A medida que avanzan los años encontramos más pruebas que parecen demostrar que el big bang realmente ocurrió.
A pesar de no ser testigos del evento, podemos sacar conclusiones muy razonables estudiando lo que nos rodea.
En primer lugar, ¿qué nos lleva a pensar que el universo se originó de cierta manera? Segundo, ¿qué tan seguros estamos de eso?
Edwin Hubble
Hasta principios del siglo XX, la idea más general que se tenía sobre el universo era de un universo estático, en el que el borde de la vía láctea representaba el límite del universo.
En 1917 Einstein postuló las bases de la cosmología moderna con su teoría de la relatividad general. En 1922 Alexander Friedman demostró que la ecuación fundamental de Einstein también permitía un universo dinámico y en 1927 Georges Lemaître, respaldado en evidencias observacionales concluyó que el universo se está expandiendo; aunque Einstein rechazaba esta idea.
La expansión del universo
Los astrónomos vieron cómo funcionaba el efecto Doppler en el espectro y notaron algo sorprendente estudiando la luz de las galaxias: a lo largo de nuestro universo casi todo está desplazado hacia el rojo (¡se están alejando!). Además, las galaxias que están más lejos son más desplazadas hacia el rojo que otras más cercanas, es decir que se están alejando de nosotros más rápidamente.
Al igual que el sonido, la luz es una onda que se puede describir en términos de su frecuencia o de su longitud de onda. El científico austríaco Christian Doppler señaló que si un objeto que emite luz se mueve acercándose o alejándose de nosotros entonces la luz que emite se verá alterada (se percibe una frecuencia aparente). Esto no podemos observar en la vida diaria porque la luz se mueve demasiado rápido; pero se experimenta lo mismo con el sonido.
El efecto Doppler es quizás una de las herramientas más importantes en astrofísica, porque es como nuestro velocímetro ya que nos permite medir la velocidad de casi cualquier cosa en el universo.
Si la fuente de luz se acerca, las líneas espectrales (o ‘líneas von Fraunhofer‘) se desplazan hacia la zona azul del espectro (lo que se llama una desviación al azul o blueshift) y si la fuente de luz se aleja, éstas líneas se desplazan hacia la zona roja (redshift).
Tras una reunión con Edwin Hubble, quien le mostró su descubrimiento (véase Ley de Hubble*), finalmente Einstein en 1931 se retractó, y reconoció que la constante cosmológica que añadió a su ecuación de campo para ‘neutralizar’ la expansión del universo ‘fue la peor pifiada de su vida’.
Un universo en expansión implicaba, según enunció Georges Lemaître, que el universo en su origen estaba concentrado en un punto infinitamente denso a una temperatura infinitamente alta que posteriormente se expandió.
El big bang no hace referencia a una explosión de materia que se aleja para llenar un universo vacío, sino al espacio-tiempo que se extiende. Esta teoría fue fortaleciéndose a medida que se fue encontrando evidencias observacionales, por ejemplo, la existencia de la radiación cosmica de fondo de microondas (CMB), descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson, luego recompensados con un Premio Nobel.
La teoría original fue ‘refinada’ a medida que avanzaron los años, y a pesar de sus detractores, la mayoría de los astrónomos y los físicos aceptan que la concordancia entre la teoría del Big Bang y la evidencia observacional es muy cercana. Pero incluso hasta hoy día (2014) hay aspectos que siguen sin tener una explicación adecuada.
Conforme el universo se expande también lo hace la longitud de onda de los fotones que se propagan en él. (imagen: cuentos-cuanticos.com)
El problema del horizonte
No todo era color de rosa en la Teoría del Big Bang, esta debía superar problemas muy graves. Uno de los problemas más grandes en la cosmología es el problema del horizonte .
Para salvar la Teoría del Big Bang los cosmólogos deben resolver porqué ciertas regiones del universo demasiado alejadas para haber estado en contacto jamás poseen tanta similitud, cuando está claro que debido a las grandes distancias entre estas regiones no habría podido establecerse equilibrio térmico. Según la teoría de la relatividad, ninguna información u objeto puede viajar más rápido que la luz, y ésta es una de las afirmaciones mejor probadas de la física.
Así que ¿cómo explicar que los bordes del universo (horizontes) están separados casi 28.000 millones de años luz y la edad de nuestro universo es apenas algo menor que 14 mil millones de años sean tan semejantes? Dos teorías propuestas podrían solucionar el problema: una es la teoría de la “velocidad de la luz variable (VSL)” y la otra es la teoría de la “inflación cósmica”.
En “A time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles” Joao Magueijo y Andreas Albretch analizaron la posibilidad basada en la proposición de Jacob Bekenstein sobre el universo constantemente variable, en la cual se realiza la hipótesis que durante el transcurso de la evolución del universo pudo haber ocurrido una variación en la velocidad de la luz. Esta solución, a pesar de resolver el problema del horizonte, no fue muy respaldada debido a la dificultad de encontrar evidencias observacionales para comprobar dicha teoría y además se tendrían que replantear otras proposiciones físicas.
La inflación cósmica
La teoría de la inflación cósmica también ofrece una solución al problema del horizonte (junto con varios otros problemas, como el problema de la planitud) postulando un corto período de 10^-32 segundos de expansión exponencial en los primeros instantes de la historia del universo. Durante la inflación, el universo se habría aumentado de tamaño por un factor enorme. Antes de la inflación de todo el universo era pequeño y conectado causalmente. La inflación luego expandió el universo rápidamente, explicando la uniformidad a grandes distancias. Esta teoría no viola la relatividad, que permite que el espacio-tiempo pueda expandirse a velocidades más grandes que la de la luz.
La inflación cósmica carecía de evidencias que lo respaldasen, pero hace poco el telescopio BICEP2 ha contribuido a realizar el descbrimiento más importante de la física desde el bosón de Higgs ***.
BICEP2 finds first direct evidence of cosmic inflation
Notas:
*) Resulta que la Ley de Hubble sólo es cierta hasta cierto punto, ya que tras investigaciones en las dos últimas décadas se ha descubierto que las galaxias distantes se alejan más rápidamente (incluso) de lo previsto.
La razón de esta aceleración es un misterio, y los científicos han bautizado como la fuerza motriz de esta aceleración de la energía oscura. Y, curiosamente, algunos investigadores están poniendo la constante cosmológica de nuevo en la relatividad general, aunque de una forma diferente a la formulación de Einstein.
**) Que las galaxias se estén alejando de nosotros, ¿implica que nuestro planeta es el centro del universo? Definitivamente no. La idea del geocentrismo está descartada en todos sus aspectos. Las galaxias se van alejando de las otras mutuamente, y estamos en una región ordinaria del universo, dentro de una galaxia ordinaria. No hay nada de especial en nosotros.
***) Los resultados arrojados por BICEP2 fueron verificados de manera sistemática, pero aún se realizarán otros experimentos para fortalecer aún más la veracidad del descubrimiento y la teoría de Alan Guth.
Referencias:
Einstein’s conversion from his static to an expanding universe (por Harry Nussbaumer)
Variable Speed of Light Cosmology, Primordial Fluctuations and BICEP2 (por J. W. Moffat)
Espero que con esto ahora se pueda comprender mejor la noticia del BICEP2
A pesar de no ser testigos del evento, podemos sacar conclusiones muy razonables estudiando lo que nos rodea.
En primer lugar, ¿qué nos lleva a pensar que el universo se originó de cierta manera? Segundo, ¿qué tan seguros estamos de eso?
Edwin Hubble
Hasta principios del siglo XX, la idea más general que se tenía sobre el universo era de un universo estático, en el que el borde de la vía láctea representaba el límite del universo.
En 1917 Einstein postuló las bases de la cosmología moderna con su teoría de la relatividad general. En 1922 Alexander Friedman demostró que la ecuación fundamental de Einstein también permitía un universo dinámico y en 1927 Georges Lemaître, respaldado en evidencias observacionales concluyó que el universo se está expandiendo; aunque Einstein rechazaba esta idea.
La expansión del universo
Los astrónomos vieron cómo funcionaba el efecto Doppler en el espectro y notaron algo sorprendente estudiando la luz de las galaxias: a lo largo de nuestro universo casi todo está desplazado hacia el rojo (¡se están alejando!). Además, las galaxias que están más lejos son más desplazadas hacia el rojo que otras más cercanas, es decir que se están alejando de nosotros más rápidamente.
Al igual que el sonido, la luz es una onda que se puede describir en términos de su frecuencia o de su longitud de onda. El científico austríaco Christian Doppler señaló que si un objeto que emite luz se mueve acercándose o alejándose de nosotros entonces la luz que emite se verá alterada (se percibe una frecuencia aparente). Esto no podemos observar en la vida diaria porque la luz se mueve demasiado rápido; pero se experimenta lo mismo con el sonido.
El efecto Doppler es quizás una de las herramientas más importantes en astrofísica, porque es como nuestro velocímetro ya que nos permite medir la velocidad de casi cualquier cosa en el universo.
Si la fuente de luz se acerca, las líneas espectrales (o ‘líneas von Fraunhofer‘) se desplazan hacia la zona azul del espectro (lo que se llama una desviación al azul o blueshift) y si la fuente de luz se aleja, éstas líneas se desplazan hacia la zona roja (redshift).
Tras una reunión con Edwin Hubble, quien le mostró su descubrimiento (véase Ley de Hubble*), finalmente Einstein en 1931 se retractó, y reconoció que la constante cosmológica que añadió a su ecuación de campo para ‘neutralizar’ la expansión del universo ‘fue la peor pifiada de su vida’.
Un universo en expansión implicaba, según enunció Georges Lemaître, que el universo en su origen estaba concentrado en un punto infinitamente denso a una temperatura infinitamente alta que posteriormente se expandió.
El big bang no hace referencia a una explosión de materia que se aleja para llenar un universo vacío, sino al espacio-tiempo que se extiende. Esta teoría fue fortaleciéndose a medida que se fue encontrando evidencias observacionales, por ejemplo, la existencia de la radiación cosmica de fondo de microondas (CMB), descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson, luego recompensados con un Premio Nobel.
La teoría original fue ‘refinada’ a medida que avanzaron los años, y a pesar de sus detractores, la mayoría de los astrónomos y los físicos aceptan que la concordancia entre la teoría del Big Bang y la evidencia observacional es muy cercana. Pero incluso hasta hoy día (2014) hay aspectos que siguen sin tener una explicación adecuada.
Conforme el universo se expande también lo hace la longitud de onda de los fotones que se propagan en él. (imagen: cuentos-cuanticos.com)
El problema del horizonte
No todo era color de rosa en la Teoría del Big Bang, esta debía superar problemas muy graves. Uno de los problemas más grandes en la cosmología es el problema del horizonte .
Para salvar la Teoría del Big Bang los cosmólogos deben resolver porqué ciertas regiones del universo demasiado alejadas para haber estado en contacto jamás poseen tanta similitud, cuando está claro que debido a las grandes distancias entre estas regiones no habría podido establecerse equilibrio térmico. Según la teoría de la relatividad, ninguna información u objeto puede viajar más rápido que la luz, y ésta es una de las afirmaciones mejor probadas de la física.
Así que ¿cómo explicar que los bordes del universo (horizontes) están separados casi 28.000 millones de años luz y la edad de nuestro universo es apenas algo menor que 14 mil millones de años sean tan semejantes? Dos teorías propuestas podrían solucionar el problema: una es la teoría de la “velocidad de la luz variable (VSL)” y la otra es la teoría de la “inflación cósmica”.
En “A time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles” Joao Magueijo y Andreas Albretch analizaron la posibilidad basada en la proposición de Jacob Bekenstein sobre el universo constantemente variable, en la cual se realiza la hipótesis que durante el transcurso de la evolución del universo pudo haber ocurrido una variación en la velocidad de la luz. Esta solución, a pesar de resolver el problema del horizonte, no fue muy respaldada debido a la dificultad de encontrar evidencias observacionales para comprobar dicha teoría y además se tendrían que replantear otras proposiciones físicas.
La inflación cósmica
La teoría de la inflación cósmica también ofrece una solución al problema del horizonte (junto con varios otros problemas, como el problema de la planitud) postulando un corto período de 10^-32 segundos de expansión exponencial en los primeros instantes de la historia del universo. Durante la inflación, el universo se habría aumentado de tamaño por un factor enorme. Antes de la inflación de todo el universo era pequeño y conectado causalmente. La inflación luego expandió el universo rápidamente, explicando la uniformidad a grandes distancias. Esta teoría no viola la relatividad, que permite que el espacio-tiempo pueda expandirse a velocidades más grandes que la de la luz.
La inflación cósmica carecía de evidencias que lo respaldasen, pero hace poco el telescopio BICEP2 ha contribuido a realizar el descbrimiento más importante de la física desde el bosón de Higgs ***.
BICEP2 finds first direct evidence of cosmic inflation
Notas:
*) Resulta que la Ley de Hubble sólo es cierta hasta cierto punto, ya que tras investigaciones en las dos últimas décadas se ha descubierto que las galaxias distantes se alejan más rápidamente (incluso) de lo previsto.
La razón de esta aceleración es un misterio, y los científicos han bautizado como la fuerza motriz de esta aceleración de la energía oscura. Y, curiosamente, algunos investigadores están poniendo la constante cosmológica de nuevo en la relatividad general, aunque de una forma diferente a la formulación de Einstein.
**) Que las galaxias se estén alejando de nosotros, ¿implica que nuestro planeta es el centro del universo? Definitivamente no. La idea del geocentrismo está descartada en todos sus aspectos. Las galaxias se van alejando de las otras mutuamente, y estamos en una región ordinaria del universo, dentro de una galaxia ordinaria. No hay nada de especial en nosotros.
***) Los resultados arrojados por BICEP2 fueron verificados de manera sistemática, pero aún se realizarán otros experimentos para fortalecer aún más la veracidad del descubrimiento y la teoría de Alan Guth.
Referencias:
Einstein’s conversion from his static to an expanding universe (por Harry Nussbaumer)
Variable Speed of Light Cosmology, Primordial Fluctuations and BICEP2 (por J. W. Moffat)
Espero que con esto ahora se pueda comprender mejor la noticia del BICEP2