Big Bang
El Big Bang es un modelo cosmológico generalmente aceptado que describe el desarrollo temprano del Universo [1] , es decir, el comienzo de la expansión del Universo , antes del cual el Universo estaba en un estado singular .
Por lo general, ahora combinan la teoría del Big Bang y el modelo del Universo caliente , pero estos conceptos son independientes. Históricamente, también existía la idea de un Universo inicial frío cerca del Big Bang. Se considera más adelante la combinación de la teoría del Big Bang con la teoría del Universo caliente, apoyada por la existencia de radiación cósmica de fondo de microondas .
Conceptos modernos de la teoría del Big Bang y la teoría del Universo caliente
De acuerdo con los conceptos modernos, el Universo que estamos observando actualmente surgió hace 13,799 ± 0,021 mil millones de años [2] a partir de un estado singular inicial y se ha estado expandiendo y enfriando continuamente desde entonces. De acuerdo con las limitaciones conocidas sobre la aplicabilidad de las teorías físicas modernas, el momento más temprano que se puede describir es el momento de la época de Planck con una temperatura de alrededor de 10 32 K ( temperatura de Planck ) y una densidad de alrededor de 10 93 g/cm³ ( densidad de Planck ). El Universo primitivo era un medio altamente homogéneo e isotrópico con una densidad de energía, temperatura y presión inusualmente altas. Como resultado de la expansión y el enfriamiento, ocurrieron transiciones de fase en el Universo, similares a la condensación de un líquido a partir de un gas, pero en relación con las partículas elementales .
En el período de tiempo de cero a 10 −40 segundos después del Big Bang, tuvieron lugar los procesos del nacimiento del Universo a partir de una singularidad. Se cree que en este caso la temperatura y la densidad de la materia en el Universo estaban cerca de los valores de Planck. No existe una teoría física completa de esta etapa [3] . Al final de esta etapa, la interacción gravitacional se separó de las demás, y comenzó la Época de la Gran Unificación .
Aproximadamente 10 −42 segundos después del momento del Big Bang, la transición de fase provocó la expansión exponencial del Universo. Este período se denominó inflación cósmica y finalizó 10 −36 segundos después del momento del Big Bang [3] .
Después del final de este período, el material de construcción del universo fue el plasma de quarks y gluones . Después de un tiempo, la temperatura descendió a valores en los que se hizo posible la siguiente transición de fase, llamada bariogénesis . En esta etapa, los quarks y gluones se combinaron en bariones , como protones y neutrones [3] . Al mismo tiempo, tuvo lugar simultáneamente una formación asimétrica de materia, que prevalecía, y antimateria, que se aniquilaban mutuamente , convirtiéndose en radiación electromagnética .
Una nueva caída de la temperatura condujo a la siguiente transición de fase : la formación de fuerzas físicas y partículas elementales en su forma moderna. Luego vino la era de la nucleosíntesis , en la que los protones, combinados con neutrones, formaron los núcleos de deuterio , helio-4 y varios otros isótopos ligeros . Después de una nueva caída de la temperatura y la expansión del universo, se produjo el siguiente momento de transición, en el que la gravedad se convirtió en la fuerza dominante. 380 mil años después del Big Bang, la temperatura descendió tanto que se hizo posible la existencia de átomos de hidrógeno (antes de eso, los procesos de ionización y recombinación de protones con electrones estaban en equilibrio).
Después de la era de la recombinación, la materia se volvió transparente a la radiación, que, al propagarse libremente en el espacio, nos llegó en forma de radiación cósmica de fondo de microondas .
En todas las etapas del Big Bang, se cumple el llamado principio cosmológico : el Universo en cualquier momento dado se ve igual para un observador en cualquier punto del espacio. En particular, en cualquier momento dado en todos los puntos del espacio, la densidad de la materia es en promedio la misma. El big bang no es como la explosión de un cartucho de dinamita en el espacio vacío, cuando la materia comienza a expandirse desde un pequeño volumen hacia el vacío circundante, formando una nube de gas esférica con un claro frente de expansión, más allá del cual hay un vacío. Esta noción popular es errónea [4] . El Big Bang ocurrió en todos los puntos del espacio de forma simultánea y sincrónica, es imposible señalar cualquier punto como el centro de la explosión, no hay gradientes de presión y densidad a gran escala en el espacio, y no hay fronteras o frentes que separen el sustancia en expansión desde el vacío [4] . El Big Bang es una expansión del propio espacio, junto con la materia contenida en él, que, en promedio, se encuentra en reposo en un punto dado.
El problema de la singularidad inicial
Extrapolar la expansión observada del universo hacia atrás en el tiempo conduce, usando la relatividad general y algunas otras teorías alternativas de la gravedad , a una densidad y temperatura infinitas en un punto finito en el tiempo en el pasado. La curvatura del espacio-tiempo alcanza un valor indefinidamente grande. Este estado se denomina singularidad cosmológica (a menudo, la singularidad cosmológica se denomina en sentido figurado el "nacimiento" del Universo). La imposibilidad de evitar la singularidad en los modelos cosmológicos de la relatividad general fue demostrada, entre otros teoremas de singularidad , por R. Penrose y S. Hawking a finales de la década de 1960.
La teoría del Big Bang hace imposible hablar de nada que preceda a este momento (porque nuestro modelo matemático del espacio-tiempo en el momento del Big Bang pierde su aplicabilidad, mientras que la teoría no niega en absoluto la posibilidad de la existencia de algo antes del Big Bang). Esto señala la insuficiencia de la descripción del Universo por la teoría general
clásica de la relatividad.
Cuán cerca de la singularidad se puede extrapolar la física conocida es un tema de debate científico, pero prácticamente se acepta que la era anterior a Planck no puede ser considerada por métodos conocidos. El problema de la existencia de una singularidad en esta teoría es uno de los incentivos para la construcción de teorías cuánticas y otras alternativas de la gravedad , que están tratando de resolver este problema.
Existen varias hipótesis sobre el origen de la parte visible del Universo [5] :
Mayor evolución del Universo
Según la teoría del Big Bang, la evolución posterior depende de un parámetro medible experimentalmente: la densidad media de la materia en el Universo moderno. Si la densidad no excede algún valor crítico (conocido por la teoría) , el Universo se expandirá para siempre, pero si la densidad es mayor que la crítica, entonces el proceso de expansión algún día se detendrá y comenzará la fase inversa de compresión, volviendo al estado singular original. Los datos de observación modernos (2015) muestran que la densidad promedio dentro del error experimental (fracciones de un porcentaje) es igual al crítico [15] .
Hay una serie de preguntas que la teoría del Big Bang aún no puede responder, pero sus principales disposiciones están respaldadas por datos experimentales confiables, y el nivel actual de física teórica hace posible describir con bastante confiabilidad la evolución de tal sistema en el tiempo, con la excepción de la etapa inicial: aproximadamente una centésima de segundo desde "el comienzo del mundo". Es importante para la teoría que esta incertidumbre en la etapa inicial en realidad resulte ser insignificante, ya que el estado del Universo formado después de pasar por esta etapa y su posterior evolución pueden describirse con bastante confianza.
La historia del desarrollo de ideas sobre el Big Bang
- 1916 - Se publica la obra del físico Albert Einstein "Fundamentos de la Teoría General de la Relatividad", en la que completa la creación de una teoría relativista de la gravedad [16] .
- 1917 - Basado en sus ecuaciones de campo, Einstein desarrolló el concepto de espacio con una curvatura constante en el tiempo y el espacio (el modelo del Universo de Einstein, que marca el nacimiento de la cosmología), introdujo la constante cosmológica Λ . (Posteriormente, Einstein calificó la introducción de la constante cosmológica como uno de sus mayores errores [17] ; ya en nuestro tiempo quedó claro que el término Λ juega un papel crucial en la evolución del Universo). W. de Sitter presentó un modelo cosmológico del Universo ( modelo de Sitter ) en su obra "Sobre la teoría de la gravedad de Einstein y sus consecuencias astronómicas".
- 1922 - El matemático y geofísico soviético A. A. Fridman encontró soluciones no estacionarias a la ecuación gravitacional de Einstein y predijo la expansión del universo (un modelo cosmológico no estacionario, conocido como la " solución de Friedman "). Si extrapolamos esta situación al pasado, tendremos que concluir que en un principio, toda la materia del Universo estaba concentrada en un área compacta, a partir de la cual comenzó a expandirse. Dado que los procesos de naturaleza explosiva ocurren con mucha frecuencia en el Universo , Friedman supuso que al comienzo de su desarrollo también hay un proceso explosivo: el Big Bang.
- 1923 - El matemático alemán G. Weyl señaló que si la materia se coloca en el modelo de De Sitter, que corresponde a un Universo vacío, debería expandirse. La naturaleza no estática del Universo de Sitter también se menciona en el libro de A. Eddington , publicado en el mismo año.
- 1924 - K. Wirtz descubrió una débil correlación entre los diámetros angulares y las velocidades de retroceso de las galaxias y sugirió que podría asociarse con el modelo cosmológico de De Sitter, según el cual la tasa de retroceso de los objetos distantes debería aumentar con su distancia [18] .
- 1925 - K. E. Lundmark y luego Stremberg , quien repitió el trabajo de Wirtz, no obtuvieron resultados convincentes, y Stremberg incluso afirmó que "no hay dependencia de las velocidades radiales con la distancia al Sol". Sin embargo, solo quedó claro que ni el diámetro ni el brillo de las galaxias pueden considerarse criterios confiables para su distancia. La expansión de un Universo no vacío también fue mencionada en el primer trabajo cosmológico del teórico belga Georges Lemaitre , publicado en el mismo año.
- 1927 - Se publica el artículo de Lemaitre "Un universo homogéneo de masa constante y radio creciente, que explica las velocidades radiales de las nebulosas extragalácticas". El coeficiente de proporcionalidad entre velocidad y distancia obtenido por Lemaitre fue cercano al encontrado por E. Hubble en 1929 . Lemaitre fue el primero en afirmar claramente que los objetos que habitan el Universo en expansión, cuya distribución y velocidad deberían ser objeto de cosmología, no son estrellas , sino sistemas estelares gigantes , galaxias . Lemaitre se basó en los resultados del Hubble, que conoció mientras estaba en los Estados Unidos en 1926 para su informe.
- 1929 : el 17 de enero, las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE . UU. recibieron el artículo de Humason sobre la velocidad radial de NGC 7619 y el Hubble, titulado "Relación entre la distancia y la velocidad radial de las nebulosas extragalácticas". Una comparación de estas distancias con velocidades radiales mostró una clara dependencia lineal de la velocidad con la distancia, lo que ahora se llama legítimamente la ley de Hubble .
- 1948 - Se publica el trabajo de G. A. Gamov sobre el "Universo caliente", basado en la teoría de Friedman del Universo en expansión. Según Friedman, al principio hubo una explosión. Ocurrió simultáneamente y en todas partes del Universo, llenando el espacio con una sustancia muy densa, a partir de la cual, después de miles de millones de años, se formaron los cuerpos observables del Universo: el Sol , las estrellas , las galaxias y los planetas , incluida la Tierra y todo lo que hay en él . eso. Gamow añadió a esto que la materia prima del mundo no sólo era muy densa, sino también muy caliente. La idea de Gamow era que las reacciones nucleares tenían lugar en la materia densa y caliente del Universo primitivo, y los elementos químicos ligeros se sintetizaban en esta caldera nuclear en pocos minutos . El resultado más espectacular de esta teoría fue la predicción de la radiación cósmica de fondo. De acuerdo con las leyes de la termodinámica , la radiación electromagnética debería haber existido junto con la materia caliente en la era "caliente" del Universo primitivo. No desaparece con la expansión general del mundo y permanece, solo fuertemente enfriado, hasta el día de hoy. Gamow y sus colaboradores pudieron estimar aproximadamente cuál debería ser la temperatura actual de esta radiación residual. Descubrieron que era una temperatura muy baja, cercana al cero absoluto . Teniendo en cuenta las posibles incertidumbres que son inevitables con datos astronómicos muy poco fiables sobre los parámetros generales del Universo en su conjunto y escasa información sobre las constantes nucleares, la temperatura prevista debería estar en el rango de 1 a 10 K. En 1950, en un artículo de divulgación científica (Physics Today, No. 8, p. 76), Gamow anunció que la temperatura más probable de la radiación cósmica es de unos 3 K.
- 1955 : el radioastrónomo soviético Tigran Shmaonov descubrió experimentalmente la radiación de microondas de ruido con una temperatura de aproximadamente 3 K [19] .
- 1964 : los radioastrónomos estadounidenses A. Penzias y R. Wilson descubrieron el fondo de radiación cósmica y midieron su temperatura. Resultó ser exactamente 3 K. Este fue el descubrimiento más grande en cosmología desde el descubrimiento por Hubble en 1929 de la expansión general del Universo. La teoría de Gamow se confirmó plenamente. En la actualidad, esta radiación se llama reliquia ; el término fue introducido por el astrofísico soviético I. S. Shklovsky .
- 2003 - El satélite WMAP mide la anisotropía CMB con un alto grado de precisión . Junto con los datos de mediciones anteriores ( COBE , Telescopio Espacial Hubble , etc.), la información obtenida confirmó el modelo cosmológico ΛCDM y la teoría inflacionaria . La edad del Universo y la distribución de masa de varios tipos de materia se establecieron con gran precisión ( materia bariónica - 4 %, materia oscura - 23 %, energía oscura - 73 %) [20] .
- 2009 : se lanza el satélite Planck , que ahora mide la anisotropía CMB con una precisión aún mayor.
Historia del término
Inicialmente, la teoría del Big Bang se denominó "modelo evolutivo dinámico". Por primera vez el término "Big Bang" ( Big Bang ) fue utilizado por Fred Hoyle en su conferencia en 1949 (Hoyle mismo se adhirió a la hipótesis del "nacimiento continuo" de la materia durante la expansión del Universo). Él dijo:
Esta teoría se basa en la suposición de que el universo se originó en el proceso de una sola explosión poderosa y, por lo tanto, existe solo por un tiempo finito ... Esta idea del Big Bang me parece completamente insatisfactoria.
Después de que se publicaron sus conferencias, el término se volvió ampliamente utilizado.
Críticas a la teoría
Además de la teoría del Universo en expansión , también existía la teoría de que el Universo es estacionario , es decir, no evoluciona y no tiene principio ni fin en el tiempo. Algunos de los partidarios de este punto de vista rechazaron la expansión del Universo, y el desplazamiento hacia el rojo se explica por la hipótesis del "envejecimiento" de la luz . Sin embargo, resultó que esta hipótesis contradice las observaciones, por ejemplo, la dependencia observada de la duración de los estallidos de supernova en la distancia a ellos [21] [22] [23] . Otra opción, que no niega la expansión del Universo, está representada por la teoría del Universo estacionario de F. Hoyle . Tampoco está de acuerdo con las observaciones [23] .
En algunas teorías de la inflación (por ejemplo, la inflación eterna ), nuestra imagen observada del Big Bang corresponde a la posición solo en la parte del Universo que observamos ( Metagalaxia ), pero no agota todo el Universo.
Además, la teoría del Big Bang no considera la cuestión de las causas de la aparición de una singularidad o la materia y la energía para su aparición, por lo general, simplemente postula su falta de comienzo. Se cree que la respuesta a la pregunta sobre la existencia y el origen de la singularidad inicial vendrá dada por la teoría de la gravedad cuántica .
También hay una serie de hechos observacionales que no concuerdan bien con la isotropía y la homogeneidad del Universo observable : la presencia de una dirección de rotación predominante de las galaxias [24] [25] , falta de homogeneidad en la distribución de las galaxias en la mayor disponible Balanzas, el eje del mal .
En la ciencia oficial de la URSS , la teoría del Big Bang se percibió al principio con cautela. Entonces, en 1955, un autor soviético escribió: “ La doctrina marxista-leninista de un Universo infinito es un axioma fundamental en el fundamento de la cosmología soviética... Negar o evitar esta tesis... conduce inevitablemente al idealismo y al fideísmo , que es, en última instancia, a la negación de la cosmología y por lo tanto no tiene nada que ver con la ciencia” [26] [27] . Aunque la teoría del Big Bang finalmente fue aceptada por los científicos y filósofos soviéticos, sin embargo, hasta el mismo colapso de la URSS , el postulado del infinito y la eternidad de la materia se fijó en los diccionarios filosóficos . Al mismo tiempo, se declaró que la teoría del Big Bang es válida solo para la Metagalaxia , y la Metagalaxia aún no es todo el Universo, el "Big Bang" no es el comienzo del Universo, sino solo otra transición de no creado y materia indestructible de un estado a otro [28] .
La 3ª edición de la Gran Enciclopedia Soviética dice:
El hecho de la remoción mutua de las galaxias que componen la Metagalaxia indica que hace algún tiempo estaba en un estado cualitativamente diferente y era más densa... La edad de la Metagalaxia a veces se toma como la edad del Universo, lo cual es típico para los partidarios de identificar la Metagalaxia con el Universo como un todo. De hecho, la hipótesis de la existencia en el Universo de muchas metagalaxias ubicadas simplemente a ciertas distancias entre sí no encuentra ninguna confirmación. Sin embargo, se debe tener en cuenta la posibilidad de relaciones más complejas entre la Metagalaxia y el Universo como un todo, e incluso entre metagalaxias individuales: en volúmenes de espacio tan grandes, los principios de la geometría euclidiana ya son inaplicables. Estas relaciones también pueden ser complejas topológicamente. No podemos excluir la posibilidad de que cada partícula elemental cargada pueda ser equivalente a todo un sistema de galaxias, es decir, que pueda consistir en tal sistema. La cosmología también debe tener en cuenta las posibilidades de tales relaciones más complejas. Por lo tanto, todavía es prematuro decir que hay datos sobre la edad del Universo en su conjunto [29] .
Teoría y religión
El 22 de noviembre de 1951, el Papa Pío XII anunció que la teoría del Big Bang no contradecía las ideas católicas sobre la creación del mundo [30] [31] . La ortodoxia también tiene una actitud positiva hacia esta teoría [32] . Las denominaciones cristianas protestantes conservadoras también han dado la bienvenida a la teoría del Big Bang como una interpretación histórica de apoyo a la doctrina de la creación [33] . Algunos musulmanes han comenzado a señalar que hay referencias al Big Bang en el Corán [34] [35] . Según la enseñanza hindú, el mundo no tiene principio ni fin, se desarrolla cíclicamente [36] [37] , sin embargo, la "Enciclopedia del hinduismo" dice que la teoría recuerda que todo vino de Brahman , que es "menos que un átomo, pero más que la más enorme" [38] .
Notas
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