martes, 25 de febrero de 2014

The Big Bang Theory (I)


La Teoría del Big Bang, basada en los postulados de la Mecánica Cuántica y en la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, es el modelo cosmológico más aceptado actualmente para explicar las etapas iniciales de formación del Universo, y empezó a gestarse a principios del S.XX. Entre 1924 y 1929 Edwin Hubble comprobó, midiendo su desplazamiento al rojo por efecto Doppler, que todas las galaxias observables en cualquier dirección en el espacio remoto estaban alejándose de nosotros, y tanto más rápido cuanto más lejanas. Suponiendo que no estamos en el centro de una gran explosión, la única solución posible (y así lo han demostrado diversas comprobaciones experimentales) era que todas las regiones del Universo observable se estuviesen alejando unas de otras, igual que ocurre con los puntos dibujados con un rotulador en un globo a medida que lo inflamos. Esto significa que, dándole a la moviola y yendo hacia atrás en el Tiempo con la imaginación, hubo un momento en que todo estaba concentrado en un solo punto muy pequeño; tiene guasa que el primero en proponer, en 1927, una hipótesis de este tipo para la creación de todo lo que existe fuese el físico belga Georges Lemaître, que además era sacerdote católico.


En nuestro afán por saberlo todo acerca de todo, intentaremos con esta entrada múltiple resumir los hechos más importantes de la historia del Universo hasta el momento actual. Las partículas fundamentales constituyentes de la materia y de las distintas fuerzas (atractivas o repulsivas) se mueven muy rápido comparadas con nosotros, así que, a nivel de partículas, en una minúscula fracción de segundo pueden pasar muchas cosas: es lo que denominamos la escala subatómica de Tiempo. Por eso, para describir detalladamente todo lo que pasó en las primeras etapas de esta cronología utilizaremos en la entrega de hoy una escala logarítmica que toma como referencia el inicio del Big Bang, el nacimiento del Espacio y del Tiempo hace unos 13.800 millones de años; la semana que viene volveremos a usar como punto de referencia el momento presente.
Los datos experimentales obtenidos en los aceleradores de partículas actuales nos permiten retroceder sólo hasta un cierto punto en el Tiempo que, si bien está muy, muy próximo al inicio del Universo, no es el inicio propiamente dicho; haría falta llevar a cabo experimentos a mayores energías para seguir retrocediendo en la escala logarítmica de Tiempo. Hasta donde podemos llegar, sabemos que sólo había energía, no masa, y que todo lo que conocemos estaba comprimido en un punto minúsculo infinitamente denso e infinitamente caliente. A partir de aquí, el Universo se expande muy rápidamente, de forma exponencial, en lo que se conoce como la etapa de inflación cósmica. Aunque nada puede viajar más rápido que la luz dentro del Espacio-Tiempo, el propio tejido del Espacio-Tiempo sí puede expandirse a mayor velocidad, y de hecho así ocurrió en esta fase. Con esta expansión se produce una disminución gradual de la temperatura, y la inflación termina a los 10-32 segundos desde el Big Bang.
 
 
A los 10-12 segundos (es decir, la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo), al seguir bajando la temperatura, gran parte de la energía se ha transformado en partículas subatómicas, y el Cosmos está formado por un plasma (una sopa muy espesa) de gluones y quarks. Las cuatro fuerzas que rigen actualmente el Universo (gravitatoria, fuerte, débil y electromagnética) están por fin claramente diferenciadas, y ya hay fotones, partículas de radiación electromagnética entre las que se encuentra la luz visible. Se dan continuos cambios entre materia inestable y energía, en ambos sentidos, según dicta la ecuación de Einstein E=mc2. Al bajar más la temperatura, a partir de los 10-6 segundos (o sea, una millonésima de segundo desde el principio de todo) se forman partículas estables más grandes tales como los protones y neutrones, con sus correspondientes antipartículas, de carga opuesta.
Poco después, materia y antimateria empiezan a combinarse mucho más rápido de lo que aparecen, y acaban aniquilándose mutuamente desprendiendo mucha energía, quedando sólo un pequeñísimo residuo de materia debido a un minúsculo desequilibrio entre ambos grupos. Esto ocurre con los protones y neutrones a un segundo del Big Bang, y con los electrones a diez segundos. Después de la aniquilación materia-antimateria, la mayor parte de la energía la tienen los fotones, que rebotan e interactúan constantemente con los pocos electrones y protones que han quedado. Sigue bajando la temperatura (si a mil millones de grados se le puede llamar baja) y a tres minutos del Big Bang los protones y neutrones se ralentizan lo suficiente para fusionarse en núcleos estables de Deuterio, un isótopo del Hidrógeno. Aparecen también núcleos de Helio y (en muy pequeña cantidad) de Litio. La densidad del Universo es ahora parecida a la del aire. A veinte minutos del Big Bang los núcleos no tienen velocidad suficiente para combinarse y cesan los procesos de fusión.
Hasta los 380.000 años de edad el Universo es borroso y blanquecino, con fotones y partículas cargadas chocando y rebotando caóticamente en una y otra dirección, pero llegados a este punto los electrones son captados por los núcleos para formar átomos completos y neutros (sobre todo de Hidrógeno, en un 80%), de manera que los fotones ya son capaces de viajar distancias muy largas en línea recta sin ser absorbidos. El Universo se vuelve transparente y las nubes de gas que hay en él empiezan a ser visibles de forma clara (si hubiera habido alguien a poca distancia para verlas). A este montón de fotones liberado entonces en todas direcciones y desde todos los puntos del Espacio se le llama radiación de fondo, y fue descubierta casualmente en 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson. En el momento de su liberación sus longitudes de onda incluían el espectro visible, pero tras recorrer la larga distancia entre sus respectivos puntos de origen y nuestros telescopios éstas se han ido alargando (debido a la expansión del Espacio-Tiempo) hasta pertenecer al rango de las microondas; su distribución espectral coincide ahora con el patrón de emisión de un cuerpo negro radiante de 3 Kelvin, es decir, unos 270 grados centígrados bajo cero: la temperatura media del Universo actualmente. Las pequeñísimas fluctuaciones en la radiación de fondo de microondas proveniente del espacio exterior, dependiendo de la dirección en la que apuntemos con nuestros telescopios, son la prueba de las irregularidades en la estructura del Cosmos después de la etapa de inflación, y constituyen por tanto la fotografía más antigua del Universo de la que disponemos.

 
Poco a poco, en las regiones ligeramente más densas de un Universo por otra parte casi uniforme en cuanto a distribución de masa y energía, los átomos empiezan a atraerse por efecto de la gravedad, haciendo que la densidad en estos puntos aumente todavía más y formando nubes compactas de Hidrógeno gaseoso. Por otra parte, las zonas inapreciablemente menos densas al terminar el periodo de inflación se van haciendo cada vez menos densas y darán lugar con el tiempo al vacío intergaláctico. El final de esta relativamente breve etapa oscura, que viene dado por la edad de las galaxias y cuásares más antiguos conocidos, no se ha datado aún con precisión porque los objetos de este tipo observados hasta ahora se cuentan con los dedos de ambas manos, pero está entre 200 y 800 millones de años después del Big Bang (Al contrario que las minúsculas partículas tomadas de forma aislada, las gigantescas nubes de gas tardan mucho en evolucionar y en cambiar de forma apreciablemente, en comparación con nuestra escala biológica de Tiempo; por eso a partir de este punto hablamos ya de millones de años en vez de fracciones de segundo).
¿Y cómo se produce el final de esta edad oscura? La luz de las primeras estrellas y cuásares se enciende porque el colapso gravitacional de los átomos de Hidrógeno en sus centros genera tan altas presiones y temperaturas que se vuelve a producir la fusión nuclear, formándose Helio y liberándose gran cantidad de radiación electromagnética, parte de ella en el espectro visible. Después irán surgiendo el resto de estructuras complejas a gran escala que hay en el Cosmos tal y como lo conocemos hoy: primero planetas, satélites y agrupaciones de estrellas a las que llamamos galaxias; y más adelante grupos, cúmulos y supercúmulos de galaxias.

 
Como ya hemos pillado carrerilla, la semana que viene hablaremos brevemente sobre la formación de la galaxia en la que vivimos, de la estrella que nos ilumina, de nuestro propio planeta y del satélite que lo orbita… Pero antes de terminar por hoy, dejadme que os haga una pregunta con trampa: ¿Dónde creéis que se produjo exactamente el Big Bang hace 13.800 millones de años? ¿Fue cerca de nuestro Sol? ¿o al otro extremo de nuestra propia galaxia? ¿o en Andrómeda, la galaxia vecina? ¿o quizás en el punto más alejado de nosotros en el Universo conocido? ¿o tal vez en la misma ciudad de Valencia, o en tu propia casa, en tu cuarto de baño? Por extraño que pueda parecer, todas las opciones son correctas: teniendo en cuenta que antes del Big Bang no existía el Espacio ni las distancias, y que todo el Universo observable se expandió entonces a partir de un solo punto, a partir de la nada, la conclusión a la que llegamos es que el Big Bang tuvo lugar, como dirían Los Beatles, aquí, allí y en todas partes.

5 comentarios:

Cancro dijo...

Qué tal caballero,

Una entrada de lo más interesante. Tengo algunas dudas acerca de éste tema. Como comentas en el texto parece que la teoría del big bang ha sido aceptada por la mayoría de personas, pero ¿con qué otras teorías nos encontramos hoy en día?, ¿hay alguna(o algunas) que rivalicen con el big bang en cuanto a aceptación del círculo científico y que no sean tan conocidas a nivel popular?

Por otro lado, siempre que he ojeado algo de información al respecto encuentro que todos se basan en el instante inmediato despues de ese supuesto big bang, pero ¿que sucedía antes de esto?. He leido que comentas que no había nada, pero ¿crees que eso es posible?, ¿cual es tu concepto de la nada anterior al big bang?.

Un saludo Kanlonauta.

El Rojo dijo...

Hola!
Utilizando la jerga al caso, has provocado todo un flujo fotónico sobre mis conocimientos en este tema. Es decir, me has iluminado el asunto.
Necesitaba un entrada como esta que me sirviera para ordenadar un poco lo que había ido leyendo aquí y allá.

Aunque la verdad es que nunca acabo de entender del todo lo que comenta Cancro, es decir, es totalmente anti-intuitivo que no haya nada antes del Big-Bang. Bajo esta perspectiva tampoco habría un antes, porque no habría tiempo, por lo que no tendría sentido preguntárselo. Se concluye entonces que habría un "no-es" y luego un "es", con lo que el asunto se torna demasiado metafísico....
Por otro lado, ¿el propio tejido del espacio-tiempo se mueve más rápido que la luz y dentro de él nada viaja más allá de esa velocidad? Eso directamente no lo entiendo en absoluto (pero claro. En este campo me faltan conocimientos). ¿hiperespacio?¿velocidad absurda?

Cancro dijo...

Hola de nuevo,

Acabo de releer la entrada y no sé de donde me he sacado que comentabas que "no habia nada anterior al big ban". Ha debido ser un lapsus, sorry ;)

Comentas que hasta donde se conoce sólo había energía, y no masa, pero ésto en realidad tampoco invalidaría la pregunta, ya que si no existe el espacio/tiempo previo al big bang ¿dónde se encontraba esa energía?

Sobre lo que comentas, compañero Rojo, no puedo racionalizar que algo no exista, y al instante exista. Quiero decir, que si tras el big bang hubo una sucesión de acontecimientos, la lógica me lleva a pensar que antes del big bang ya existía una sucesión de acontencimientos previos que llevaron a esa gran explosión. Ahora bien, ¿Que fuesen en nuestro rango de percepción, en alguna otra dimensión, o vayaseustedasaberdonde?, pues no tengo ni idea, pero me inclino a pensar más en ésta última posibidad que en la de un inicio "del todo" tras una explosión... Aunque desde luego todo esto que digo es pura especulación, y tampoco es que tenga mucho valor :D

No os voy a decir que no he estado dándole vueltas a esto, que son las 4 y pico y aún estoy con el tema en la cabeza...

¡¡Juan, escribe de temas más banales, hombre!! :D
Es broma, un saludete a los dos ;)

Kalonauta dijo...


Hola a los dos, y gracias como siempre por animar el cotarro... La verdad es que aún tengo que preparar la segunda parte de la entrada, y el finde se me presenta apretado, pero aun así me gusta el reto de intentar contestar a vuestras preguntas. Sois como ese amigo insistente que te obliga a salir y a hacer un poco de footing: al principio no te apetece nada, pero luego te sientes mucho mejor.

Pues venga, vamos a engrasar las neuronas, aunque os aviso que no soy especialista en la materia, que conste... Cancro, me preguntabas si había otras teorías que compitieran con la del Big Bang hoy en día. Empecemos por el principio: cuando fue propuesta hace un siglo, esta teoría compitió con la del Estado Estacionario (que supongo que mantenía que el Universo había tenido siempre más o menos la misma pinta), pero el tiempo y los datos han inclinado claramente la balanza a favor del Big Bang. La fase de inflación se añadió posteriormente, así que habría que diferenciar entre la teoría clásica del Big Bang y la teoría inflacionaria del Big Bang, que es la que os he explicado yo.

Dentro de la teoría inflacionaria, hay bastante acuerdo con respecto a lo que os he explicado en la entrada; los distintos especialistas difieren sólo en lo que respecta a los primerísimos instantes después del Big Bang, de los que yo no he hablado, y en cuanto a si había o no algo antes del Big Bang, punto por el que me preguntábais tanto tú como el Rojo. ¿Qué había en el cero absoluto de los tiempos? ¿Una singularidad? ¿Un agujero negro? ¿El final de otro Universo, tal vez con leyes físicas completamente distintas, cuyo Big Crunch da lugar, por efecto rebote, a nuestro Big Bang?

Hay quienes hablan del Big Bang como consecuencia de la colisión en un punto de dos branas multidimensionales paralelas entre sí (no preguntes más, que hasta ahí llego). Hay quien dice que los distintos Universos aparecen y desaparecen cíclicamente. Stephen Hawking tiene varios documentales bastante buenos sobre este tema, con el aliciente añadido de que se encarga de la locución Benedict Cumberbatch, el actor de Sherlock, que es una gozada de oír... La teoría de Hawking es que el propio Tiempo se generó con el Big Bang, de manera que, como decía el Rojo, no tiene sentido preguntarse qué había antes, porque los conceptos de antes y después, de causa y consecuencia, sólo pueden aplicarse a partir del Big Bang.

Aquí entramos en el terreno de la Metafísica, como también comentaba Rojo... La conclusión que saca Hawking es que nadie creó el Universo porque no había un antes para que hubiese alguien ahí que lo creara: por tanto, no hay ningún Dios, ni existen el Cielo o el Más Allá; sólo tenemos esta vida, y debemos aprovecharla al máximo para disfrutar del grandioso diseño del Universo, de toda la Belleza que nos rodea.

También tenemos que hablar del Espacio, pero lo hago en comentario aparte, no sea que supere el límite de extensión...

¡Hasta ahora mismo!

Kalonauta dijo...


Sigo con las respuestas a vuestras preguntas, y sólo me quedaba responder a el Rojo sobre la expansión del Espacio-Tiempo y la velocidad de la luz. Podéis informaros mejor buscando por ejemplo "Expansión métrica del Espacio" en la Wikipedia, pero os hago un resumen.

Por un lado está claro que la luz viaja en el vacío a una velocidad (300.000 km/s) que es la misma la mires desde donde la mires, y que ningún objeto, por rápido que sea, puede viajar más rápido. Pero es que resulta que por otra parte hay una expansión del propio Espacio-Tiempo, de la malla de referencia en la que se asientan los distintos cúmulos de galaxias (pensad en el ejemplo del globo con los puntos dibujados del que hablaba en la entrada).

Esta expansión es contrarrestada de alguna forma por la gravedad y por tanto no afecta a las galaxias vecinas que están interactuando: por ejemplo, no hay expansión del Espacio entre la Vía Láctea y Andrómeda, que de hecho se están acercando la una a la otra... Pero para cúmulos de galaxias distintos al nuestro, con mucho vacío de por medio, sí hay expansión, y tanto más rápida cuanto más lejos estén los dos cúmulos.

Esto da lugar a varias conclusiones de vértigo: Por ejemplo, teniendo en cuenta que mirar muy lejos hacia el espacio exterior es también mirar hacia el pasado, ya que la luz ha tardado un cierto tiempo en llegar a nosotros, significa que la mayor distancia a la que podemos enfocar nuestros telescopios y ver algo con sentido (o sea, el radio del Universo observable) debería ser de 13.800 millones de años-luz (la distancia viajada por la luz durante la edad del Universo)... Pero no lo es. En realidad son unos 46.000 millones de años-luz porque hay que añadirle la expansión que ha experimentado el Espacio desde que la luz salió de su punto de origen.

Otro ejemplo bastante inquietante: todas las galaxias que ahora mismo están a una distancia de nosotros superior a 4,5 gigaparsecs estarán en el futuro fuera de nuestro alcance visual si la expansión del Espacio-Tiempo continúa a este ritmo, ya que para estas distancias la velocidad relativa de separación es mayor que la de la luz, y por tanto los rayos de luz que salen de allí hoy jamás llegarán a nosotros... Poco a poco los demás cúmulos de galaxias se irán apagando en el cielo, empezando por los más distantes y siguiendo con los más cercanos, hasta que sean visibles en el cielo nocturno únicamente las galaxias vecinas, o incluso sólo la nuestra... Pero hasta que eso pase pueden ocurrir otras muchas cosas, tanto buenas como malas, así que no os preocupéis demasiado por ello.

En resumen, y aplicando el mismo símil de La Loca Historia de las Galaxias al que hacías referencia, Rojo (¡peaso friki estás hecho!): podríamos decir que la luz viaja a Velocidad Ridícula, pero el tejido del Espacio-Tiempo se expande a Velocidad Absurda, que es todavía mayor. ;-)

¡Un saludo a los dos!