Todo el mundo tiene problemas. El big bang… también.


En el foro ha habido una interesante pregunta sobre teorías de velocidad de la luz variable.  El origen de estos modelos se puede rastrear al intento de buscar modelos alternativos a la teoría inflacionaria para solventar los problemas de la cosmología estándar.

Así que antes de entrar en las soluciones lo lógico es presentar los problemas.  Y eso es lo que nos proponemos hacer aquí.

¿Qué es el big bang?

Cuando los físicos hablan del big bang no se refieren una explosión de un punto donde estaba contenido todo.  Al hablar del big bang se refieren a un modelo que se ocupa de estudiar la evolución térmica del universo.  En ningún caso se ocupa del origen. La visión de la explosión es muy atractiva pero de todo punto errónea.  La teoría del big bang no puede decir nada del primer instante porque es una teoría clásica no cuántica y dicha teoría, basada en relatividad general, tiene una singularidad en ese estado.  Y una singularidad no es un huevo que todo lo contiene, no es un punto en el espacio que lo contiene todo, una singularidad es una advertencia de una teoría que nos dice que ahí no puede decir nada y que hay que buscarse otra teoría para acceder a ese estado.

Así que, el big bang (el modelo cosmológico estándar) no habla del inicio, sino de la evolución del universo desde sus primeros instantes.  No estamos interesado en esta entrada en revisar los éxitos de la teoría cosmológica estándar sino en puntualizar los problemas que llevan a introducir modificaciones tales como la teoría inflacionaria o los modelos de velocidad de la luz variable.

Historia térmica del universo

 

 

 

El problema del monopolo.

Según la teoría electromagnética que rige desde la estructura atómica hasta nuestros dispositivos electrónicos existen las fuentes de campo eléctrico aisladas, las cargas.  Pero el campo magnético es producido por cargas en movimiento.  No hay carga magnética aislada, el campo magnético siempre va producido por un polo norte y un polo sur, no hay polos aislados.  (El típico ejemplo de que al partir un imán uno vuelve a obtener un imán con dos polos es muy representativo aquí).

Por otro lado, de la física de partículas sabemos que hay tres interacciones no gravitatorias.  La electromagnética, la débil y la fuerte.  La electromagnética es claro lo que es, la débil cambia los tipos de partículas (ver entrada sobre los neutrinos para una explicación algo más detallada) y la fuerte es la que une los quarks para formar protones y neutrones (además de otras partículas).

Se sabe que dichas teorías se han de comportar igual alcanzada una determinada energía.  Es decir, todas estas interacciones han de venir descritas por una única teoría.  Esto es lo que persigue la unificación, dar una teoría que explique por qué estas interacciones eran la misma a determinada energía y hoy día las vemos como tres interacciones distintas.  Actualmente tenemos una teoría magnífica que unifica dos de ellas, la interacción electromagnética y la interacción débil está descrita por la teoría electrodébil.  Sin embargo, aún no tenemos una teoría definitiva de la unificación de la teoría electrodébil con la fuerte, a tal hipotética teoría se la denomina teoría de gran unificación (GUT en lo que sigue).

El caso es que inicialmente (a una determinada energía o temperatura) teníamos una única interacción, la GUT.  Pero cuando bajó la temperatura del universo las interacciones se separaron en la interacción fuerte y la electrodébil.  Como subproducto de esto aparecen ciertas partículas que son de hecho monopolos magnéticos.

Pero esto supone un problemón, un problema de los gordos, ¿por qué?

Los monopolos sería muy muy pesados y serían creados en un número inmenso.  Pero eso significaría que tales partículas dominarían la evolución del universo, pudiendo incluso frenar su expansión y provocar el recolapso del universo.  Y además, no vemos monopolos por ningún sitio. ¿Dónde están?

 

El problema del Horizonte

El universo tiene una curiosa propiedad y es que es homogéneo.  Homogéneo a escalas cosmológicas, es decir, si nosotros miramos a nuestro alrededor no es homogéneo, ni a escalas astronómicas, tenemos planetas, estrellas y galaxias, pero si aumentamos la distancia el universo es increiblemente homogéneo  (y todas las inhomogeneidades son irrelevantes a esas escalas).

Pero esto de la homogeneidad se ve más claramente en la radiación cósmica de fondo (ver entrada) que tiene allá donde se mire una temperatura de 2.7 grados Kelvin (2.7 grados por encima del cero absoluto)  y las variaciones de temperatura no supera en ningún caso a una parte por cien mil.

Pero eso supone un problema, otro de los gordos, para que un dos cuerpos estén a la misma temperatura han tenido que intercambiar energía y los cuerpos han tenido que pasar tiempo en contacto (o intercambiando radiación).  Pero la energía no se puede propagar a mayor velocidad que la velocidad de la luz según la relatividad. Sin embargo, mirando a la radiación cósmica de fondo vemos que todo tiene la misma temperatura, aunque la separación espacial sea tal que a nada le haya dado tiempo a conectar puntos diametralmente opuestos en el cielo.

Este sin duda es el problema más interesante y “problemático” de todos los concernientes al modelo de la cosmología estándar.  ¿Cómo y por qué está todo a la misma temperatura? ¿Se movían las cosas más rápido que la luz? ¿Hay otro mecanismo que explique esto?

 

El problema de la planitud

Con medidas muy precisas hoy podemos decir que nuestro universo ahora mismo es espacialmente plano (ver entrada…).  Pero como comentamos la geometría espacial está relacionada con la densidad de energía y resulta que para que la geometría sea plana sólo se puede dar un valor concreto de dicha densidad, llamado densidad crítica.

El problema es que no hay ningún mecanismo que pueda asegurar que se parte de la densidad crítica y cualquier variación, a la baja o a la alta haría que nuestro universo no tuviera geometría espacial plana.  Entonces el problema es, o bien nuestro universo empezó con unas condiciones iniciales increiblemente improbables y es plano y lo será por los siglos de los siglos (amén) o bien hay un mecanismo que permita que nuestro universo sea plano ahora pero permita otros tipos de densidades que den la opción a distintas evoluciones de nuestro universo.

Si queréis refrescar esto de lo plano y no plano, os recomendamos la entrada:  Tiempos oscuros:  El lado oscuro de la energía.

Esperamos haber dado algunos detalles sobre estos problemas y haber sabido transmitir brevemente por qué son un problema.  Y bueno, ahora nos meteremos con las soluciones… en breve.

 

 

9 Respuestas a “Todo el mundo tiene problemas. El big bang… también.

  1. No se dónde dejar esta inquietud sobre la Teoría del Big-Bang pero me gustaría preguntar al respecto o, al menos, me dierais la oportunidad de exponerla.

    Bien partimos de la teoría aceptada de que con el big bang nace el espacio, nace el tiempo, nace la energía, nace la materia, nace el Universo. La pregunta de qué fue primero, la energía o el espacio, o todo a la vez ya que difícilmente podemos concebir la energía sin la existencia del tiempo o sin la existencia del espacio y por otra parte, tampoco tiene sentido preguntarse por el “antes” y el “después” dónde no existe el tiempo porque no había nacido, es una pregunta que hemos de posponer. El Big-Bang tal y como muy bien se expone en esta entrada es una teoría que explica la evolución de nuestro universo, la historia, su pasado, no así el origen.

    Pero bueno ya tentados especulamos sobre el origen: No hay espacio, no hay tiempo, la nada, la inexistencia para los profanos; en cambio, los físicos, los científicos, me atrevería a decir que ustedes dicen la nada no tiene sentido en la física, dejemos la “nada” como un concepto para los filósofos y los poetas. En cambio, para nosotros si tiene cabida, sentido, significado, es total objeto de nuestro estudio describir, las propiedades y características etc del Vacío.

    El Vacío podría llegar a explicar algún día el nacimiento, si no ha llegado ya, del Universo, el nacimiento de la energía. Nuestro “Vacío” se ha vuelto de hecho muy interesante, quizá del más suculento objeto de estudio de la Física Cuántica.

    Bueno pues aquí vengo a presentar mi modelo particular, me da vergüenza, sobre el origen y me baso en unas sencillas reglas matemáticas. Y la nada también tiene “existencia” en él. Obtenemos en las ecuaciones dos tipos de resultados, (+) y (-). Más por más es más, más por menos es menos, menos por menos es más. En la mecánica clásica aceptamos el resultado positivo o “real” y descartamos el resultado “negativo” o imaginario. En la mecánica cuántica se barajan ambos resultados, electrón/positrón, materia/antimateria, velocidad negativa, hipótesis de sobrepasar la velocidad de la luz, tiempo negativo y viaje al pasado, etc.

    La propuesta y también la pregunta es que si en física se considera o tiene cabida considerar tan real la existencia de al menos dos universos espejos, uno “real” y otro “virtual” o imaginario con un trasvase constante de actividad de uno a otro -partículas virtuales que “nacen” en el vació- y donde la nada no es más que un punto de intersección, cero, entre ambos universos reales existentes, el “real” o material del espacio, tiempo y energía, de las tres de las cuatro fuerzas que conocemos, el electromagnetismo, fuerza fuerte y fuerza débil, y el universo “virtual” sin espacio, sin tiempo, intangible, con unas propiedades y quizá leyes físicas que desconocemos, pero que nos atrevemos ya a hipotetizar algunos efectos como energía oscura, por qué la gravedad es una fuerza tan pequeña o débil en relación a las otras restantes y tantos otros capítulos de la física de primer orden en la actualidad.

    Resumiendo, pregunta sobre la viabilidad de la propuesta de la existencia real de dos universos, simetría de dos universos espejo virtual/real.

    De nuevo disculpas por adelantado y perdón por el abuso de la paciencia.

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  5. A mi tambien me ha despejado esa duda que siempre he tenido, la idea esa de que de un punto (del vacìo) y por una explosiòn naciò todo, el espacio, el tiempo, como que no cuadra.

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  8. Esta explicación es magnífica y se ajusta perfectamente a la original propuesta por Hawking… De verdad que os felicito, pues se han venido difundiendo versiones disparatadas como “…en el principio toda la materia y energía estaba contenido en el puntito de una “i”…”.. Bueno mire de acuerdo que la energía se transforma en materia y viceversa, pero eso de que “no se crea” y que de un “vacío” pasa a formar un universo inconmensurable….No cuadra en la cabeza de nadie. Hay un paso que se nos escapa y que afecta a ambás, clásica y cuántica.

    Genial al leerlo. Es lucido y completamente coherente. Por lo menos es el único articulo que en este tema. me ha despejado dudas en vez de crearmelas.

  9. Pingback: Frigodedos, frigopiés y monopolos… | Cuentos Cuánticos

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