Autor: Arquímedes Ruiz
sábado, 14 de octubre de 2006
Sección: Artículos generales
Información publicada por: Vazquez
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Las Fronteras Actuales de la Ciencia: Cosmología 1
En los comienzos una fuerte explosión lo sacudió todo. El Universo comenzó entonces una expansión que dura hasta nuestros días y en la cual los objetos más distantes se alejan a velocidades mayores. Gracias a la expansión, la densidad de la materia y su temPeratura fueron decreciendo paulatinamente, y cuando el Universo tenía sólo 300 000 años de edad la luz fue capaz de abrirse paso y se disiparon las tinieblas. Hoy la edad del Universo se estima en unos 15 mil millones de años, las galaxias se alejan unas de las otras y, al menos en nuestro planeta, existen seres pensantes que tratan de entender los detalles de tan magna evolución.
Pequeña Introducción
Desde hace un tiempo en Celtiberia.net abunda las preguntas y artículos sobre temas cosmológicos, yo le pedí a un amigo que me ayudara a dar respuestas apropiadas y así también el podía conocer este sitio. Al final me envió este artículo que yo cuelgo y pongo a la consideración de usted.
The Big Bang Theory
Arquímedes Ruiz
En los comienzos una fuerte explosión lo sacudió todo. El Universo comenzó entonces una expansión que dura hasta nuestros días y en la cual los objetos más distantes se alejan a velocidades mayores. Gracias a la expansión, la densidad de la materia y su temPeratura fueron decreciendo paulatinamente, y cuando el Universo tenía sólo 300 000 años de edad la luz fue capaz de abrirse paso y se disiparon las tinieblas. Hoy la edad del Universo se estima en unos 15 mil millones de años, las galaxias se alejan unas de las otras y, al menos en nuestro planeta, existen seres pensantes que tratan de entender los detalles de tan magna evolución.
A grandes rasgos el párrafo anterior presenta la explicación más aceptada en el mundo científico actual sobre el origen del Universo. Conocida en inglés como “The Big Bang Theory” (una sonora expresión gracias a lo onomatopéyico que es dicha lengua), esta teoría apareció como resultado de la aplicación consecuente de la Teoría General de la Relatividad de Alberto Einstein (1879-1955). Quizás sea oportuno decir que lo que hoy llamamos Cosmología devino parte de las ciencias físicas en un tiempo relativamente reciente, y que los problemas sobre la formación y desarrollo del Universo como un todo eran considerados hasta hace poco un tema religioso. Una breve reseña histórica ilustrará lo antes dicho.
Georges LeMaître (1894-1966) fue un cura católico belga que devino cosmólogo después de estudiar Astrofísica en el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) y terminar su PhD en Cambrigde, Inglaterra, en 1927. Ese año LeMaître adelantó la hipótesis de que un Huevo Cósmico había explotado en el preciso momento de la creación. Sus críticos, siempre los hay, denominaron la hipótesis como Big Bang y así la conocemos hoy. Este cura y cosmólogo era realmente el puente necesario para convertir un tema claramente religioso en aquel tiempo en un tema científico, un rol que la Iglesia de Roma ha jugado frecuentemente en la historia y que merece una mejor evaluación de parte de los historiadores de la Ciencia. Lo asombroso de la historia es que unos pocos años antes, en 1922, un físico soviético llamado Alexander Friedmann (1888-1925) había publicado en Alemania una hipótesis similar a partir de la Teoría Einsteniana, algo que el propio Einstein al principio desestimó como especulación matemática. Lo que Einstein no sabía entonces era que Friedmann le había suPerado en la aplicación de su propia teoría a los problemas cosmológicos, y que se había adelantado no sólo a LeMaître sino también a Edwin Hubble con la idea de un universo en expansión.
Edwin P. Hubble (1889-1953) es considerado por muchos el más importante astrónomo del siglo XX. En 1910 Hubble obtuvo un Bachillerato en Astronomía en la Universidad de Chicago, Pero luego se dedicó por tres años a estudiar leyes y obtuvo una maestría en esa disciplina en 1913. Sin embargo, su vocación original era muy fuerte y retornó a la Astronomía donde obtuvo su PhD en 1917. De 1919 hasta su muerte trabajó en Monte Wilson, Pasadena, donde hizo sus grandes descubrimientos. Hubble descubrió en 1929 que muchas de las nebulosas conocidas por los astrónomos se encontraban realmente fuera de la Vía Láctea (nuestra galaxia) y eran en realidad otras galaxias, Pero además se Percató que estas galaxias se alejaban unas de las otras a velocidades proporcionales a sus distancias respectivas al observador. Hubble atribuyó el valor de 500 kilómetros por segundo y por megaparsec a la constante de proporcionalidad, Pero hoy sabemos que sobreestimó su valor el cual es estimado según las más recientes observaciones en 73.29 kilómetros por segundo y por megaparsec. Un megaparsec es una unidad astronómica enorme de distancia, equivalente a unos 30 860 000 000 000 000 000 kilómetros (¡30 860 mil billones de kilómetros!). Una mente versada en cálculos con unidades se Percatará que como en la expresión de la constante 73.29 kilómetros son divididos por segundo Pero también por otra unidad de distancia, el megaparsec, esta constante tiene finalmente unidad de inverso de segundo. El valor inverso de esta constante resulta entonces en unos 13.4 mil millones de años, una estimación actualmente aceptada de la edad del Universo. Cálculos similares con el valor inicial de Hubble resultan en un universo más joven con una edad aproximada de 2 mil millones de años.
En 1929 Hubble no sabía nada de las especulaciones de Friedmann y LeMaître, Pero este último inmediatamente Percibió como los nuevos descubrimientos apoyaban su hipótesis (Friedmann había ya muerto de fiebre tifoidea después de romPer un record de ascenso en globo aerostático para hacer mediciones meteorológicas y médicas). LeMaître había predicho además que era posible la existencia en el espacio de los ecos de la Gran Explosión, y cuando en 1964 Arno Penzias y Robert Wilson, dos radioastrónomos de los laboratorios Bell en New Jersey, anunciaron el descubrimiento de la “radiación relicta” la Teoría de la Gran Explosión recibió la bendición final. Esta radiación es omnidireccional lo cual significa que no existe ninguna dirección privilegiada para detectarla, señala la imposibilidad de encontrar un punto particular del espacio como centro de la explosión primigenia y apoya el llamado principio cosmológico:
Después de presentar este breve sumario histórico quisiera adentrarme en las sutilidades de la Gran Explosión. Friedmann fue el primero en destacar que la expansión obtenida de las ecuaciones de Einstein era una expansión de espacio donde las partículas de materia estaban como incrustadas, y eso hace de la Gran Explosión una explosión muy sui géneris. En una explosión normal, de una granada por ejemplo, las partículas de materia son expulsadas desde un centro de masas con un movimiento detectable por cualquier observador en reposo con respecto al mencionado centro. En la Gran Explosión es el espacio mismo quien se expande, incrementando las distancias entre galaxias y ofreciendo la ilusión de un movimiento cinemático tradicional, cuando lo que esta pasando es que se crea más espacio entre las galaxias debido a la expansión. Comprender esto es esencial porque si se concibe a la expansión como un movimiento puramente cinemático de las galaxias entonces puede ser que encontremos galaxias moviéndose a velocidades mayores que la de la luz, algo en franca contradicción con la teoría que originó estas consideraciones. En realidad el movimiento cinemático de las galaxias es casi despreciable. Esta interpretación de la expansión como un factor de escala indica el carácter geométrico de los resultados de la Teoría de la Relatividad y muestra además que el Universo realmente no tiene un centro. Cualquier observador tendrá la ilusión de ser el centro de la expansión (algo muy edificante para la autoestima).
Algunas preguntas aparecen ahora como muy naturales. La primera de ellas: ¿tiene el Universo límites? Para contestar a esa pregunta refrescaré el concepto de velocidad de escape. Una nave espacial para iniciar su vuelo desde la Tierra necesita romPer la barrera gravitacional que la lía al planeta. Eso significa que debe tener suficiente energía cinética, o sea de movimiento, para contrarrestar la gravedad terrestre. Para quienes conocen las expresiones matemáticas es fácil resolver el problema pues la expresión es muy sencilla:
mv2/2≥GMm/r
En esta expresión M es la masa del planeta, m la masa de la nave espacial, v es su velocidad, r es la distancia de la nave al centro del planeta, y G es la constante de gravitación (= 6.67 x 10-11N m2kg-2). Los cálculos indican que para obtener una órbita circular una nave necesita en nuestro planeta una velocidad inicial de 7.9 kilómetros por segundo, mientras que para escapar necesita 11.2 kilómetros por segundo. Estas son velocidades enormes si se comparan con las que se usan al manejar un automóvil. La idea anterior puede ser aplicada al caso de una galaxia tratando de escapar de todas las otras que conforman el Universo. La ecuación sería la misma Pero ahora m sería la masa de la galaxia que trata de escapar y M la masa del Universo (en rigor la masa del Universo menos la de la galaxia fugitiva, Pero podemos aceptar la aproximación). Si recordamos además la ley de proporcionalidad entre la velocidad de una galaxia y su distancia al observador (ley de Hubble), y que debemos trabajar con densidades pues realmente eso es lo observable y no la masa total del Universo, se obtiene entonces una expresión muy elegante para la densidad de materia que Permitiría el escape de la galaxia:
Densidad de materia ≤ 3 (constante de Hubble)2/ (8
El término de la derecha es llamado densidad crítica. Esta última expresión muestra que el valor de la densidad crítica de materia depende sólo de valores constantes y es otra constante más de valor 10-26 kg/m3= 0.00000000000000000000000001 kg/m3.
Los valores de densidad para la materia visible en el Universo son aproximadamente una décima de ese valor. Si la única materia en el Universo fuera la visible entonces las galaxias podrían escapar para siempre, y el Universo estaría en eterna expansión. Sin embargo hay evidencias que indican que existe materia obscura que sólo es detectada indirectamente, por sus efectos gravitatorios. Algunos estiman que esta materia obscura es nueve o diez veces la masa correspondiente a la materia visible, y con esa consideración la densidad del Universo se vuelve muy cercana a la densidad crítica, implicando que quizás la expansión pueda ser frenada o al menos desacelerada. No obstante, datos recientes del telescopio en órbita Hubble indican que este factor podría ser sólo 5, lo cual daría un universo en acelerada expansión. Detalles sobre la materia obscura los ofreceré en el próximo ensayo (1).
Lo interesante es que si consideramos la materia obscura podríamos estar en presencia de un Universo que es llamado Euclidiano, lo que significa que la distancia entre dos puntos se determina con el famoso Teorema de Pitágoras, la curvatura promedio del espacio es nula y su expansión es eterna Pero lo más lenta posible. Un universo con densidad actual mucho menor que la crítica sufriría una expansión violenta, mientras que uno con densidad actual mucho mayor que la crítica frenaría su expansión, la invertiría, y terminaría en una contracción mortal (Big Crunch en inglés). Al primero de estos dos monstruos se le llama Universo abierto, mientras que al segundo se le denomina Universo cerrado. La pregunta es ahora, ¿cómo el Universo fue capaz de sintonizar un valor no monstruoso?
Alan Guth, un físico graduado en MIT ofreció en 1980 la explicación más aceptada actualmente a la cual llamó Modelo Inflacionario. De acuerdo con este modelo, cuando el Universo era un bebé sufrió una aceleración en su expansión (una inflación) que le hizo incrementar enormemente en tamaño (un factor 1050) en un tiempo muy pequeño. Esta tremenda expansión parece haber sintonizado el valor de la densidad a su valor crítico debido a que la curvatura del espacio se acercó al valor nulo, lo cual significa que el Universo devino casi-euclidiano. Además, como el factor de escala fue tan enorme, la expansión fue más rápida que la interacción, y por eso los espacios que la luz conquista continuamente son similares a los ya conocidos ya que la nueva materia detectada estuvo en interacción con todo el Universo antes de la inflación. Eso explica porque las galaxias que están en direcciones opuestas con relación a nosotros y que aún no pueden observarse unas a las otras porque la luz de unas no ha tenido tiempo de llegar a las otras (nosotros estamos a medio camino) son muy similares y parecen cumplir las mismas leyes. Este es el llamado Problema de Horizonte, resuelto muy bien con el Modelo Inflacionario (2).
¿Qué produjo la Inflación? Nadie a ciencia cierta lo sabe. Sin embargo, una explicación plausible puede encontrarse si consideramos que la materia es capaz de ofrecer sorpresas cuando sufre enfriamientos repentinos. Un vaso con agua destilada en un congelador puede llegar a temPeraturas cercanas a – 40 º C sin que el agua se congele, y entonces una pequeña vibración, o una partícula extraña, puede producir la congelación. El agua líquida a temPeraturas menores que su punto de congelación es denominada agua sobre-enfriada y cuando se congela libera calor latente, i.e energía. La materia en el Universo recién nacido puede haberse logrado un estado de sobre-enfriamiento, y Perturbaciones locales del campo gravitatorio pueden haber destruido ese estado, liberando el calor latente que entonces puede haber producido la inflación de marras. De ser así, un fenómeno muy común en las nubes de tormenta podría ser también la causa del Universo como lo vemos hoy.
Referencias (lecturas adicionales)
(1) Ned Wright's Cosmology Tutorial Online: http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm
(2) João Magueijo: Faster than the speed of light, Perseus Publishing, 2003
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Para comprender el porqué las galaxias se alejan todas de todas, viene muy bien poner el ejemplo del globo que se infla, solo que con 1 dimensión más.
Supongamos que el Universo fuese un globo. El Universo es solo la suPerficie del globo, la esfera. Lo que hay dentro o fuera de ese globo-esfera, no es Universo. No es nada. No está. No existe.
Dejando de lado el tema de si es abierto o cerrado el Universo, supongamos que las galaxias son diminutos puntitos puestos aleatoriamente sobre la esfera que forma el globo.
Ahoa, si hinchamos ese globo, tenemos que la esfera adquiere cada vez más tamaño, y que la distancia entre 2 puntitos cualesquiera que hubiesemos pintado en esa esfera, es cada vez mayor. Todos los puntitos se alejan de todos.
Y, cuanto más lejos estén dos puntitos, con mas velocidad se alejan entre si a medida que se infla el globo.
Este tema da para mucho... Dos cosas...
En primer lugar, si alguien quiere ver los efectos de la radiación primigenia, nada mejor que enchufar su televisor y NO sintonizar un canal. Veréis en la pantalla una sucesión de puntos o rayas blancas que bailan en la pantalla. Es el resultado de la interacción de esta radiación con la antena del televisor.
Por otro lado, no me gusta el concepto de explosión por que, si hay explosión, ¡Es que algo ha explotado en algún sitio y en algún momento! Esto no es así ya que antes del universo, no había nada, ni materia, ni tiempo ni espacio. Difícil de imaginar Pero eso es lo que propugnan las teorías actuales.
Servan, discrepo contigo. Antes de Einstein, se hablaba de la existencia del Eter, materia curiosa que era dura como el acero y tenue como el vacío. ¿Eso es razonable?
Einstein se limitó a aplicar la lógica y que tamaña gilipollez (Perdonad, Pero necesito decirlo asi) desapareciera de las escuelas.
Y antes vino Planck y propuso la discretización de la energía.
Y después Heisenberg, Schrodinger, Sommerfeld, Ehfenrest, etc. y hablaron de la dualidad onda corpúsculo y el principio de incertidumbre inherente.
Y después Dirac y su teoría de la antimateria, antimundos y antigalaxias.
Y después llegó Hawking y demostró que uno se puede forrar vendiendo libros de petete de física teórica.
Y me callo, que hoy no tengo el día.
Información eliminada por el Administrador kaerkes
El cambio es el dolor de la materia, que quisiera ser, Pero sólo puede llegar a ser. (Sade)
Recomiendo Personalmente unos libros que os pueden aclarar las cosas bastante:
"Brevisima historia del tiempo" de Hawking
"Agujeros negros y tiempo curvo" de Kip S Thorne
Y un programa que puede ayudar a visualizar el espacio
"Celestia"
Un Saludo.Kapo
Creo que ya es una cuestión de postulado, de creencia, yo creo que la materia ha existido siempre, que inestabilidades de origen cuántico producen explosiones, que pude que existan muchas explosiones, muchas burbujas expandiéndose, y que en algún momento tocaremos alguna otra y veremos fenómenos nunca antes vistos, porque la densidad de materia no tiene porque ser la misma para dos burbujas. Lo que se llama la Nada no existe, es materia en un estado que no conocemos aún, porque la explosión de nuestra burbuja crea mucha entropía y borra toda la información sobre el estado anterior. La burbuja puede haber sido un hueco negro que tragó tanto que se hizo inestable y explotó, nadie lo sabe, no hay datos sobre ese supuesto estadio anterior a la explosión.
Rosa-e de lo que hablamos es Física, Pero también Matemática, especulación en muchos casos, y que hay algo de Metafísica, Pero sólo en la fe que tenemos de que nuevos datos nos harán mejorar nuestros modelos y explicaciones. No tenemos fe en otra cosa que en los datos y en nuestra capacidad para crear nuevas interpretaciones siempre en el marco de lo natural. Buscar una explicación de la Naturaleza en ella misma. ¿No es eso la ciencia?.
http://en.wikipedia.org/wiki/Planck_time
Como verán, la mecánica quántica introduce un límite mínimo de tiempo, un cuanto de tiempo, y un tiempo menor que ese no tiene sentido físico, no pasa nada, es muy corto para que pase algo. Asociado a ese tiempo hay una longitud de Planck (Planck lenght) que es la velocidad de la luz multiplicada por el cuanto de tiempo, eso da un cuanto de espacio, la menor distancia con sentido físico. El universo, o un hueco negro, no pudo ser menor que una esfera de radio igual a la longitud de Planck, por lo que tuvo un radio muy pequeño Pero no nulo, no fue un punto. Es posible que haya venido de una contracción y haya rebotado con la explosión, Pero eso aun no lo sabemos. Si así fuera entonces necesitaríamos datos para saber en que explosión estamos, la 20, la 43, la 1005, es posible que la explosión, cada explosión, destruya toda la información anterior, por eso los físicos dicen que no tiene sentido preguntarse que paso antes, porque eso no es medible.
Es por eso que sobre cosmología para contestar contundentemente es necesario conocer el concepto de suPercuerdas.
Quiero también en este post incorporar una noticia del El País. Pego estos párrafos de la noticia como ilustración:
…..
Los instrumentos del satélite COBE Permitieron viajar en el tiempo y echar una mirada a cómo era el universo primitivo hace 13.000 millones de años. Mather propuso este exPerimento en 1974 y se puso al frente de un proyecto que llegó a emplear a 1.500 Personas y constituyó la primera misión de cosmología de la NASA.
Los científicos pudieron medir con estos aparatos las irregularidades en la radiación de fondo que inunda el Universo en forma de microondas, y que constituye una reliquia de la explosión que le dio origen. El exPerimento no sólo confirmó la teoría del Big Bang sino que Permitió identificar estas arrugas como el origen de las estrellas y las galaxias, un descubrimiento considerado como uno de los hitos científicos del siglo XX.
"Somos exploradores. Necesitamos comprender de dónde venimos nosotros y nuestro universo", dijo Mather en agosto, tras ser concedido el Premio Gruber de Cosmología.
http://www.elpais.es/articulo/sociedad/estadounidenses/ganan/Nobel/
Fisica/mirada/infancia/Universo/elpporsoc/20061003elpepusoc_1/Tes/
Muchas gracias, Vazquez. Me has ahorrado un trabajo que por Pereza y falta de tiempo no estaba haciendo.
Lo único que no me gusta de tu exposición es hablar de explosiones. La gente tiene tendencia a pensar que se juntó unos millones de toneladas de TNT y, plaf, la explosión creó el universo. No, más bien habría sido una liberación súbita de energía, Permitida por las leyes de la física.
De acuerdo contigo Kullervo, Pero es que esta expresión: Explosión, es la que todos usan, Pero vale, podríamos de tratar de encontrar el término adecuado.
Vázquez: “Buscar una explicación de la Naturaleza en ella misma. ¿No es eso la ciencia?”
Mmmmm. Pues no necesariamente, también puede ser filosofía. La Ciencia lo es en cuanto se ofrecen respuestas a esas preguntas siguiendo sus propias reglas metodológicas: definición precisa de los objetos que estudia; posibilidades de observación, exPerimentación y reproducción de sus exPeriencias; formulación de leyes universales; capacidad de predicción, etc., etc.
Las respuestas “no científicas”, tales como suponer un estado de existencia de la materia todavía desconocido (indefinición “poco científica”), a mi no me parece que sea Física, sino Metafísica. Lo cual tampoco desacredita necesariamente las hipótesis emitidas sobre el particular. El pensamiento racional evoluciona y se transforma Permanentemente justamente porque es especulativo, que es lo que conjura el inmovilismo propio del pensamiento mítico y/o religioso. En este sentido, no por no ser científico, desmerece en absoluto. Yo diría que todas esas especulaciones son incluso una exigencia de nuestro estado actual del Conocimiento. Y cuando digo “nuestro” no me estoy incluyendo: necesitaría como poco 7 vidas megapársicas para entender lo más mínimo de mecánica cuántica y temitas parecidos... A lo mejor por eso me equivoco. No sé.
Saúdos ;-)
Jejejej. En eso estoy de acuerdo. La mecánica cuántica se estudia a finales de bachillerato y se llega a entender. Mecánica de fluidos se estudia en segundo de carrera y es una de las asignaturas más difíciles. Además que como se pongan en plan teórico con integrales yo ya me doy por Perdido en mis mundos de fantasía.
Un saludo.
Rosa-e, si por pensamiento racional no científico te refieres a la metafísica, no deja de ser curioso cómo la ciencia ha sido capaz de sorprender incluso a los mismos filósofos.
Por ejemplo, ¿cuál de ellos hubiera podido (deduciéndolo racionalmente) llegar a la conclusión que el tiempo era relativo al estado de movimiento del observador? ¿O concebir que la causalidad pudiera fracasar en el nivel subatómico?
No hay duda de que la ciencia le debe mucho a la filosofía, Pero también ocurre al contrario...
Bueno Rosa-e, si, creo que hay mucho de razón en lo que dices, y especialmente si consideramos que la ciencia y la filosofía se vuelven difusas en el momento que se tocan.
De todas maneras este artículo era mucho mas largo, y no quise “cansar” a los Druidas con un material que resultara muy extenso y me limite a colgar aquello que se refería al suceso del “Big Bang”. Pero la continuación del mismo responde en mucho a tus observaciones, aprovechando esta coyuntura… cuelgo la segunda parte. ;-)
Ramonmo: por metafísica entiendo la simple reflexión sobre lo incognoscible y/o desconocido (es una de sus acepciones más comunes). Lo demás no te lo discuto.
Miedo me da esa segunda parte! EsPero que no vaya sobre mecánica de fluidos, que es donde yo cojeo... jajaja
Cuando decimos que la ciencia se preocupa por explicar la naturaleza por si misma no estamos excluyendo a la filosofía que intenta lo mismo, Pero si a los sistemas filosóficos que niegan la realidad de la naturaleza. Por eso el enunciado pega mas con ciencia, vale para toda la ciencia, no para toda la filosofía.
La mecánica de los fluidos en algunos casos no tiene mucha complejidad, por ej. Yo soy exPerto en un fluido cuya mecánica la conozco a la Perfección… me refiero a la cerveza!
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