1 de mayo de 2013

Desde el Big-bang hasta el planeta Tierra (II)

El descubrimienmto del Big-bang


 Urknall = Explosión originaria “Big-bang”
Das Echo des Urknalls nach 400 000 Jahren = El eco del Big-bang, después de 400 000 años
Entstehung von Galaxien, Planeten = Formación de galaxias, planetas
Beschleunigte Asudehnung = Expansión acelerada
Inflation = Inflación
Erste Sterne ca. 100 Mio. Jahre = Primeras estrella aprox. 100 millones de años
Ausdehnung des Universums = Expansión del universo 13,7 mio millones de años




Representación del universo desde el Big-bang.  

Al Big-bang le siguió una inflación, las oscilaciones de densidades causadas por esto, forman la base para el actual ordenamiento de la materia (ver más abajo “Los primeros tres minutos” (http://map.gsfc.nasa.gov/)).

El misterio del comienzo del universo iba a ser resuelto por los trabajos de George Gamow. Él estaba versado tanto en física nuclear como en cosmología, y vinculó los nuevos conocimientos sobre la estructuración de la materia con un modelo de su formación. La luz, que usaba el matrimonio Huggins y Hubble, para la medición de la velocidad de las estrellas y galaxias, originalmente fue usada para investigar la naturaleza de la materia en el espacio. Igual que una huella digital, los elementos químicos tienen un espectro de luz específico, con los cuales se les puede identificar. Por esto se sabía que el universo se componía de un 99,9% de Hidrógeno y Helio en la razón de 10 a 1. En 1909 Ernest Rutherford, diseñó un modelo atómico, según el cual el átomo se componía de un núcleo de carga positiva que estaba rodeado por electrones de carga negativa. El núcleo estaría compuesto por protones, a los cuales le debe su carga positiva y neutrones. Con este modelo era explicable la radiactividad descubierta en 1896, y prontamente también eran comprensibles los procesos de la fisión nuclear y la fusión nuclear. Finalmente también se comprobó, que la producción de energía solar se basa en la fusión de átomos de Hidrógeno a Helio, donde se pierde algo de masa, que según la fórmula de Einstein E = mc2 es transformada en energía. Gamow ahora seguía al universo en expansión, pero en sentido opuesto “hacia atrás”, o sea, en estados cada vez más pequeños, y pensaba, que podría suceder. Su conclusión: Se haría cada vez más caliente, y finalmente los átomos se desintegrarían en sus componentes – la energía sería demasiada alta para poder mantenerlos juntos. Entonces intentó reconstruir este proceso -  la expansión - en la “dirección correcta”. Los cálculos que realizaba él y Ralph Alpher, duraron años, pero finalmente descubrieron, que debía formarse Hidrogeno y Helios en la razón de 10 a 1 – exactamente la verdadera relación. 


La idea de un universo inicial diminuto parecía ser correcta; el 99,9% de la materia era posible explicarse de esta manera. Ralph Alpher, junto con su colega Robert Herman, se ocuparon con una consecuencia diferente. A muy altas temperaturas la materia se presenta como plasma, una mezcla de núcleos atómicos y electrones separados de ellos. Los electrones interactuaban con  la luz; el universo prístino habría sido opaco. Pero cuando comenzó a enfriarse el universo, se formaron átomos eléctricamente neutros, que no causaban una propagación  de la luz – el universo se hizo transparente. La teoría de Alpher y Herman de q948: Esta radiación aun hoy debería ser demostrable, y a ser en forma de radiaciones de microondas, ya que el largo de las ondas de la luz habría aumentado con le expansión del universo.

Que este modelo sólo fue considerado seriamente por unos pocos científicos, se debía a que nadie se dedicaba a la búsqueda de esta radiación. En vez de esto, Fred Hoyle  desarollaba el contra modelo de un “Steady-state” universo, que se encontraba en un equilibrio dinámico: Constantemente y en todas partes se crea nueva materia en el universo, por esto el supuesto estado inicial de Gamow y colegas, no era necesario. Hoyle, en un programa radial, llamó a este estado inicial burlonamente como “Big-bang” – y con esto, involuntariamente le dio un nombre al modelo de la competencia. Avances en la medición de distancias mostraron en los años siguientes, que el universo era más grande que lo anteriormente medido; la galaxia de Andrómeda se encuentra una distancia de más de dos millones de años luz y no a 900.000, cómo lo midió Hubble (Con esto, para los seguidores de la teoría del Big-bang, también era más antiguo, ya que el momento de la formación, o sea la edad del universo, es posible calcularlo a partir de la velocidad de la expansión y las actuales distancias de las estrellas. Ver: Desde el Big-bang hasta la Tierra (IV)

 Hoyle no sólo le dio el nombre a la explosión originaria, él también respondió a otra pregunta: En sus investigaciones de ciclo de vida de las estrellas descubrió, que al final de la vida de una estrella, en las fusiones nucleares se formaban los elementos pesados – los elementos que  formaban el faltante 0,1 % de la masa. Los siguientes aportes a la teoría del Big-bang, lo daba la radioastronomía de reciente aparición. Fue más bien una casualidad el descubrimiento, que los objetos en el espacio. Fuera de la luz también emitían ondas de radio. Después de la segunda guerra mundial, se pudo mostrar, que muchas fuentes radiales, en el borde del universo, evidentemente eran galaxias jóvenes – un argumento para la teoría del Big-bang, pues de acuerdo al modelo Styeady-state, las galaxias jóvenes deberían estar distribuidas en forma pareja por el universo. Y finalmente en 1964 los dos radio astrónomos Arno Penzias y Robert Wilson, se dieron cuenta, que una emisión  de ondas radiales, que durante más de un años creían que era una interferencia y que trataron de eliminar, era en realidad era redición de microondas predicha en 1948 por Alpher y Herman. Este descubrimiento fue una sensación, ya que su existencia no es explicada por ninguna otra teoría que la del Big-bang: Que con esto se convirtió prontamente en el modelo estándar de la cosmología.  

Una última pregunta abierta pudo ser respondida en 1992: Para poder explicar la formación de las galaxias, deben existir oscilaciones en la radiación de fondo, que sugieren variaciones de densidades en el universo prístino las, que según la teoría de la inflación, se debían a fluctuaciones cuánticas en el vacío poco antes de la inflación, que se abultaron por la, inflación. La consecuencia: En las zonas más densas la gravitación pudo haber contraído materia, de la cual finalmente se pudieron forma galaxias. Efectivamente  estas oscilaciones pudieron ser medidos por el satélite COBE (COBE = Cosmic Background and Explorer), una nueva confirmación del modelo del Big-bang.

El Big-bang y la formación del universo

Muchos científicos, que trabajan en una explicación científica del universo, por ejemplo Isaac Newton o Albert Einstein, como cristianos o judíos creían en Dios: Su ambición no consistía en abolir al creador son explicar su procedimiento. Pero sus resultados desplazaron a Dios hacia el trasfondo – la creación duró mucho más de lo pensado. Con el Big-bang los científicos  crearon ahora su propio mito de la creación: El Big-bang es el momento en el cual se originó el universo y que fue la causa de su expansión. Hoy los astrofísicos pueden describir la historia del universo a partir de una mínima fracción de segundo después del Big-bang. Antes de esto el universo era mucho más pequeño que un átomo e infinitamente caliente  (¿Cuán pequeño es un átomo? El físico Richard Feynman lo ha descrito de la siguiente manera: Si se agranda una manzana al tamaño de la Tierra, entonces  sus átomos tienen el tamaño de una manzana) – y a un universo así no es posible describirlo con las actuales teorías físicas (Aquí valen las leyes de la mecánica cuántica: La mecánica cuántica da resultados razonables, pero recién a partir del tal llamado largo de Planck y tiempo de Planck (Ver abajo: Los tres primeros minutos). De todos modos es controversial, si las leyes de la física ya  existían antes del Big-bang o aparecieron junto con el universo – entonces para su explicación, de todos modos serían irrelevantes. En el actual estado de conocimientos científicos, en todo caso el intento de un respuesta a la pregunta, cómo y dónde se originó el Big Bang – quizás las teorías, según las cuales, el universo es sólo una parte de un “multiverso”, en el cual los universos al final de sus existencias se precipitan sobre si mismos y luego respectivamente comenzar a expandirse nuevamente con un Big-bang y que el Big-bang ni fue el comienzo – es más bien un tema para la metafísica o la teología, que para la física. La pregunta por el comienzo no está resuelta, pero ya para una minúscula fracción de un segundo, la ciencia ya tiene una imagen exacta.  

Los tres primeros minutos 

Según esto el diminuto y infinitamente caliente universo se componía de neta “fuerza originaria” – de energía. Con la disminución de la temperatura sucedió algo, que visualmente se podría comparar con la condensación de vapor de agua a agua líquida; cómo el agua se convierte de vapor a líquido, en el universo primigenio  cambó el estado de la fuerza originaria. Después de 0,000000000000000000000000000000000000000001 segundos (El tiempo de Planck, también 10-43 segundos) el espacio-tiempo y la gravitación se habían separado de la total abarcadora fuerza originaria. Las demás, de las tres actuales fuerzas naturales, aun estaban unidas en una “súper fuerza”. Después de 10-38 segundos se separó la fuerza nuclear fuerte, resta una “fuerza de cohesión débil”. Según la teoría de expansión de Alan Guth, en esta pequeña fracción de segundo el universo se expandió extremadamente rápido (impulsado seguramente por la energía que se liberó al desintegrarse la “súper fuerza”) lo que no queda claro hasta que tamaño llegó el universo con esta expansión  (en base a la finita velocidad de la luz, máximo sólo podemos investigar un radio de 13,7 mil millones de años luz, el “universo observable”; los datos de los satélites COBE y WMAO, sugieren, que el universo es varias miles de veces más grande). Durante la inflación se formaron diversas partículas exóticas –los físicos en base a la multiplicidad hablan de un zoológico de partículas – son aquellas partículas que son investigadas mediante aceleradores de partículas cada vez más costosos. A estas partículas pertenecen partículas sin masa, cómo los percusores de los fotones, pero también ya partículas con masa. El efecto de la gravitación sobre estas partículas frenó  la extremadamente veloz expansión, que luego continuaba comparativamente en forma más lenta. Con al aumento del enfriamiento, se produjeron las formas  de energía y materia, que conocemos hoy: En menos de 1/1.000.000.000 segundos después del Big-bang de esta “condensación”  de energía (según la famosa fórmula de Einstein E = mc2 materia no es otra cosa que energía condensada) se los Quarks de los cuales posteriormente se iban a forma los núcleos atómicos. Con la transformación, sin embargo, aparecieron dos formas la para nosotros conocida materia y la antimateria – esta posee la misma masa pero una carga eléctrica opuesta. En la disociación  de la fuerza de cohesión fuerte se produjo una “rompimiento de la simetría”. Con lo cual se puede explicar  el actual superávit de la materia normal frente a la antimateria –como funcionó esto y cuales fueron su causa, son una de las grandes preguntas no respondidas hasta ahora de la cosmología (Pero este rompimiento de simetría es una hermosa justificación para la frase  del entrenador de baseball norteamericano Yogi Berra: “si el mundo fuera perfecto, no existiría”). Al poco tiempo después, se disoció la fuerza de cohesión débil y con esto se dieron las actuales 
cuatro fuerzas fundamentales. 

Cuando el universo se enfrió hasta aprox. 2 billones de grados unos cienmilésimas de segundo después del Big-bang -, se allegaron quarks de a tres, antiquarks respectivamente, bajo la influencia de la fuerza de cohesión fuerte, formando protones y neutrones, respectivamente antiprotones y antineutrones. Cuando colisionan partículas de materia con partículas de antimateria, se exterminan con un destello de luz. Pero debido al “rompimiento simétrico” se había formado un algo más de materia que antimateria, sobró un resto de materia – y esta es la materia que conforma hoy al universo. Los neutrones, con la disminución de la temperatura ahora son desgarrados por la fuerza de cohesión débil. Su salvación es, que dos minutos después del Big-bang y a una temperatura de “sólo” un mil millones de grados son unidos los protones y los neutrones por la fuerza de cohesión fuerte, sí se forman los primeros núcleos atómicos; ante todo núcleos del elemento Hidrógeno (un protón) y Helio (dos protones) y en casos raros también él de los elementos Litio y Berilio. Cinco minutos después había finalizado la formación de los núcleos atómicos; la actual relación de Hidrógeno a Helio, en el universo, estaba en gran medida afianzado (la posterior conversión a otro tipo de elementos dentro de las estrellas, casi no cambió nada, ver abajo). En el entretanto se había formado otras clases de partículas elementales: Los electrones, y su antimateria (positrones). También estos se aniquilaron entre si, al igual que la materia anterior – y nuevamente hasta un pequeño resto, esta vez de electrones. Los electrones de carga negativa, interactuaban con las partículas de luz, que habían surgido de la aniquilación mutua de materia y antimateria; el universo era opaco. Dado que la radiación en este período fue tan determinante, a esta época en la cosmología se llama “era de radiación”.


Aparecen los primeros átomos


Después de unos 380 000 el universo se enfrío a unos par de miles de grados. Las partículas perdieron tanta energía, que ahora la fuerza electromagnética pudo unir a los núcleos atómicos con los electrones: Se formaron átomos de  Hidrógeno y Helio cómo trazas de Litio y Berilio. Estos átomos eran eléctricamente neutrales y ya no interactuaban con la luz  – ahora pudo dispersarse. Si para aquel entonces hubiese existido algún observador, este habría visto un destello de luz roja. A este proceso también se describe como un “desacoplamiento de materia y radiación”, comienza la “era de la materia” que está marcada por la formaci’on de estructuras como galaxias.     

Esta destellante luz, así afirmaron los teóricos del Big-bang, aun hoy debería ser comprobable, pero debido a la expansión del universo, las ondas deben haberse alargadas. Ellos tenían razón: Es la radiación de microondas descubierta por Penzias y Wilson. Mientras tanto se enfrió hasta 2,725 Kelvin (aprox. 270 °C bajo cero) y es llamada “radiación  de fondo cósmica”. Las diminutas variaciones de temperatura que fueron detectados por el satélite COBE, mientras tanto fueron  confirmados por el 35 veces más exacto satélite WMAP, las así evidenciadas variaciones de densidades de 380 000 años después del Big-bang, fueron el punto de partida para la formación  de las galaxias.






Las oscilaciones de temperaturas en el universo temprano, según las mediciones del satélite WMAP: Azul son zonas más frías, rojo las más calientes. Imagen de equipo de ciencias del NASA/WMAP (http://map.gsfc.nasa.gov/).


¿Corresponde a la realidad el modelo del Big-bang?


Antes los astrónomos creían, que el Sol giraba l rededor de una Tierra en reposo – una teoría exitosa, ya que gracias a los epiciclos de Tolomeo podían explicar las órbitas de los planetas. Cuando se inventó el telescopio y galileo veía las fases de Venus, no había una explicación para ello. Nuevas observaciones exigen una nueva teoría – y el Solo fue reconocido como el centro del sistema solar. Newton nos proporcionó la solución para esto, pero posteriormente esto no se podía compatibilizar con la teoría del electromagnetismo de Maxwell – esto lo hizo posible la teoría de la relatividad de Einstein. Así funciona la ciencia: las teorías explican los hechos conocidos; y nuevos descubrimientos pueden destapar debilidades de la teoría y los nuevos enfoques pueden ayudar al éxito de nuevos enfoques. También el modelo del Big-bang se basa en una teoría, la teoría de la relatividad de Einstein.


El modelo del Big-bang, es ampliamente aceptado, ya que puede explicar muchas de las propiedades del universo: La expansión, la radiación de fondo y la composición de la materia. Pero aún no se han respondido a todas las preguntas: No está explicada el rompimiento de la simetría, que llevó a que hay más materia que antimateria. También el universo es poco conocido, piénsese sólo en la materia  y la energía oscura. Ya sería sorprendente que futuros descubrimientos tampoco podrían dar sugerir ideas de su formación. Estos ayudarían a continuar con el desarrollo del modelo del Big-bang – reemplazarlo por uno mejor.-

Aún existe el problema central de la física teórica: La teoría general de la relatividad pareciera ser incompatible con la mecánica cuántica, el segundo pilar de la física.

Nuestra comprensión sobre las fuerzas naturales evidentemente aún es incompleta:, una solución para este problema debería modificar también el modelo del Big-bang. Hoy ya se especula, si existe una causa para el Big-bang o si esta pregunta carece de sentido, debido a que el principio de la indeterminación de la mecánica cuántica, que rompe el principio acostumbrado que todo efecto deba tener una causa. ¿Y si existe una causa, en principio es posible reconocerla o no? Pero estas cuestiones abiertas no significan que nuestros actuales conocimientos sean falsos. Muchas veces antiguos conocimientos están contenidos en los nuevos descubrimientos: Las ecuaciones de Newton se siguen usando en todas aquellas partes, donde masas o velocidades extremas  causan efectos relativistas significativos. También la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, se han acreditado tantas veces, que no pueden ser falsas; La contradicción recién se manifiesta en presencia de dimensiones extremas de un largo de Planck (10-33 cm) – el universo en la primera fracción de segundo después del Big-bang, tenia esta dimensión, el tiempo de Planck; y esto es suficiente para estimular a la física: Por esto siguen buscando la “fórmula mundial” (o más simple, la búsqueda de una teoría gravitacional cuántica unificada).


Para esta búsqueda existen dos enfoques importantes. La teoría de las cuerdas, según la cual las partículas son una especie de cueras oscilantes. Ya que estas tienen una amplitud, el universo durante el Big-bang era muy pequeño – pero no infinitamente pequeño. Pero esta teoría sólo f8nciona si el universo tiene once dimensiones. La cuestión es entonces, si estas dimensiones sólo son un medio auxiliar matemático o si son reales. Si son reales., nuestro universo conocido sólo sería la punta de un iceberg. Entonces también podría existir un “antes del Big-bang”. El Big-bang no sería más que uno de varios  un universo, que se expande y se contrae en un universo mayor. Alternativamente también podría forma parte de un “multiverso”, en el cual los universos se forman cómo burbujas de espuma en un baño de pompas de jabón (estas ideas fueron alentadas, ya que para la teor+i8a de las cuerdas existen innumerables soluciones, y para muchos fiscos cada solución podría valer por cada universo).-
Laña otra alternativa es la gravedad cuántica de bucles, según la cual el espacio y el tiempo no son continuos, sino que a la escala más pequeña se desintegran en cuantas (“átomos espacio-tiempo). Lleva a res8ltados parecidos: A densidades extremadamente altas la gravitación se vuelve repelente, y esta gravitación repelente debió haber causada la expansión del espacio. Por lo tanto ni hubo una “explosión originaria”, que existió antes del universo, sino que la extrema alta densidad pudo haber sido el resultado de un universo más antiguo que colapsó.

 Fuente: http://www.oekosystem-erde.de



Traducido del alemán por A. Gundelach con la gentil autorización de su autor el biólogo Jürgen Paeger





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