La historia caliente del universo


Vamos a hablar de la historia térmica del universo. Esta entrada está orientada para tener un resumen muy breve de lo que ha sucedido en el universo desde su origen hasta nuestros días. Lo haremos corto.

Además esta entrada nos servirá para introducir la radiación cósmica de fondo de la cual hablaremos en una próxima entrada.  Esperamos que os guste, especialmente dedicadas a @guardiolajavi 🙂

Antes de entrar en harina voy a recomendar algunas entradas que podrían resultar útiles (no imprescindibles) para esta.

No todo estaba contenido en un punto… ¡Vale!

Todo el mundo tiene problemas… el big bang también

Para los que quieran estudiar Cosmología con un poco más de profundidad les recomiendo el minicurso semitécnico:

Cosmología, una introducción fácil

Y ahora a por la historia térmica del universo.

Una imagen

Nuestro universo tiene una edad aproximada de 15 mil millones de años. Con la física que conocemos podemos describir sus etapas, no todas con total confianza pero sí muchas de ellas, y además podemos predecir los valores de algunos parámetros observables que luego son medidos experimentalmente. Hoy día tenemos una gran confianza en la rama física que se ocupa del origen y evolución del universo, la cosmología.

Las etapas

La época de Planck

Esta época abarca desde un hipotético instante cero hasta 10^{-43} segundos después del mismo.  La temperatura promedio del universo en esta etapa es de 10^{32}K, o lo que es lo mismo, la energía disponible era de 10^{19}GeV.  Es decir, estamos en el rango del tiempo de Planck, la temperatura de Planck (masa de Planck).

La física actual no puede, o al menos no estamos seguros, describir lo que pasó ahí. Lo único que tenemos son intuiciones de que durante esa etapa todas las interacciones estaban unificadas, sólo existía una interacción general. Necesitamos la teoría de la gravedad cuántica para poder decir algo con sentido acerca de esta etapa.

Epoca de Gran Unificación (GUT)

Esta etapa abarca desde los 10^{-43}s hasta los 10^{-35}s. La temperatura era de 10^{28}K (10^{15}GeV. Esta bajada en la temperatura se entiende porque el universo se está expandiendo, de hecho puede que esta etapa sea la de inflación, y por tanto se está diluyendo y su temperatura bajando.

En esta etapa la gravedad se ha separado del resto de las otras tres interacciones (electromagnetismo, interacción débil e interacción fuerte) que permanecen unificadas en una teoría de gran unificación.

Si nuestras teoría de gran unificación son ciertas durante esta etapa se produjeron monopolos magnéticos (una explicación detallada en Todo el mundo tiene problemas… el big bang también). Es también probable que se formaran otras cosas exóticas como cuerdas cósmicas y dominios cósmicos. Posiblemente se produjo una expansión muy fuerte llamada inflación (se supone que cualquier volumen aumentó en un factor 10^{35}) que hizo que nuestro universo se aplanara y diluyera los monopolos.

Al final de esta época la interacción fuerte se separó de las otras dos que seguían unificadas en la teoría electrodébil.

Epoca electrodébil

Esta época dura desde los 10^{-35}s a los 10^{-11}s. La temperatura llegó a los 10^{15}K (10^{3})GeV.

Durante esta época la interacción débil y electromagnética se diferencian. Además se considera que aquí aparecen los fotones, gluones, quarks y otras partículas conocidas.  Hay que decir que a las energías de esta época los quarks podían moverse libremente.

Epoca de la transición Quark-Hadrón

Aquí nos referimos al tiempo que pasa desde los 10^{-11}s hasta los 10^{-6}s después del origen. La temperatura baja hasta los 10^{12}K .

La temperatura (energía) ha bajado de forma que los quarks se agrupan en hadrones. Aparecen los protones, los neutrones, etc. Posteriormente también aparecen los leptones, electrones y neutrinos por ejemplo.

Epoca de la nucleosíntesis

De los 10^{-6}s a 1s después del big bang.

Se empiezan a formar los núcleos ligeros. Hidrógeno, deuterio, tritio, litio… las proporciones relativas de estos elementos en el espacio exterior han sido medidas y están en perfecta correspondencia con las predicciones del modelo estándar de la cosmología.

Ahora el universo es una sopa de nucleos, hadrones, electrones, y fotones de alta energía.  Estos fotones se dicen confinados.  Esto significa que colisiones entre ellos hacen que se creen pares partícula/antipartícula.  Y además son absorbidos por los núcleos creando estados nucleares excitados.  Y también impiden que los núcleos capturen electrones para formar átomos.  El universo es totalmente opaco, los fotones no se pueden mover libremente en línea recta ya que siempre encuentran algo con lo que interactuar.

Y a los 300.000 años después del big bang se hizo la luz…

Después de todo esto, el universo se mantuvo expandiéndose y enfriándose hasta que llegó el momento en que los fotones no tuvieron la energía para seguir formando pares o impidiendo la captación electrónica de los núcleos. Aparecen los átomos. Y los fotones se propagan en línea recta sin interactuar desde todas las direcciones. Esos son los fotones que nos llegan en la radiación cósmica de fondo a día de hoy, habiendo bajado su temperatura (energía) en un factor mil.

Discutiré estos detalles de la radiación cósmica de fondo en la próxima entrada. Estudiaremos sus características y la información que podemos obtener de ella. Se podría decir que la radiación cósmica de fondo es la huella dactilar de toda la evolución del universo, aprender a leerla es aprender sobre la historia de nuestro universo.

Nos seguimos leyendo…


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12 Respuestas a “La historia caliente del universo

  1. Una de dos: O los físicos teóricos (cosmológos, astrofísicos y demás) están locos, o son unos charlatanes que nos toman el pelo al resto de la gente.
    Por un lado establecen que la edad del universo (desde el famoso big-bang) es de 13700 millones de años, y por otro lado nos cuentan que el tiempo es relativo, siguiendo las teorías del divino Einstein.

    Según la relatividad general, por ejemplo, cuanta mayor es la gravedad en determinada zona del espacio, menos tiempo transcurre en esa zona. De ahí se deduce necesariamente que no han podido transcurrir 13700 millones de años para todas las zonas o partes del universo. Al menos desde que se formaron las primeras estrellas y sus respectivos campos gravitatorios, el transcurso del tiempo no puede haber sido homogéneo para todo el universo (si es que Einstein tenía razón).

    • Quizás sea que cuando se dice que el universo comenzó hace Xmillones de años se ha elegido un conjunto de observadores que son los que determinan ese tiempo. En cosmología se puede hacer eso gracias al principio cosmológico y los observadores son los comóviles con la expansión del universo.

      Eso se ha explicado en el blog en alguna ocasión. Así que todo es consistente.

      • ¿Consistente…?

        La expansión del universo implica movimiento en muchas direcciones diferentes, de modo que no puede haber un único sistema de referencia comóvil con toda la expansión del universo (como tampoco puede haber un sistema de referencia comóvil con la batalla de Waterloo). Habría que hablar de muchos sistemas de referencia distintos, cada uno con su propia medida de tiempo. A esto hay que añadir las hipotéticas diferencias temporales debidas a la variación de la gravedad (que es un tema diferente al del movimiento relativo) y el problema de la “relatividad de la simultaneidad” (que haría imposible determinar un mismo instante para todo el universo).

        Lo que realmente ocurre es que al tiempo absoluto newtoniano (el único que verdaderamente funciona) se le llama ahora “tiempo cosmológico” para no reconocer que la Teoría del Big Bang contradice la Relatividad, y poder salvaguardar así los intereses creados en torno al mito de Einstein.

        Esta componenda es demasiado burda, y por ello no cuela, por mucho que los físicos teóricos se hayan puesto de acuerdo en explicarlo así. Es un insulto a la inteligencia de cualquiera.

        • Ajá, pues nada escribe una demostración matemática de lo que dices y me la estudio. Porque hablar es muy fácil. Mira:

          “La cosmología nos engaña porque el universo no pudo expandirse solo ya que no hay fuerzas externas que los extiendan como dijo Newton en referencia a Paracelso.” ¿Ves que fácil es hacer lo que tú haces? El problema, amigo, es que si quieres afirmar algo así, que va en contra de todo lo establecido por teoría y observación, tendrás que aportar algo más que grandes párrafos.

  2. Ya veo que los cosmólogos, así como prestigiosos científicos de la NASA, establecen fechas absolutas en la evolución del Universo desde el Big Bang, demostrando así que ellos no creen realmente en la relatividad del tiempo ni en la “relatividad de la simultaneidad”.

    Por ejemplo, la llamada “radiación de fondo de microondas”, que ha sido detectada por satélites de la NASA, se considera una prueba a favor de la Teoría del Big Bang, y se dice que toda ella fue emitida prácticamente a la vez durante la misma etapa (unos 300.000 años después del Big Bang). Se supone que las partículas primordiales se habían estado moviendo entre sí (durante la primera expansión del Universo) y se habían estado enfriando hasta que, cuando alcanzaron una determinada temperatura, se combinaron para formar los primeros átomos produciendo esa radiación por todo el Universo de forma prácticamente simultánea.

    La Relatividad dice que las partículas en movimiento tienen que experimentar distintos intervalos de tiempo en sus propios sistemas de referencia; para unas habría transcurrido más tiempo desde el Big Bang y para otras menos. Así pues, no podrían haberse enfriado al mismo ritmo, de acuerdo con la Relatividad, y por ello no podrían haber formado los átomos de forma simultánea y en una misma fecha. Además, la formación de esos átomos y la consiguiente emisión de radiación se habría producido en diversos lugares del Universo, y la Teoría de la Relatividad dice que no se puede determinar la simultaneidad de sucesos distantes.

    Creo que los cosmólogos utilizan, por convención, un sistema de referencia que llaman “cósmico” o “cosmológico”, el cual sería el sistema de referencia del propio Big Bang (si no me equivoco), pero la Relatividad no permite que haya un sistema de referencia privilegiado para medir el tiempo. Tal cosa equivaldría, en cierto modo, a volver a la teoría del éter (desechada por Albert Einstein). Además, lo que verdaderamente importa es el tiempo experimentado por las partículas primordiales, que son las que interactúan, y éstas se moverían respecto a ese sistema de referencia cosmológico que se adopta por convención.

    En definitiva, no es posible creer en la validez de la Teoría de la Relatividad (que defiende unos conceptos relativos del tiempo y la simultaneidad) y creer también en la Teoría del Big Bang (que, de forma mal disimulada, se basa en un concepto absoluto y universal del tiempo). Si la radiación de fondo de microondas es una prueba a favor de la Teoría del Big Bang entonces también es una prueba experimental en contra de la Relatividad.

    • Interezantes esos argumentos compañero. Yo venia pemsando en algo asi, pero usted lo explico de una manera bastante clara. Yo añadiria que si los campos funcionan de una manera exotica a temperaturas muy grandes (por ejemplo el big bang) tambien el tiempo podria comportarse de una manera muy diferente en el inicio a lo observado ahora. Teniendo en cienta la inflacion, la aparicion de la gravedad, etc. Si la gravedad afecta el tiempo, ¿como transcurria el tiempo antes de que la gravedad se diferenciara de las otras fuerzas?, si la gravedad en un principio era distinto y por consiguiente el tiempo transcurria diferente, ¿como sabemos que las medidas actuales sobre edad del universo son exactas? Etc, etc, etc.

  3. Pingback: Sí hubo Big Bang | Cuentos Cuánticos

  4. Pingback: El universo saca Bicep2 | Cuentos Cuánticos

  5. Pingback: ¿Tiene defectos el universo? | Cuentos Cuánticos

  6. Pingback: Mira al fondo, verás neutrinos | Cuentos Cuánticos

  7. La verdad que este blog se pone interesante, este es un buen artìculo.
    Nos seguimos leyendo.

  8. Pingback: La historia caliente del universo

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