Historia de la teoría del Big Bang
La historia de la teoría del Big Bang comienza con las observaciones y las consiguientes reflexiones teóricas que fueron conformando dicha teoría. Gran parte del trabajo teórico de la cosmología se centra en estos momentos en profundizar y mejorar el modelo básico del Big Bang.
| Cosmología física | ||
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| Universo primitivo | Teoría del Big Bang · Inflación cósmica · Nucleosíntesis primordial | |
| Expansión | Expansión métrica del espacio · Expansión acelerada del Universo · Ley de Hubble · Corrimiento al rojo | |
| Estructura | Forma del universo · Espacio-tiempo · Materia bariónica · Universo · Materia oscura · Energía oscura | |
| Experimentos | Planck (satélite) · WMAP · COBE | |
| Científicos | Albert Einstein · Edwin Hubble · Georges Lemaître · Stephen Hawking · George Gamow | |
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Filosofía antigua y finitismo temporal medieval
En la filosofía medieval, se debatió sobre si el universo tuvo un pasado finito o infinito (ver finitismo temporal). En la filosofía de Aristóteles encontramos que el universo tuvo un pasado infinito, lo que causó problemas a los filósofos judíos e islámicos en la época medieval, ya que no podían conciliar la concepción aristotélica de lo eterno con la visión de Abraham de la creación.[1] Por esta razón, una gran variedad de argumentos lógicos que fundamentaban un universo que tiene un pasado finito fueron propuestos por John Philoponus, Al-Kindi, Saadia Gaón, Al-Ghazali e Immanuel Kant, entre otros.
En el tratado De Luce (De la luz) 1225, del teólogo inglés Roberto Grosseteste, se abordó la naturaleza de la materia y del cosmos. En dicho tratado se describe el nacimiento del universo como en una explosión y la subsiguiente cristalización de la materia para formar las estrellas y los planetas en un conjunto de esferas anidadas alrededor de la Tierra." De Luce" fue el primer intento de describir los cielos y la Tierra utilizando un único conjunto de leyes físicas.
En 1610, Johannes Kepler empleó el argumento de la oscuridad del cielo nocturno para demostrar su teoría en favor de un universo finito. Setenta y siete años más tarde, Isaac Newton describió el movimiento a gran escala en todo el universo.
La descripción de un Universo que se expande y contrae de manera cíclica fue presentada por vez primera en un poema publicado en 1791 por Erasmus Darwin. Edgar Allan Poe presentó un sistema cíclico similar en su ensayo titulado Eureka en 1848: se trataba de un poema en prosa, que aun siendo obvio que no era un trabajo científico, pretendía, a partir de principios metafísicos, explicar el universo usando el conocimiento físico y astronómico de su época. Ignorado por la comunidad científica y, a menudo mal entendido por los críticos literarios, sus implicaciones científicas se han empezado a considerar en los últimos tiempos.
Según Poe, el estado inicial de la materia era una sola "partícula primordial": el "Querer Divino", que manifestándose como una fuerza repulsiva, fragmenta la partícula primordial en átomos. Estos átomos se reparten uniformemente por todo el espacio, hasta que deja de haber fuerza de repulsión y atracción y aparece una de reacción: la materia comienza a agruparse formando estrellas y sistemas de estrellas, en tanto que el universo material se comprime de nuevo por la gravedad, que termina colapsándose para finalmente volver a la fase inicial de partícula Primordial para iniciar el proceso de repulsión y atracción de nuevo. En esta parte de Eureka describe un universo en evolución newtoniana que comparte varias propiedades con modelos relativistas, y por esta razón Poe anticipa algunos temas de la cosmología moderna.[2]
Desarrollos científicos principios del siglo XX
En la década de 1910, Vesto Melvin Slipher y más tarde, Carl Wilhelm Wirtz, determinaron que la mayoría de nebulosas espirales (ahora llamadas correctamente galaxias espirales) se alejaban de la Tierra. Slipher utiliza la espectroscopia para observar los períodos de rotación de los planetas, la composición de las atmósferas planetarias, y fue el primero en observar las velocidades radiales de las galaxias. Wirtz observó un corrimiento al rojo sistemático de las nebulosas, que eran difíciles de interpretar en términos de una cosmología en la que el universo está lleno de estrellas y nebulosas más o menos uniformemente. Pero no fueron conscientes de sus implicaciones cosmológicas, ni de que las supuestas nebulosas fueran en realidad galaxias que se encuentran fuera de nuestra propia Vía Láctea. [Cita requerida]
También en esa década, apareció la teoría de la relatividad general de Albert Einstein que admitía, sin soluciones cosmológicas estáticas, los supuestos básicos de la cosmología descritos en los fundamentos teóricos del Big Bang. El universo (es decir, el espacio-tiempo métrico) fue descrito como un «tensor métrico», que se expandía o contraía (es decir, no era constante o invariable). Este resultado, obtenido desde una evaluación de las ecuaciones de campo de la teoría general, en un primer momento llevó el propio Einstein a considerar que su formulación de las ecuaciones de campo en la teoría general estaban equivocadas y trató de corregirlo agregando una constante cosmológica . Esta constante retomaría la descripción de la teoría general del espacio-tiempo como un tensor métrico invariante para el tejido del espacio /tiempo existente. La primera persona que aplicó seriamente la relatividad general a la cosmología sin la constante cosmológica fue Alexander Friedmann. Friedmann formuló la solución de un universo en expansión con las ecuaciones de campo de la relatividad general en 1922. En 1924 los trabajos de Friedmann incluye "Über die Welt mit einer Möglichkeit KONSTANTER negativer Krümmung des Raumes" (Acerca de la posibilidad de un mundo con curvatura negativa constante) que fue publicado por la Academia de Ciencias de Berlín el 7 de enero de 1924.[3] Las ecuaciones de Friedmann describen el universo Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.
Por otro lado, en 1927, el sacerdote católico belga Georges Lemaître propone un modelo de expansión para el universo para explicar los desplazamientos al rojo observados en nebulosas espirales, y calculó la ley de Hubble. Basó su teoría en el trabajo de Einstein y De Sitter, e independientemente dedujo las ecuaciones de Friedmann para un universo en expansión. Asimismo, el desplazamiento al rojo en sí mismo no eran constante, pero varia en la forma, y llegó a la conclusión de que no había una relación clara entre cantidad de desplazamiento al rojo de las nebulosas, y la distancia de los observadores.
En 1929, Edwin Hubble proporcionó una base observacional integral para la teoría de Lemaître. Las observaciones experimentales que Hubble llevó a cabo descubrieron que, en relación con la Tierra y todos los demás objetos observados, las galaxias se alejan en todas direcciones a velocidades (calculándolo a partir de los corrimientos al rojo observados) que son directamente proporcionales a su distancia de la Tierra y entre sí. En 1929, Hubble y Milton Humason formularon la ley del corrimiento hacia el rojo en relación con la distancia de las galaxias, hoy en día conocida como la ley de Hubble, por la cual una vez que el corrimiento al rojo se interpreta como una medida de la velocidad de recesión, es compatible con las soluciones de las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein para un crecimiento homogéneo e isotrópico del espacio. La naturaleza isotrópica de la expansión era una prueba directa de que es el espacio (el tejido de la existencia) el que se está expandiendo, no los cuerpos en el espacio, que simplemente se mueven hacia fuera en un espacio vacío preexistente infinitamente más grande. Fue esta interpretación la que llevó al concepto de la expansión del universo. La ley establece que cuanto mayor sea la distancia entre dos galaxias, mayor es su velocidad relativa de separación. Este descubrimiento dio lugar más adelante a la formulación del modelo del Big Bang. [Cita requerida]
En 1931, Lemaître propone en su "hypothèse de l'atome primitif" (hipótesis del átomo primitivo) que el universo comenzó con la "explosión" del "átomo primigenio" - lo que más tarde fue llamado el Big Bang. Esto constituía un curioso (y revolucionario) planteamiento filosófico: una gran nada, más allá del espacio y el tiempo, contenía el potencial de todo lo que existe, ha existido o existirá. Uno de los principales fundamentos de la teoría, para Lemaître, consistía en que los rayos cósmicos eran los restos del Big Bang, pero actualmente se sabe que estos se originan dentro de la galaxia local. Lemaître tuvo que esperar hasta poco antes de su muerte para conocer del descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas: la radiación remanente de una fase densa y caliente en el universo temprano.[4]
La teoría del Big Bang vs Teoría del Estado Estacionario
La Ley de Hubble sugiere que el universo se está expandiendo, lo que contradice el principio cosmológico mediante el cual el universo, cuando se ve en escalas de distancia lo suficientemente grandes, no tiene direcciones preferentes o lugares preferidos. La idea de Hubble dio lugar a dos hipótesis opuestas:
- La primera era el Big Bang de Lemaitre, defendido y desarrollado por George Gamow.
- La segunda era la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle, en la que la nueva materia se crea en las galaxias que se alejan unas de otras. En este modelo, el universo es más o menos el mismo en cualquier punto en el tiempo. En realidad, fue Hoyle quien acuñó el nombre de la teoría de Lemaître, refiriéndose a ella como "la idea" big bang "" durante un programa de radio el 28 de marzo de 1949, en el tercer programa de la BBC.
Cuando el modelo del Big Bang se admitió como algo evidente, y el consenso se generalizó, el propio Hoyle, aunque algo renuente, lo aceptó mediante la formulación de un nuevo modelo cosmológico al que otros científicos se refirieron más tarde como la "constante de Bang".[5]
1950 a 1980
Desde 1950 a 1965, el apoyo a estas teorías se dividía a partes iguales, con un ligero desequilibrio que surge del hecho de que la teoría del Big Bang aclaraba tanto la formación como la abundancia observada de hidrógeno y helio, mientras que el Estado Estacionario explicaba el modo en que se formaron, pero no la razón de la abundancia de dichos elementos. Sin embargo, la evidencia en observar comenzó a apoyar la idea de que el universo evolucionó a partir de un estado denso y caliente. Se observaron objetos como cuásares y galaxias de radio que eran mucho más comunes a grandes distancias (por lo tanto, en el pasado distante) que en el universo cercano, mientras que el Estado Estacionario predecía que las propiedades medias del universo deben ser inmutables en el tiempo. Además, el descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas en 1965 se consideró la sentencia de muerte del estado estacionario, aunque esta predicción fue sólo cualitativa, y no pudo predecir la temperatura exacta del CMB. (La predicción clave del big bang es el espectro del cuerpo negro del CMB, que no se midió con gran precisión hasta el satélite COBE en 1990). Después de algún reformulación, el Big Bang ha sido considerada como la mejor teoría del origen y evolución del cosmos. Antes de finales de 1960, muchos cosmólogos pensaban que la singularidad infinitamente densa y físicamente paradójica en el momento de inicio del modelo cosmológico de Friedmann podría evitarse al permitir un universo que se contrae antes de entrar en el estado denso y caliente, y comenzando a expandirse de nuevo. Esto se formalizó como universo oscilante de Richard Tolman. En los años sesenta, Stephen Hawking y otros demostraron que esta idea era inviable, [cita requerida] y la singularidad es una característica esencial de la física descrita por la gravedad de Einstein. Esto llevó a la mayoría de los cosmólogos a aceptar la idea de que el universo actualmente descrito por la física de la relatividad general tiene una edad finita. Sin embargo, debido a la falta de una teoría de la gravedad cuántica, no hay manera de demostrar si la singularidad es un punto de origen real para el universo, o si los procesos físicos que lo rigen provocan que el universo sea efectivamente eterno en su esencia.
Hacia los años 1970 y 1980, la mayoría de los cosmólogos aceptan el Big Bang, pero varias incógnitas permanecieron, incluyendo el no-descubrimiento de anisotropías en el CMB, y observaciones ocasionales que insinuaban desviaciones de un espectro del cuerpo negro. Así, la teoría no se confirmó totalmente.
De 1990 en adelante
En 1990, las mediciones desde el satélite COBE mostraron que el espectro de la CMB coincide con un cuerpo negro 2.725 K a muy alta precisión, desviaciones que no superan 2 partes por 100 mil. Esto mostró que las alegaciones anteriores de desviaciones espectrales no eran correctas, y, además que el universo fue caliente y denso en el pasado, ya que ningún otro mecanismo conocido puede producir un cuerpo negro con esa gran precisión. Otras observaciones del COBE en 1992 descubrieron pequeñas anisotropías del CMB a grandes escalas, aproximadamente como se predijo a partir de modelos del Big Bang con materia oscura. A partir de entonces, los modelos de cosmología no estándar sin el modelo del Big Bang se hicieron muy poco frecuentes en las revistas de astronomía general.
Grandes avances en la cosmología del Big Bang se realizaron a finales de 1990 y principios del siglo XXI, como resultado de importantes adelantos en la tecnología del telescopio en combinación con enormes cantidades de datos procedentes del Telescopio Espacial Hubble. En 1998, las mediciones de supernovas distantes indicaron que la expansión del universo se está acelerando, junto con el apoyo de otras observaciones, incluidas las del CMB en la tierra y las grandes encuestas sobre el corrimiento al rojo de las galaxias. De 2003 a 2010, el WMAP de la NASA tomó fotos muy detalladas del universo por medio de la radiación del fondo cósmico de microondas. Las imágenes se pueden interpretar para indicar que el universo es de 13,7 mil millones de años ( con un uno por ciento de error) y que el modelo Lambda-CDM y la teoría inflacionaria son correctos. Ninguna otra teoría cosmológica puede explicar todavía una gama tan amplia de parámetros observados, como la relación de las abundancias elementales en el universo temprano o la estructura del fondo cósmico de microondas, la mayor abundancia observada de los núcleos activos de galaxias en el universo primigenio y las masas de los cúmulos de galaxias.
Gran parte del trabajo actual en cosmología incluye la comprensión de cómo se forman las galaxias en el contexto del Big Bang, la comprensión de lo que sucedió en los primeros tiempos después del Big Bang, y la conciliación de las observaciones con la teoría básica. Los cosmólogos continúan calculando muchos de los parámetros del Big Bang hasta un nuevo nivel de precisión, y llevan a cabo observaciones más detalladas que se espera proporcionen más pistas sobre la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura, y probar la teoría de la Relatividad General a escalas cósmicas.
Referencias
- Seymour Feldman (1967). "Gersonides' Proofs for the Creation of the Universe". Proceedings of the American Academy for Jewish Research (Proceedings of the American Academy for Jewish Research, Vol. 35) 35: 113–137. doi:10.2307/3622478. JSTOR 3622478.
- Cappi, Alberto (1994). "Edgar Allan Poe's Physical Cosmology". Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 35: 177–192. Bibcode:1994QJRAS..35..177C.
- Friedman, A. (1922). "Über die Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik 10 (1): 377–386. Bibcode:1922ZPhy...10..377F. doi:10.1007/BF01332580.(English translation in: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 1991–2000.) and Friedman, A. (1924). "Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik 21 (1): 326–332. Bibcode:1924ZPhy...21..326F. doi:10.1007/BF01328280.(English translation in: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 2001–2008.)
- "Georges Lemaître, Father of the Big Bang". American Museum of Natural History.
- Rees, M., Just Six Minutes, Orion Books, London (2003), p. 76