes del Big Bang. Básicamente, con este método se pierde la singularidad que impedía avanzar en los cálculos. Pero, avanzar ¿hacia dónde?. Pues hacia un universo anterior que antes de colapsar, "rebotó" generando el universo actual. La idea del Universo oscilante no es nueva, fue propuesta por Richard Tolman, del Instituto Tecnológico de California, cuyos estudios y propuestas fueron publicados a comienzos de la década de 1930.
Esta teoría de gravedad cuántica indica que la fábrica del espacio-tiempo tiene una geometría atómica que está tejido con una dimensión cuántica. Esta fábrica se desgarró bajo las extremas condiciones dominantes por la física cuántica cerca del Gran Rebote, causando que la gravedad se vuelva fuertemente repulsiva, por lo que, en vez de desaparecer hasta el infinito como se predice en la Teoría de la Relatividad, el universo rebotó en el Gran Rebote que dio nacimiento a nuestro universo en expansión. La teoría revela un universo en contracción antes del Gran Rebote, con una geometría espacio-temporal que era similar a la del univeso actual.
Bojowald encontró que tenía que crear un nuevo modelo matemático para usar con la teoría del Bucle de gravedad cuántica para explorar el universo antes del Gran Rebote (Big Bounce) con más precisión.
Además de ser más preciso, el nuevo modelo es más corto. El científico reformuló los modelos usando una descripción matemática diferente lo que le permitió resolver explicitamente las ecuaciones y obtener una fuerte simplificación.
Las ecuaciones del modelo requieren parámetros para describir el estado del actual universo con precisión.Luego usó ese modelo para viajar atrás en el tiempo, "des-evolucionando" el universo para revelar su estado en tiempos anteriores.
Las ecuaciones del modelo contienen algunos parámetros "libres" que no son conocidos con precisión, aunque necesarios para describir ciertas propiedades. Bojowald descubrió que dos de estos parámetros son complementarios: uno es relevante casi exclusivamente luego del Big Bounce y el otro casi exclusivamente luego del Gran Rebote.
Los dos parámetros libres, que se encontraron complementarios, representan la incertidumbre cuántica en el volumen total del universo antes y después del Big Bang. "Estas incertidumbres son parámetros adicionales que aplican cuando pones un sistema en un contexto cuántico, como una teoría de la gravedad cuántica", comentó el científico. "Es similar a las relaciones de incertidumbre en física cuántica, donde hay complentaridad entre la posición de un objeto y su velocidad - si puedes medir una no puedes simultáneamente medir la otra". Similarmente, el estudio indica que hay complementaridad entre los factores de incertidumbre para el volumen del universo antes y después del Big Bounce. "Para todos los propósitos prácticos, la precisión de los factores de incertidumbre para el volumen del universo previo nunca será determinada por un procedimiento de cálculo hacia atrás desde condiciones actuales del universo, incluso con mediciones más exactas que seamos capaces de hacer".
"Un problema con el modelo número anterior es que no ves claramente qué son realmente los parámetros libres y cuál es su influencia. Este modelo matemático te da una mejorada expresión que contiene todos los parámetros libres y puedes inmediatamente ver la influencia de cada uno", explicó Bojowald.
El científico alcanzó una conclusión adicional luego de encontrar que al menos uno de los parámetros del universo previo no sobrevivió el Big Bounce. Esto permite pensar que los sucesivos universos no serán réplicas perfectas uno de otro. "La recurrencia eterna de universos absolutamente idénticos parece ser prevenida por la aparente existencia de un intrínseco olvido cósmico".
Inmediatamente después del momento de la "explosión", cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, de la misma manera que al inflar un globo éste va ocupando más espacio expandiendo su superficie. Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial está constituida exclusivamente por partículas elementales: Electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones y un largo etcétera hasta más de 89 partículas conocidas hoy en día.
En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos.
Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo, la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble.
Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang.
Uno de los problemas sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).
Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado.
La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.
Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar al Big Bang. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinidad de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario.
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Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que una minoría, encabezada por el sueco 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.
Sí, sí, pero... ¿Que hubo antes del BigBang?
Un grupo de científicos aplicó un nuevo modelo matemático, basado en la combinación de la Teoría General de la Relatividad y la mecánica cuántica, que permite obtener detalles del universo antes del Big Bang: antes de la gran explosión existía un universo en contracción que "rebotó" en un Big Bounce o Gran Rebote para dar origen a nuestro universo actual.
La idea de que el universo comenzó con un Big Bang ha sido una gran barrera en los intentos científicos de entender el origen de nuestro universo en expansión.
Esto es así porque la física imperante en el inicio no nos es accesible, aunque sí lo es, aquello que ocurrió algunos segundos después de ese momento.
Como se describe en la Teoría General de la Relatividad de Einstein, el origen del Big Bang es un estado matemático -una singularidad de cero volumen que sin embargo contiene infinita densidad y energía.
A pesar de esto, Martin Bojowald profesor asistente de física en la Universidad Penn State han usado un nuevo modelo matemático para meterse en territorio desconocido: ¿Qué ocurrió ANTES del Big Bang?
El modelo usado combina la Teorgía de la Relavitivad con la física cuántica, específicamente la teoría Loop Quantum Gravity (Gravedad cuántica de bucles). La teoría está siendo desarrollada en el Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry y es un nuevo acercamiento a la meta de unificación de la relatividad con la cuántica.
Usando esta teoría, los científicos rastrearon hacia atrás el universo y encontraron que su punto de comienzo tenía un mínimo volumen que no es cero y una energía máxima que no es infinita. Como resultado, las ecuaciones continuaron produciendo resultados matemáticos válido incluso antes del Big Bang. Básicamente, con este método se pierde la singularidad que impedía avanzar en los cálculos. Pero, avanzar ¿hacia dónde?. Pues hacia un universo anterior que antes de colapsar, "rebotó" generando el universo actual. La idea del Universo oscilante no es nueva, fue propuesta por Richard Tolman, del Instituto Tecnológico de California, cuyos estudios y propuestas fueron publicados a comienzos de la década de 1930.
Esta teoría de gravedad cuántica indica que la fábrica del espacio-tiempo tiene una geometría atómica que está tejido con una dimensión cuántica. Esta fábrica se desgarró bajo las extremas condiciones dominantes por la física cuántica cerca del Gran Rebote, causando que la gravedad se vuelva fuertemente repulsiva, por lo que, en vez de desaparecer hasta el infinito como se predice en la Teoría de la Relatividad, el universo rebotó en el Gran Rebote que dio nacimiento a nuestro universo en expansión. La teoría revela un universo en contracción antes del Gran Rebote, con una geometría espacio-temporal que era similar a la del univeso actual.
Bojowald encontró que tenía que crear un nuevo modelo matemático para usar con la teoría del Bucle de gravedad cuántica para explorar el universo antes del Gran Rebote (Big Bounce) con más precisión.
Además de ser más preciso, el nuevo modelo es más corto. El científico reformuló los modelos usando una descripción matemática diferente lo que le permitió resolver explicitamente las ecuaciones y obtener una fuerte simplificación.
Las ecuaciones del modelo requieren parámetros para describir el estado del actual universo con precisión.Luego usó ese modelo para viajar atrás en el tiempo, "des-evolucionando" el universo para revelar su estado en tiempos anteriores.
Las ecuaciones del modelo contienen algunos parámetros "libres" que no son conocidos con precisión, aunque necesarios para describir ciertas propiedades. Bojowald descubrió que dos de estos parámetros son complementarios: uno es relevante casi exclusivamente luego del Big Bounce y el otro casi exclusivamente luego del Gran Rebote.
Los dos parámetros libres, que se encontraron complementarios, representan la incertidumbre cuántica en el volumen total del universo antes y después del Big Bang. "Estas incertidumbres son parámetros adicionales que aplican cuando pones un sistema en un contexto cuántico, como una teoría de la gravedad cuántica", comentó el científico. "Es similar a las relaciones de incertidumbre en física cuántica, donde hay complentaridad entre la posición de un objeto y su velocidad - si puedes medir una no puedes simultáneamente medir la otra". Similarmente, el estudio indica que hay complementaridad entre los factores de incertidumbre para el volumen del universo antes y después del Big Bounce. "Para todos los propósitos prácticos, la precisión de los factores de incertidumbre para el volumen del universo previo nunca será determinada por un procedimiento de cálculo hacia atrás desde condiciones actuales del universo, incluso con mediciones más exactas que seamos capaces de hacer".
"Un problema con el modelo número anterior es que no ves claramente qué son realmente los parámetros libres y cuál es su influencia. Este modelo matemático te da una mejorada expresión que contiene todos los parámetros libres y puedes inmediatamente ver la influencia de cada uno", explicó Bojowald.
El científico alcanzó una conclusión adicional luego de encontrar que al menos uno de los parámetros del universo previo no sobrevivió el Big Bounce. Esto permite pensar que los sucesivos universos no serán réplicas perfectas uno de otro. "La recurrencia eterna de universos absolutamente idénticos parece ser prevenida por la aparente existencia de un intrínseco olvido cósmico".