¿Cuándo empezamos a pensar en la teoría del Big Bang como se la conoce hoy?
En realidad, existe la cuestión de si es posible hablar sobre el origen del universo. Pero en todas las culturas, los humanos parecen tener un impulso innato para tratar de discutir este tipo de preguntas. En la India, esta idea de un universo cíclico infinito pasó en ciclos gigantescos desde el origen hasta la destrucción, desde el origen hasta la destrucción, durante largos períodos de tiempo.
Los aztecas tenían una cosmología que involucra también ciclos gigantescos de creación y construcción. En el occidente cristiano, la gente tenía la idea de que el horizonte de todos los tiempos era más pequeño, unos pocos miles de años, aunque la Biblia en realidad no dice nada específico al respecto.
En el siglo XIX, el geólogo Charles Lyell, que escribió sobre la estratificación de las rocas, dio el primer indicio científico de la edad del mundo. Charles Lyell básicamente le dio a Darwin el regalo del tiempo. Darse cuenta de que la tierra era en realidad mucho más antigua que unos pocos miles de años dio lugar a la teoría de la evolución y amplió el horizonte en el tiempo. Ese es un requisito previo para poder siquiera concebir el origen del universo.
Luego, en 1914, a Einstein se le ocurre la teoría moderna de la gravedad. Esto llevó a los científicos a tratar de comprender si se podía usar esta teoría para pensar en el cosmos como un todo. Una de las cosas sorprendentes que surgen de ese tipo de razonamiento es que te ves forzado a pensar en una imagen en la que el universo tiene que ser dinámico porque la gravedad está constantemente tratando de unirlo.
Para empezar, si miras alrededor del cielo, parece razonablemente estable y estático. No parece que vaya a ninguna parte, ¿verdad? Entonces, la gente inicialmente probó varias formas de construir cosmologías que pueden ser estables y estáticas. Para hacer eso, debes equilibrar el universo exactamente entre una fase de expansión y una fase de contracción. Necesitas equilibrar estas tendencias.
Por ejemplo, puede darle al universal un empujón inicial hacia afuera, como un Big Bang, pero la gravedad intentará unir todo de nuevo. La forma en que compiten el tira y afloja depende de la cantidad de tipo de energía distribuida en el cosmos: materia regular como la que forma las estrellas, energía pura como la luz, materia oscura que no forma estrellas y la llamada energía oscura que puede separar el tejido del espacio-tiempo o tratar de unirlo.
Entonces, los físicos teóricos trataron de averiguar si las leyes de la gravedad y este tipo de energía podrían explicar la estructura aparentemente estática del universo observado.
Y luego una serie de mediciones astronómicas, en particular por Edwin Hubble, demostró definitivamente que a pesar de las apariencias iniciales, el universo a gran escala no es estable ni estático. Más bien, todas las estrellas y galaxias, como se observa ahora, parecen estar separándose unas de otras, como si estuvieran incrustadas en un tejido de espacio-tiempo que se ensancha a medida que pasa el tiempo.
Esto fue una revelación, porque los físicos se dieron cuenta de que si el universo se está expandiendo ahora, si miras la película hacia atrás, antes tenía que ser más pequeño. De hecho, hace unos 13 mil millones de años, toda la materia y la energía del universo tuvieron que amontonarse en densidades increíbles que nunca se han visto en la Tierra. También puedes concluir que el universo habría estado mucho más caliente en esta fase comprimida.
Esto es como lo que sucede si comprimes una bomba de bicicleta; El aire interior se vuelve más caliente porque estás acumulando más energía en un espacio más pequeño. Y cuando las cosas se ponen tan calientes, los procesos microscópicos de la física nuclear e incluso la gravedad cuántica juegan un papel importante debido a las enormes energías involucradas.
Entonces, para resumir, la idea del Big Bang moderno surge porque la Relatividad General hace una predicción: Dada la expansión actual del universo, si corres el tiempo hacia atrás, debes comenzar desde una fase muy comprimida.
En algún momento, el tiempo comienza. Esto no tenía que ser. Podría haber estado muy comprimido para siempre, y el tiempo podría haber sido infinito. Pero la teoría de la gravedad de Einstein predice un comienzo para el tiempo a partir del cual el universo explotará. Ese es el Big Bang.
¿Cuáles son las debilidades de la teoría del Big Bang y nuestra concepción actual del origen del universo?
Implica una extrapolación de las cosas que sabemos y podemos medir en el laboratorio, junto con mediciones bastante inciertas de la tasa de expansión del universo. Personas como Hubble midieron estrellas y galaxias distantes y se dieron cuenta de que se ven como si se estuvieran alejando de nosotros, como una expansión.
Pones esa expansión junto con las ecuaciones de la relatividad general. La física puede predecir hacia adelante en el tiempo y puede predecir hacia atrás en el tiempo. Las ecuaciones te dicen, dado el estado actual, cómo será el futuro. Pero también pueden contarte sobre el pasado. Ya sabes, haz tu elección.
Si asume la teoría de la relatividad de Einstein y hace retroceder la película, el tiempo comienza hace unos 13 o 14 mil millones de años. La pregunta es, ¿deberías creer en una predicción tan descabellada?
Si bien hay excelentes razones para creer en la teoría general de la relatividad (hay mucha evidencia sobre muchas cosas de que funciona bien), en la historia de la ciencia, a menudo ha ocurrido que una teoría bien probada, extrapolada a regímenes muy alejados del región donde se probó, necesitará correcciones de algún tipo.
Estamos extrapolando a regiones que han estado fuera del alcance de los experimentos de laboratorio hasta la fecha, para las cuales no tenemos evidencia observacional directa. Debemos tener en cuenta que esta teoría puede necesitar correcciones, y cosas como la teoría de cuerdas intentan corregirla. Luego están los factores desconocidos que la teoría no incluía, nuevas formas de energía que podrían prevenir la expansión o el encogimiento o podrían estabilizar el universo.
Estoy exponiendo aquí las muchas incertidumbres de la teoría, pero eso es en parte porque ahí es donde están las oportunidades. Si ya estuviera todo hecho, no tendríamos que pensar más en ello.
Los físicos pueden imaginar cosas que hacen que el mundo funcione. Eso es lo que hacemos para un comercio. Imaginamos cosas que serían necesarias para la coherencia lógica del mundo que nos rodea. El artículo alfa-beta-gamma dio por sentada la teoría de Einstein.
Predijeron la abundancia de los elementos primordiales, la relación hidrógeno-helio, lo que resultó ser correcto. Dijeron: ‘Está bien, bueno, si el universo estaba muy caliente, tuvo que haberse enfriado con el tiempo’. Entonces, si se enfría, pondré todo lo que sé sobre física nuclear en el laboratorio para representar la expansión del universo.
A medida que se enfría, la sopa primordial se congelará en quarks, gluones y electrones, y esas cosas se congelarán un poco más, y eventualmente, cuando termine de congelarse, según lo que sé sobre las tasas de reacción nuclear, predigo la siguiente proporción de hidrógeno a helio. Eso es lo que hicieron.
Luego, la teoría procedió a predecir que verás un brillo en el cielo distante a medida que el Big Bang se enfríe a unos pocos grados Kelvin. El descubrimiento de ese brillo, el fondo cósmico de microondas, en la década de 1960, realmente dio en el clavo.
¿Cómo predice que esta teoría evolucionará o se ajustará con el tiempo?
La relación hidrógeno-helio y el fondo cósmico de microondas son dos razones principales para apoyar la teoría del Big Bang. Esas son certezas que estamos viendo ahora. Pero, ¿qué dice Hamlet? -Hay más cosas en el Cielo y en la Tierra, Horatio, de las que sueñas en tu filosofía.
Seguimos descubriendo que nuestras suposiciones sobre la naturaleza del universo son incorrectas o aproximadas.
Las leyes de la física están llenas de leyes que resultan no ser leyes. Resultan ser aproximaciones. Entonces, las leyes de Newton, que todavía llamamos leyes de Newton por respeto a Newton, son aproximaciones a las leyes más generales de la relatividad general y la mecánica cuántica.
Hay una progresión en la ciencia en la que creamos reglas y descripciones de la naturaleza que funcionan extremadamente bien en algún régimen, y luego, a medida que avanzas fuera del régimen, tienes que poder editarlas. Trato de ser consciente de que, si bien la conclusión por defecto es que hubo un big bang, entendido como una singularidad en el espacio y el tiempo, hace unos 13 o 14 mil millones de años.
Puede haber rutas de escape de esa conclusión, si nuestra comprensión de las leyes de la naturaleza o algo en los datos no ha sido completamente correcta.
Cuestionar de dónde vino el cosmos ha sido durante mucho tiempo parte de la especulación humana, en la filosofía y la religión. Los pueblos antiguos dibujaron imágenes en cuevas que involucraban sus cosmologías. Claramente, existe una necesidad humana de hablar sobre los orígenes y la causalidad del universo. Es sorprendente y notable que vivamos en una época en la que existe un enfoque científico para tales preguntas, que podemos usar con cierta confianza.
Solo somos gente pequeña sentada en este pequeño planeta irrelevante de un sistema solar de tamaño muy mediano en el borde de una galaxia sin importancia que es parte de un cúmulo local. Somos una especie de cosas pequeñas, ¿verdad? Y, sin embargo, afirmamos poder decir algo sobre el origen real de todo.
Es increíble que tengamos la esperanza de hacer eso. Pero hay bastante buena evidencia, al menos en bruto, de que esta imagen es correcta: hubo un espacio caliente y denso hace unos 13 mil millones de años, y se ha expandido desde entonces.
La descripción central encaja maravillosamente. La versión aproximada parece correcta. Pero la versión detallada tiene lagunas, por lo que queda mucho por hacer en este proceso de descubrimiento para comprender cómo está organizado el universo y qué hay en él. Hoy en día, las preguntas más importantes involucran la materia oscura, una forma de materia que no se forma. estrellas y energía oscura, una forma de energía que parece estar forzando al universo a separarse a un ritmo cada vez más rápido.
Juntas, estas sustancias parecen constituir alrededor del 96% de la energía del universo y tienen enormes consecuencias para la organización a gran escala del cosmos, su historia pasada y su futuro. La carrera ha comenzado para descubrir qué son la materia oscura y la energía oscura.
Fuente: Universidad de Pennsylvania
