La historia de la teoría del Big Bang comenzó con el desarrollo del Big Bang a partir de observaciones y consideraciones teóricas. Gran parte del trabajo teórico en cosmología ahora involucra extensiones y refinamientos al modelo básico del Big Bang.
La filosofía antigua y medieval finitismo temporal [ editar ]
En la filosofía medieval , hubo mucho debate sobre si el universo tenía un pasado finito o infinito (ver finitismo temporal ). La filosofía de Aristóteles sostenía que el universo tenía un pasado infinito, que causó problemas a los filósofos judíos e islámicos medievales que no pudieron reconciliar la concepción aristotélica de lo eterno con la visión de Abraham de la creación . [1] Como resultado, una variedad de argumentos lógicos para que el universo tenga un pasado finito fue desarrollado por John Philoponus , Al-Kindi , Saadia Gaon , Al-Ghazalie Immanuel Kant , entre otros. [2]
En su tratado de Luce ( Sobre la luz ) de 1225 , el teólogo inglés Robert Grosseteste exploró la naturaleza de la materia y el cosmos. Describió el nacimiento del universo en una explosión y la cristalización de la materia para formar estrellas y planetas en un conjunto de esferas anidadas alrededor de la Tierra. De Luce es el primer intento de describir los cielos y la Tierra utilizando un único conjunto de leyes físicas. [3]
En 1610, Johannes Kepler usó el oscuro cielo nocturno para defender un universo finito. Setenta y siete años después, Isaac Newton describió el movimiento a gran escala en todo el universo.
La descripción de un universo que se expandió y se contrajo de manera cíclica se presentó por primera vez en un poema publicado en 1791 por Erasmus Darwin . Edgar Allan Poe presentó un sistema cíclico similar en su ensayo de 1848 titulado Eureka: A Prose Poem ; obviamente no es un trabajo científico, pero Poe, aunque partiendo de principios metafísicos, trató de explicar el universo utilizando el conocimiento físico y mental contemporáneo. Ignorado por la comunidad científica y, a menudo, mal interpretado por los críticos literarios, sus implicaciones científicas han sido reevaluadas en los últimos tiempos.
Según Poe, el estado inicial de la materia era una sola "Partícula Primordial". La "Volición divina", manifestándose como una fuerza repulsiva, fragmentó la Partícula Primordial en átomos. Los átomos se distribuyen de manera uniforme en todo el espacio, hasta que la fuerza de repulsión se detiene y la atracción aparece como una reacción: entonces la materia comienza a agruparse formando estrellas y sistemas estelares, mientras que el universo material se vuelve a unir por la gravedad, finalmente colapsa y termina por volver finalmente a la Etapa de Partícula Primordial para comenzar de nuevo el proceso de repulsión y atracción. Esta parte de Eureka describe un universo evolutivo newtoniano que comparte una serie de propiedades con modelos relativistas, y por esta razón Poe anticipa algunos temas de la cosmología moderna. [4]
Desarrollos científicos de principios del siglo XX [ editar ]
Como observación, en la década de 1910, Vesto Slipher y más tarde, Carl Wilhelm Wirtz , determinaron que la mayoría de las nebulosas espirales (ahora llamadas correctamente galaxias espirales ) se estaban retirando de la Tierra. Slipher utilizó la espectroscopia para investigar 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 desplazamiento al rojo sistemático de las nebulosas, que era difícil de interpretar en términos de una cosmología en la que el universo se llena más o menos uniformemente con estrellas y nebulosas. No estaban conscientes de las implicaciones cosmológicas, ni que las supuestas nebulosas eran en realidad galaxias fuera de nuestra propia Vía Láctea . [ cita requerida]
También en esa década, se encontró que la teoría de la relatividad general de Albert Einstein no admite soluciones cosmológicas estáticas , dados los supuestos básicos de la cosmología descritos en los fundamentos teóricos del Big Bang . El universo (es decir, la métrica del espacio-tiempo) fue descrito por un tensor métrico que se estaba expandiendo o encogiendo (es decir, no era constante ni invariante). Este resultado, proveniente de una evaluación de las ecuaciones de campo de la teoría general, al principio llevó al propio Einstein a considerar que su formulación de las ecuaciones de campo de la teoría general puede estar equivocada, y trató de corregirla agregando una constante cosmológica.. Esta constante devolvería a la descripción de la teoría general del espacio-tiempo un tensor métrico invariante para la estructura del espacio / existencia. La primera persona en aplicar seriamente la relatividad general a la cosmología sin la constante cosmológica estabilizadora fue Alexander Friedmann . Friedmann derivó la solución de expansión del universo a las ecuaciones del campo de la relatividad general en 1922. Los documentos de Friedmann de 1924 incluían " Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes " ( Sobre la posibilidad de un mundo con una curvatura negativa constante ) publicado por el Berlin Academia de Ciencias, el 7 de enero de 1924. [5] Las ecuaciones de Friedmann describen el universo de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker .
En 1927, el sacerdote católico belga Georges Lemaître propuso un modelo en expansión para que el universo explique los desplazamientos al rojo de las nebulosas espirales y calculó la ley de Hubble . Basó su teoría en el trabajo de Einstein y De Sitter , e independientemente derivó las ecuaciones de Friedmann para un universo en expansión. Además, los desplazamientos rojos en sí mismos no eran constantes, sino que variaban de tal manera que llevaban a la conclusión de que había una relación definida entre la cantidad de desplazamiento al rojo de las nebulosas y su distancia de los observadores. [ cita requerida ]
En 1929, Edwin Hubble proporcionó una base de observación integral para la teoría de Lemaître. Las observaciones experimentales del Hubble descubrieron que, en relación con la Tierra y todos los demás cuerpos observados, las galaxias están retrocediendo en cada dirección a velocidades (calculadas a partir de sus desplazamientos al rojo observados) directamente proporcionales a su distancia de la Tierra y entre sí. En 1929, Hubble y Milton Humason formularon la empírica Ley de Distancia al Desplazamiento al Rojo de las galaxias, hoy conocida como la ley del Hubble., que, una vez que el desplazamiento al rojo se interpreta como una medida de la velocidad de recesión, es consistente con las soluciones de las Ecuaciones de la Relatividad General de Einstein para un espacio de expansión isotrópico homogéneo. La naturaleza isotrópica de la expansión era una prueba directa de que era el espacio (el tejido de la existencia) el que se estaba expandiendo, no los cuerpos en el espacio que simplemente se movían más hacia afuera y se separaban en un vacío vacío preexistente infinitamente más grande. Fue esta interpretación la que condujo al concepto del universo en expansión. La ley establece que cuanto mayor sea la distancia entre dos galaxias, mayor será su velocidad relativa de separación. Este descubrimiento resultó más tarde en la formulación del modelo Big Bang. [ cita requerida ]
En 1931, Lemaître propuso en su " hipotèse de l'atome primitif " (hipótesis del átomo primigenio) que el universo comenzó con la "explosión" del " átomo primigenio ", lo que más tarde se llamó Big Bang. Lemaître primero tomó los rayos cósmicos como los restos del evento, aunque ahora se sabe que se originan dentro de la galaxia local . Lemaître tuvo que esperar hasta poco antes de su muerte para conocer el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas , la radiación remanente de una fase densa y caliente en el universo temprano. [6]
Teoría del Big Bang frente a la teoría del estado estacionario [ editar ]
La Ley de Hubble sugirió que el universo se estaba expandiendo, contradiciendo el principio cosmológico según el cual el universo, cuando se ve en escalas de distancia suficientemente grandes, no tiene direcciones preferidas ni lugares preferidos. La idea del Hubble permitió que se sugirieran dos hipótesis opuestas. Uno fue el Big Bang de Lemaître, defendido y desarrollado por George Gamow . El otro modelo fue Fred Hoyle 's teoría del estado estacionario , en el que se crearía nueva materia como las galaxias se alejan unas de otras. En este modelo, el universo es aproximadamente el mismo en cualquier momento. En realidad, fue Hoyle quien acuñó el nombre de la teoría de Lemaître, refiriéndose a esto como una idea de "este Big Bang" durante una transmisión de radio el 28 de marzo de 1949. Tercer Programa . Se ha informado popularmente que Hoyle, que estaba a favor de un modelo cosmológico de " estado estacionario " alternativo , pretendía que esto fuera peyorativo, pero Hoyle lo negó explícitamente y dijo que era solo una imagen sorprendente para resaltar la diferencia entre los dos modelos. [7] Hoyle repitió el término en otras transmisiones a principios de 1950, como parte de una serie de cinco conferencias tituladas La naturaleza del universo . El texto de cada conferencia se publicó en The Listeneruna semana después de la emisión, la primera vez que el término "Big Bang" apareció impreso. [8]A medida que aumentaba la evidencia a favor del modelo de Big Bang y el consenso se generalizaba, el propio Hoyle, aunque con cierta reticencia, lo admitió al formular un nuevo modelo cosmológico al que otros científicos se refirieron posteriormente como el "Steady Bang". [9]
1950 a 1990 [ editar ]
Desde 1950 hasta 1965, el apoyo a estas teorías se dividió de manera uniforme, con un ligero desequilibrio debido al hecho de que la teoría del Big Bang podría explicar tanto la formación como la abundancia observada de hidrógeno y helio , mientras que el estado estacionario podría explicar cómo Se formaron, pero no por qué deberían tener las abundancias observadas. Sin embargo, la evidencia observacional comenzó a respaldar la idea de que el universo evolucionó desde un estado densamente caliente. Se observó que los objetos tales como los quásares y las galaxias de radio son mucho más comunes a grandes distancias (por lo tanto, en el pasado distante) que en el universo cercano, mientras que el estado estacionario predijo que las propiedades promedio del universo no deberían cambiar con el tiempo. Además, el descubrimiento de laLa radiación de fondo de microondas cósmica en 1964 fue considerada la sentencia de muerte del estado estacionario, aunque esta predicción fue solo cualitativa y no pudo predecir la temperatura exacta del CMB. (La predicción clave del Big Bang es el espectro de cuerpo negro del CMB, que no se midió con gran precisión hasta el COBE en 1990). Después de alguna reformulación, el Big Bang ha sido considerado como la mejor teoría del origen y la evolución del cosmos. Antes de finales de la década de 1960, muchos cosmólogos pensaron que la singularidad infinitamente densa y físicamente paradójica en el momento de inicio del modelo cosmológico de Friedmann podría evitarse permitiendo un universo que se estaba contrayendo antes de entrar en el estado de densidad caliente, y comenzar a expandirse nuevamente. Esto se formalizó comoEl 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 noción de que el universo, tal como lo describe actualmente la física de la relatividad general, tiene una edad limitada. Sin embargo, debido a la falta de una teoría de la gravedad cuántica , no hay manera de decir si la singularidad es un punto de origen real para el universo, o si los procesos físicos que gobiernan el régimen hacen que el universo sea efectivamente de carácter eterno.
A lo largo de los años 70 y 80, la mayoría de los cosmólogos aceptaron el Big Bang, pero quedaron varios enigmas, incluido el no descubrimiento de anisotropías en el CMB, y observaciones ocasionales que apuntan a desviaciones de un espectro de cuerpo negro; por lo tanto la teoría no fue muy fuertemente confirmada.
1990 en adelante [ editar ]
Se lograron enormes avances en la cosmología del Big Bang en la década de 1990 y principios del siglo XXI, como resultado de los principales avances en la tecnología de telescopios en combinación con grandes cantidades de datos satelitales, como el COBE , el Telescopio Espacial Hubble y WMAP .
En 1990, las mediciones del satélite COBE mostraron que el espectro del CMB combina un cuerpo negro de2.725 K con una precisión muy alta; Las desviaciones no superan las 2 partes en 100 000 . Esto demostró que las afirmaciones anteriores de desviaciones espectrales eran incorrectas, y esencialmente demostraron que el universo era caliente y denso en el pasado, ya que ningún otro mecanismo conocido puede producir un cuerpo negro con tanta precisión. Otras observaciones de COBE en 1992 descubrieron las anisotropías muy pequeñas del CMB en grandes escalas, aproximadamente como se predijo en los modelos del Big Bang con materia oscura. A partir de entonces, modelos de cosmología no estándar. sin alguna forma de Big Bang se convirtió en algo muy raro en las revistas de astronomía tradicionales.
En 1998, las mediciones de supernovas distantes indicaron que la expansión del universo se está acelerando, y esto fue respaldado por otras observaciones que incluyen observaciones de CMB en tierra y estudios de gran desplazamiento al rojo de galaxias. En 1999-2000, BOOMERanG y las observaciones de Maxima CMB transmitidas por globos mostraron que la geometría del universo es casi plana, luego, en 2001, el sondeo dedesplazamiento al rojo de la galaxia 2dFGRS estimó la densidad de materia media alrededor del 25-30 por ciento de la densidad crítica.
De 2003 a 2010, la NASA 's WMAP nave tomó fotografías muy detalladas del universo por medio de la radiación cósmica de fondo de microondas. Las imágenes se pueden interpretar para indicar que el universo tiene 13.7 mil millones de años (con un error de uno por ciento) y que el modelo Lambda-CDM y la teoría inflacionaria son correctos. Ninguna otra teoría cosmológica puede explicar un rango tan amplio de parámetros observados, desde la relación de las abundancias elementales en el universo temprano hasta la estructura del fondo cósmico de microondas, la mayor abundancia observada de núcleos galácticos activos en el universo temprano y la observada Masas de cúmulos de galaxias . Elcita requerida ]
En 2013 y 2015, la nave espacial Planck de la ESA lanzó imágenes aún más detalladas del fondo cósmico de microondas, mostrando una consistencia con el modelo Lambda-CDM con una precisión aún mayor.
Gran parte del trabajo actual en cosmología incluye comprender cómo se forman las galaxias en el contexto del Big Bang, comprender lo que sucedió en los primeros tiempos después del Big Bang y conciliar las observaciones con la teoría básica. Los cosmólogos siguen para calcular muchos de los parámetros del Big Bang hasta un nuevo nivel de precisión, y llevar a cabo las observaciones más detalladas que se esperan para proporcionar pistas sobre la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura , y para poner a prueba la teoría de la relatividad general en Escalas cósmicas.
El Big Bounce es un hipotético modelo cosmológico para el origen del universo conocido . Originalmente se sugirió como una fase del modelo cíclico o la interpretación del universo oscilatorio del Big Bang , donde el primer evento cosmológico fue el resultado del colapso de un universo anterior. Se retiró de una seria consideración a principios de la década de 1980 después de que la teoría de la inflación emergiera como una solución al problema del horizonte , que surgió de los avances en las observaciones que revelaron la estructura a gran escala del universo. A principios de la década de 2000, algunos teóricos consideraron que la inflación era problemática yinfalsificable en el sentido de que sus diversos parámetros podrían ajustarse para adaptarse a cualquier observación, de modo que las propiedades del universo observable sean una cuestión de azar. Imágenes alternativas, incluido un Big Bounce, pueden proporcionar una posible solución predictiva y falsificable para el problema del horizonte, y están bajo investigación activa a partir de 2017.
investigación activa a partir de 2017. [1]
Contenido
Expansión y contracción [ editar ]
El concepto de Big Bounce prevé el Big Bang como el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción. Desde este punto de vista, se podría hablar de un Big Crunch seguido de un Big Bang , o más simplemente, un Big Bounce . Esto sugiere que podríamos estar viviendo en cualquier punto en una secuencia infinita de universos, o, a la inversa, el universo actual podría ser la primera iteración. Sin embargo, si la condición de la fase de intervalo "entre rebotes", considerada la "hipótesis del átomo primigenio", se toma en total contingencia, tal enumeración puede carecer de significado porque esa condición podría representar una singularidad en el tiempo en cada caso, si tal perpetua El retorno fue absoluto e indiferenciado.
La idea principal detrás de la teoría cuántica de un Big Bounce es que, a medida que la densidad se acerca al infinito, el comportamiento de la espuma cuántica cambia. Todas las llamadas constantes físicas fundamentales , incluida la velocidad de la luz en el vacío, no necesitan permanecer constantes durante un Big Crunch , especialmente en el intervalo de tiempo más pequeño que en el que la medición nunca puede ser posible (una unidad de tiempo de Planck , aproximadamente 10 −43 segundos) que abarcan o marcan el punto de inflexión
Si las constantes físicas fundamentales se determinaran de una manera cuántica-mecánica durante el Big Crunch, entonces sus valores aparentemente inexplicables en este universo no serían tan sorprendentes, entendiéndose aquí que un universo es lo que existe entre un Big Bang y su Big Crunch .
Sin embargo, los modelos Big Bounce no explican mucho sobre cómo el universo actualmente en expansión logrará el contrato. Esta expansión constante y constante es explicada por la NASA a través de la expansión métrica del espacio .
Historia [ editar ]
Los modelos de rebote grande tienen una historia venerable [ se necesitan más explicaciones ] y fueron respaldados en gran medida por razones estéticas [ ¿cuáles? ] [ cuando? ] Por los cosmólogos incluyendo Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie y George Gamow (quien ha destacado que "desde el punto de vista físico debemos olvidar por completo sobre el período precolapso"). [2]
A principios de la década de 1980, el avance de la precisión y el alcance de la cosmología observacional había revelado que la estructura a gran escala del universo es plana , homogénea e isotrópica , un hallazgo aceptado más tarde como el Principio Cosmológico para aplicarse a escalas que superan los 300 millones de años luz. . Se reconoció que era necesario encontrar una explicación de cómo las regiones distantes del universo podían tener propiedades esencialmente idénticas sin haber estado nunca en una comunicación similar a la luz. Se propuso una solución para ser un período de expansión exponencial del espacio en el universo temprano, como base para lo que se conoció comoTeoría de la inflación . Tras el breve período inflacionario, el universo continúa expandiéndose, pero a un ritmo menos rápido.
Varias formulaciones de la teoría de la inflación y sus implicaciones detalladas se convirtieron en objeto de un intenso estudio teórico. En ausencia de una alternativa convincente, la inflación se convirtió en la solución principal para el problema del horizonte. A principios de la década de 2000, algunos teóricos consideraron que la inflación era problemática e infalsificable, ya que sus diversos parámetros podían ajustarse para adaptarse a cualquier observación, una situación conocida como un problema de ajuste fino. Además, se descubrió que la inflación era inevitablemente eterna , creando una infinidad de universos diferentes con propiedades típicamente diferentes, de modo que las propiedades del universo observable son una cuestión de azar. [3] Un concepto alternativo que incluye un Big Bounce fue concebido como una posible solución predictiva y falsificable para el problema del horizonte,[4] y está bajo investigación activa a partir de 2017. [5] [1]
La frase "Big Bounce" apareció en la literatura científica en 1987, cuando se usó por primera vez en el título de un par de artículos (en alemán) en Stern und Weltraum por Wolfgang Priester y Hans-Joachim Blome. [6]Reapareció en 1988 en Big Bang, Big Bounce de Iosif Rozental , una traducción revisada en inglés de un libro en idioma ruso (con un título diferente) y en un artículo de 1991 (en inglés) de Priester and Blome in Astronomy y la astrofísica . (La frase aparentemente se originó como el título de una novela de Elmore Leonard en 1969, poco después del aumento de la conciencia pública sobre el modelo de Big Bang y del descubrimiento de laFondo de microondas cósmico por Penzias y Wilson en 1965.)
Martin Bojowald , profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Pensilvania , publicó un estudio en julio de 2007 que detallaba el trabajo relacionado con la gravedad cuántica del bucle que pretendía resolver matemáticamente el tiempo anterior al Big Bang, que daría un nuevo peso al universo oscilatorio y al Big Teorías de rebote. [7]
Uno de los principales problemas con la teoría del Big Bang es que, en el momento del Big Bang, hay una singularidad de volumen cero y energía infinita. Esto normalmente se interpreta como el final de la física como la conocemos; En este caso, de la teoría de la relatividad general . Es por esto que uno espera que los efectos cuánticos se vuelvan importantes y eviten la singularidad.
Sin embargo, la investigación en la cosmología cuántica de bucles pretendía mostrar que un universopreviamente existente colapsó, no hasta el punto de la singularidad, sino hasta un punto anterior donde los efectos cuánticos de la gravedad se vuelven tan repulsivos que el universo vuelve a rebotar, formando una nueva rama. A lo largo de este colapso y rebote, la evolución es unitaria.
Bojowald también afirma que algunas propiedades del universo que colapsaron para formar las nuestras también pueden determinarse. Algunas propiedades del universo anterior no se pueden determinar, sin embargo, debido a algún tipo de principio de incertidumbre.
Este trabajo está todavía en sus primeras etapas y es muy especulativo. Algunas extensiones de otros científicos se han publicado en Physical Review Letters. [8]
En 2003, Peter Lynds presentó un nuevo modelo de cosmología en el que el tiempo es cíclico. En su teoría, nuestro Universo eventualmente dejará de expandirse y luego se contraerá. Antes de convertirse en una singularidad, como cabría esperar de la teoría del agujero negro de Hawking, el universo rebotaría. Lynds afirma que una singularidad violaría la segunda ley de la termodinámica y esto impide que el universo quede limitado por las singularidades. El Big Crunch se evitaría con un nuevo Big Bang. Lynds sugiere que la historia exacta del universo se repetiría en cada ciclo en una recurrencia eterna . Algunos críticos argumentan que si bien el universo puede ser cíclico, todas las historias serían variantes. [ cita requerida ]La teoría de Lynds ha sido rechazada por los físicos de la corriente principal por la falta de un modelo matemático detrás de sus consideraciones filosóficas. [9]
En 2006, se propuso que la aplicación de técnicas de gravedad cuántica de bucles a la cosmología del Big Bangpuede llevar a un rebote que no tiene por qué ser cíclico. [10]
En 2011, Nikodem Popławski demostró que un Big Bounce no singular aparece naturalmente en la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan -Sciama-Kibble. [11] Esta teoría extiende la relatividad general al eliminar una restricción de la simetría de la conexión afín y, en relación con su parte antisimétrica, el tensor de torsión., como variable dinamica. El acoplamiento mínimo entre la torsión y los espinores de Dirac genera una interacción espín-espín que es significativa en materia fermiónica a densidades extremadamente altas. Dicha interacción evita la singularidad no física del Big Bang, reemplazándola con un rebote en forma de cúspide en un factor de escala mínimo finito, antes de que el universo se contrajera. Este escenario también explica por qué el Universo actual en escalas más grandes parece espacialmente plano, homogéneo e isotrópico, proporcionando una alternativa física a la inflación cósmica.
En 2012, se construyó con éxito una nueva teoría del gran rebote no singular dentro del marco de la gravedad estándar de Einstein. [12] Esta teoría combina los beneficios del rebote de materia y la cosmología ecpirótica . En particular, la famosa inestabilidad de BKL, que la solución cosmológica de fondo homogénea e isotrópica es inestable al crecimiento del estrés anisotrópico, se resuelve en esta teoría. Además, las perturbaciones de curvatura sembradas en la contracción de la materia son capaces de formar un espectro de poder primordial casi invariante a la escala y, por lo tanto, proporcionan un mecanismo consistente para explicar las observaciones del fondo cósmico de microondas (CMB).
Algunas fuentes argumentan que los agujeros negros supermasivos distantes cuyo gran tamaño es difícil de explicar tan poco después del Big Bang, como ULAS J1342 + 0928 , [13] pueden ser evidencia de un Big Bounce, con estos agujeros negros supermasivos que se forman antes del Big Bounce.
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