Desmitificando el Big Bang

Publicado el Martes, 18 de agosto de 2009 por MiGUi en Física
etiquetas: , , , , , ,
votar

No es habitual que una teoría física llegue a ser popular entre la gente más allá del interés divulgativo. La teoría del Big Bang es una de ellas, aunque existe un gran desconocimiento sobre qué es lo que propone, en qué se fundamenta y cuales son las pruebas que tiene a su favor. Para no inducir a confusión, el título "Desmitificando el Big Bang" quiere decir que en esta entrada se aclaran aquellos puntos que pueden ser desconocidos para muchos generando falsos mitos, no que el Big Bang sea erróneo.

El Big Bang es un modelo para explicar el origen del universo. En el contexto de la Física, se entiende como un planteamiento teórico que permite explicar ciertas observaciones, hacer predicciones en base al desarrollo matemático que se obtiene considerando como verdaderos sus hipótesis y comprobar las predicciones de forma experimental.

Se puede decir que el Big Bang propone que en un tiempo del pasado toda la materia y la energía estaban concentrados en un punto infinitamente pequeño e infinitamente denso y eventualmente se produjo una gran explosión que dió origen al espaciotiempo y a toda la materia y energía que éste contiene. Esta gran explosión es la que da nombre a la teoría. El instante t = 0 es una singularidad. En ese punto las leyes físicas fallan y no se puede explicar. No existe materia y energía ni las fuerzas tal y como las conocemos. No se sabe cómo se produjo la gran explosión pero partimos como hipótesis de trabajo que de hecho, se produjo. Esto viene trivialmente inferido por la observación.

El Big Bang parte de la Relatividad General y aplica el principio cosmológico y el principio de Copérnico. El principio cosmológico afirma que a grandes escalas el universo es isótropo y homogéneo y el principio de Copérnico afirma que el universo no gira entorno a nosotros en ningún sentido, es decir, que no ocupamos un lugar privilegiado en todo esto.

La primera condición necesaria para que el Big Bang pueda ser una teoría acertada es considerar que la dinámica del universo debe ser acorde con la de una explosión. Es decir, conforme avanza el tiempo, la materia se aleja entre sí. Esto se conoce como expansión del universo, y veamos cuales son los antecedentes sobre esto.

A partir de las ecuaciones de campo de Einstein Friedmann obtuvo en 1922 sus ecuaciones demostrando que el universo puede expandirse a una velocidad que se puede calcular a partir de sus ecuaciones. En 1927 Lemaître llegó independientemente a una solución parecida. Lo que hicieron ambos fue considerar la métrica de un universo isótropo y homogéneo en las ecuaciones de Einstein para un fluido con densidad y presión dadas. Dos años más tarde, Edwin Hubble publicó sus observaciones y la formulación de la ley que lleva su nombre.

Según esta ley, se puede relacionar la distancia entre las galaxias que se alejan de nosotros y la velocidad a la que lo hacen. La constante de proporcionalidad es la constante de Hubble y se puede medir empíricamente.

 Einstein, que tenía un enorme sentido de la estética, quería lograr que de sus ecuaciones se obtuviera un universo estacionario, lo cual iba en contra de lo que se estilaba en aquella época. Como dijimos antes, de sus ecuaciones se deduce que el universo se expande hasta que la gravedad lo impide, pero a Einstein no le gustaba y para ello introdujo un término en las ecuaciones de campo con una constante cosmológica que funciona como una especie de presión del vacío.

La constante cosmológica fue introducida inicialmente por Einstein para lograr un universo estático, que coincidía con la concepción del universo reinante en su tiempo. Sus ecuaciones originales no permitían un universo estático: la gravedad lleva a un universo inicialmente en equilibrio dinámico a contraerse. Sin embargo, poco después de desarrollar su solución estática, Edwin Hubble sugirió que el universo parecía estar en expansión. Esto era perfectamente consistente con las soluciones a las ecuaciones originales, descubiertas por el matemático Friedman.

La ecuación con esta modificación es: \displaystyle R_{\mu \nu} - \frac{1}{2} Rg_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu   \nu}

Donde la constante cosmológica es \Lambda.

Años más tarde, Einstein se retractó de esto diciendo que fue el mayor error de su carrera. Ahora sabemos que el universo estacionario que se deduce de esto no es estable, cualquier pequeña perturbación provoca que colapse o se expanda de nuevo.

Cuando en los años 90 se descubrió que el universo se expandía de forma acelerada se encontró que si se considerar la constante cosmológica de valor positivo se puede encontrar esta solución y se midió un valor para \Lambda \sim 10^{-35} s^{-2}. Para profundizar sobre el tema, recomiendo los artículos de jjo en este mismo blog aquí.

Por tanto, el universo se expande y según parece lo hace de manera acelerada, desde el punto de vista teórico. En la práctica, sabemos que el universo se expande gracias al corrimiento Doppler que ya expliqué aquí según el cual las galaxias se alejan todas entre sí, sugiriendo que en el pasado estaban más juntas hasta un punto en el que estaban todas en el mismo lugar. El mayor problema al que se enfrenta esta teoría es explicar cómo se llegó desde un estado en el que existe una singularidad hasta el estado actual.

Si el Universo partió de una situación ultradensa y muy caliente tras producirse la gran explosión tuvieron que quedar restos en alguna parte. En 1965 Penzias y Wilson descubrieron la radiación de fondo de microondas (CMB) pensando que había un error en su radiotelescopio que les introducía ruido. Cuando se dieron cuenta de que no había nada, estaban ante uno de los más importantes hallazgos del siglo XX. Todo el universo está impregnado de una radiación que se corresponde con la que emitiría un cuerpo negro a 2.7 K de temperatura. ¿De dónde procede la radiación de fondo?

Tras producirse la gran explosión pasó un tiempo hasta que las cuatro fuerzas de la naturaleza comenzaron a poderse distinguir. Este instante abarca entre el instante 0 y

 Conforme el universo crecía se iba enfriando y los quarks y gluones se recombinaron para formar las partículas fundamentales, y entre ellas los primeros bariones: protones y neutrones. Unos 10^{-6} segundos tras la gran explosión, el universo era un plasma ultracaliente de fotones, electrones. Los fotones interactuaban constantemente con los electrones mediante scattering Thomson. En este proceso, una carga libre (electrón) emite radiación (fotón) en respuesta a una onda electromagnética incidente (otro fotón). Esta dispersión impide que se formen los primeros átomos. Cuando se enfrió hasta unos 3000 K de temperatura (que equivale a una edad de unos 380000 años) la temperatura fue lo bastante baja como para que se formaran los primeros átomos. En este momento los fotones dispersados pudieron viajar libremente por el espacio y se desacoplaron la materia de la energía.

Estos fotones que formaron parte del plasma de quarks y gluones y que surgieron de las primeras aniquilaciones de materia y antimateria son los que forman la radiación de fondo que impregna todo el universo y que hoy podemos medir. Misiones como el COBE y el WMAP se encargaron de hacer un mapa de la radiación de fondo de microondas averiguando la distribución de temperaturas y confirmaron que está polarizada, respaldando su origen fruto del scattering Thomson. La razón de que esta radiación esté desplazada hasta las microondas es también el efecto Doppler.

 El COBE demostró cómo la radiación de fondo se ajusta a la perfección con la emisión de un cuerpo negro de 2.7 K de temperatura. Entre los hallazgos del WMAP están el acotar la edad del universo al valor actualmente aceptado de 13700 millones de años, que únicamente un 4% de todo el universo es materia ordinaria. El resto es materia oscura y energía oscura. Además permitió refinar el valor de la Constante de Hubble a 71 \pm 4 km/s/Mpc. Todo esto ha permitido consolidar el llamado Modelo Lambda-CDM.

Como vemos, las evidencias a favor del Big Bang son muy sólidas. Se pueden discutir los detalles, pero no hay explicación alternativa al inicio del universo en los términos que plantea el Big Bang. Es decir, observamos que todas las galaxias se alejan entre sí y que por tanto tuvieron que estar juntas en un momento del pasado. Y además, tenemos el CMB que únicamente es explicable teniendo como partida el Big Bang. Por lo tanto, aunque fue discutido repetidamente durante todo el siglo XX la situación actual es que el Big Bang es parte fundamental del modelo cosmológico estándar aceptado en la actualidad y respaldado por la observación.

Referencias:

Thomson Scattering.
Cosmic Microwave Background.
Inflation for beginners.
Can the universe afford inflation?
From the Big Bang Theory to the Theory of a Stationary Universe.

Share

Trackbacks/Pingbacks a esta entrada:
    1. neobius dice:

      Hola MiGUi, todavía no he leído el artículo, te escribo porque tengo problemas para visualizar la página, el texto aparece cortado por la columna derecha o por encima de la columna. Te dejo aquí un par de imágenes de como veo la página: http://img513.imageshack.us/img513/4200/migui1.png http://img35.imageshack.us/img35/748/migui2.png Uso firefox en Ubuntu. También he probado con Opera y tengo el mismo problema. Echale un vistazo a ver si puedes arreglarlo, mientras tanto editaré la página en local para poder leer texto bien. Saludos ;-) PD: También me pasa con los demás post, no sólo con éste.

    2. neobius dice:

      Soy el mismo de antes, pero tengo otra pregunta, al ver publicado mi comentario he visto que los links a las screenshots aparecen divididos en dos partes (el primero lo ha separado en dos líneas y en el segundo ha metido un espacio). ¿Eso es un bug o una feature?

    3. MiGUi dice:

      Gracias por el aviso, ya me lo comentaron la semana pasada. No sé por qué ocurre en Ubuntu la verdad. He intentado arreglarlo a ciegas revisando el código pero sin mucho éxito parece Ahora mismo estoy de vacaciones y no tengo mi linux a mano para hacer pruebas. En una semana intentaré darle solución como mucho. He colocado un aviso en la página principal. En Google Chrome se ve bien.