La teoría del Big Bang es una teoría cosmológica para explicar el origen del universo y la que actualmente tiene más aceptación en la comunidad científica. Afirma que el universo comenzó con una gran explosión, hace unos 13.800 millones de años, y desde entonces ha estado expandiéndose continuamente.
De esta gran explosión surgieron la materia, el tiempo y el espacio, que luego se transformaron en galaxias y sistemas estelares, incluyendo nuestra propia Vía Láctea, el sistema solar y finalmente a nosotros mismos.
La teoría tuvo su origen en 1915, con las ecuaciones de la relatividad de Albert Einstein, que entre otras cosas predicen la expansión del universo, un hecho con el cual el científico alemán nunca se sintió cómodo.
Sin embargo, el astrónomo belga George Lemaitre, al estudiar la relatividad, planteó que de ser cierta la expansión, evidentemente el universo debía tener un punto de partida. En 1927 Lemaitre publicó un artículo donde expuso sus ideas acerca del origen del universo, que él llamaba “el átomo primigenio”.
El astrónomo estadounidense Edwin Hubble impulsó la nueva teoría, al confirmar en 1929 que las galaxias se alejan entre ellas y también de nosotros.
Remontándose en el tiempo, las galaxias sin duda debieron estar mucho más cercanas de lo que están hoy en día. Y por lo tanto debió existir un instante en que toda la materia estaba increíblemente comprimida, ocupando un espacio infinitamente pequeño: una singularidad.
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Características de la teoría del Big Bang
El término “big bang” fue acuñado por el físico Fred Hoyle en 1940, quien no simpatizaba con la idea, por lo que se refirió a ella burlonamente, llamándola “esa gran explosión”. Hoyle estaba convencido de que el universo era estacionario.
Aunque su nombre nos lleva a pensar en algún evento catastrófico, los físicos y los cosmólogos creen ahora que ni fue grande, ni tampoco un cataclismo del cual volaron galaxias en todas las direcciones.
Pero fue tan poderoso, que las cuatro interacciones fundamentales de la Física estuvieron unificadas durante esos primeros instantes.
Principal postulado de la teoría
El universo entero se encontraba originalmente en un estado increíblemente denso y caliente, y luego se expandió de súbito, al tiempo que se enfriaba lentamente. Esa expansión continúa en la actualidad.
El big bang no explica cómo surgió la singularidad original, y menos lo que había antes de ella. Lo que explica es qué le sucedió al universo durante los primeros tiempos en que la singularidad dejó de serlo.
Cuando ocurrió
Los científicos estiman que el big bang sucedió hace 13.800 millones de años y no es posible saber qué ocurría antes, ya que el tiempo, junto al espacio y la materia, se crearon en ese preciso momento.
Dónde sucedió
No fue un evento localizado. Resulta que cuanto más distantes están los objetos que vemos con los telescopios más potentes, más nos remontamos en el tiempo en que ocurrió el big bang, sin importar la dirección en que se mire.
Que ocurrió después
Posterior al big bang, la temperatura descendió y se formaron las partículas subatómicas que conocemos: protones, neutrones y electrones, para dar lugar a los átomos.
Durante el big bang surgió la gravedad, la fuerza de atracción unificadora de la materia, así como las demás interacciones fundamentales.
Los primeros elementos químicos formados fueron el hidrógeno, el más simple de todos, y luego el helio y el litio, en un proceso llamado nucleosíntesis. Con el tiempo inmensas nubes de estos elementos dieron origen a las primeras galaxias.
Fundamentos teóricos del big bang
El big bang se sustenta en:
-Las ecuaciones de la teoría de la relatividad propuestas por Einstein.
-El modelo estándar de partículas, que describe la estructura de la materia en términos de las partículas fundamentales y las interacciones entre ellas.
-El principio cosmológico, el cual afirma que el universo es homogéneo e isótropo, cuando lo vemos a una escala mayor. Esto significa que sus propiedades son idénticas en todas direcciones y las leyes de la Física son las mismas en cualquier lado.
Desde luego sabemos que hay acumulaciones de materia, separadas por espacios de mucha menos densidad. Desde ese punto de vista, las propiedades del universo sin duda difieren. Pero la escala que abarca el principio cosmológico es mucho mayor a esa.
De acuerdo al principio cosmológico, el universo no tiene un centro, ni tampoco bordes o límites, porque los lugares preferenciales simplemente no existen.
Se concluye pues, que el universo tiene un origen en el tiempo y por tanto una edad finita, aunque aún no queda claro si su extensión es finita o infinita.
Etapas del universo según la teoría del Big Bang
Los científicos distinguen tres grandes etapas, la primera de un universo muy primigenio, la segunda del universo primigenio propiamente dicho y la tercera la etapa de la formación de estructuras.
Durante las dos primeras, el universo estuvo dominado primero por la radiación y luego por la materia.
Etapa de la radiación
Durante esta era, la energía se encontraba en forma de fotones, partículas elementales sin masa que conforman la luz. Gracias a ellos se crearon los pares de materia y antimateria electrón – positrón, que se aniquilan al encontrarse, emitiendo de nuevo energía en forma de fotones.
Sin embargo, en algún momento la materia predominó ligeramente sobre la antimateria, lo que más tarde condujo a la aparición de las primeras partículas subatómicas.
Los cosmólogos creen que esta etapa duró unos 700.000 años, y en ella se distinguen los siguientes períodos:
Etapa inicial
Comienza a partir de 10-43 segundos después de ocurrido el big bang y comprende:
-La era de Planck, cuando las cuatro interacciones fundamentales -electromagnética, nuclear fuerte, nuclear débil y gravedad- constituían una única fuerza fundamental.
-La era de la unificación, ocurrida 10-36 segundos después, cuando la gravedad se separa de las demás fuerzas, pero las otras permanecieron fusionadas en lo que se denomina GUT (grand unified theory) a medida que el universo se expandía y enfriaba.
La gran inflación
A partir de 10-36 hasta 10-33 segundos, en la cual el universo experimentó un crecimiento acelerado, se enfrió y disminuyó rápidamente su densidad, como consecuencia de la expansión.
Es así como el universo creció desde algo menos que la punta de un alfiler, hasta una esfera del tamaño de varios soles como el nuestro, todo a gran velocidad.
Formación de partículas
El crecimiento del universo disminuyó su ritmo sin detenerse y surgieron las primeras partículas elementales: protones, electrones y neutrones.
Creación de los átomos ligeros
Pasados tres minutos, protones y neutrones colisionaron para formar los primeros núcleos. Luego estos núcleos se encontraron y se formaron los átomos ligeros.
Aparición de la luz
Paradójicamente las elevadas temperaturas del universo primigenio no permitieron que la luz apareciera hasta transcurridos unos 380.000 años después del big bang.
Pero entonces el universo ya se había enfriado lo suficiente como para permitir la formación de hidrógeno neutro, con lo cual los fotones -portadores de la luz- pudieron moverse a grandes distancias sin obstáculos.
Dominación de la materia
El universo, antes opaco a causa de la elevada densidad, se volvió transparente a la radiación y la materia adquirió el predominio.
De esta manera se formaron los primeros conglomerados, gracias a la acción de la gravedad y el universo comenzó a adquirir la forma actual. Es la etapa de la formación de estructuras.
Formación de estrellas y galaxias
La gravedad hizo colapsar las nubes de gas para formar las primeras estrellas, que después se asociaron en galaxias. Los expertos creen que esto sucedió unos 400 millones de años después del big bang.
Época de la materia oscura
La expansión del universo no se ha detenido, por el contrario parece haberse acelerado.
Ahora los científicos creen que existe una materia diferente a la materia que podemos ver, llamada materia oscura, que es la responsable de esta expansión acelerada.
Evidencias
Fondo cósmico de radiación
El big bang es observable aún hoy en día, pese al tiempo transcurrido, a través de la radiación que proviene de los lugares más distantes en el universo.
El fondo cósmico de radiación de microondas (cosmic microwave background) fue descubierto a mediados de los años 60 del siglo XX, por dos investigadores de los Laboratorios Bell: Arno Penzias y Robert Wilson.
Es el resplandor que dejó tras de sí el big bang, algo que la teoría ya había señalado con antelación, pero que no se había podido detectar hasta los experimentos de Penzias y Wilson.
La ley de Hubble-Lemaitre
En 1929 Edwin Hubble afirmó que el universo se expande, y durante ocho años se encargó de recabar los datos necesarios para probarlo en el observatorio Monte Wilson, California.
De esta forma enunció la siguiente ley, en la cual la rapidez v con que las galaxias se alejan de nosotros, es proporcional a la distancia R, siendo H la constante de Hubble:
v = HR
Donde H = 22 x 10-3 m/(s⋅año luz). Esta forma sencilla de la ley es válida cuando se trata de galaxias no demasiado lejanas.
Distribución uniforme de galaxias lejanas
El telescopio espacial Hubble confirma que las galaxias lejanas están distribuidas de manera homogénea, en concordancia con el principio cosmológico.
Magnitud aparente de galaxias lejanas
Cuanto mayor sea el desplazamiento al rojo, mayor la magnitud aparente de una galaxia lejana, lo cual significa que la longitud de onda de su luz se alarga durante el viaje por un universo en expansión.
Problemas y críticas
En la teoría hay muchos puntos que permanecen oscuros, por ejemplo los científicos desconocen aún qué desencadenó la gran inflación.
Por otra parte, muchos expertos no están conformes con el hecho de que antes del big bang no existían tiempo, materia ni espacio, ya que algunos piensan que el tiempo ha existido siempre.
Por supuesto, las teorías cosmológicas apuntan a fenómenos a gran escala y se perfeccionan o se descartan gracias a nuevos descubrimientos. Los científicos esperan dirimir discrepancias como las siguientes:
Problema de la entropía
La entropía era anormalmente baja durante los primeros instantes del universo y los cosmólogos no logran explicar el aumento de la entropía hasta los niveles actuales.
Problema del horizonte
Este problema se refiere al hecho de que la velocidad de la luz es finita y nada viaja más rápido que ella, sin embargo, regiones que durante el big bang no pudieron estar en contacto a causa de su separación, resulta que se encontraban en equilibrio térmico.
Problema de la planitud
Se cree que vivimos en un universo plano, sin embargo la teoría del big bang no ofrece un mecanismo físico que explique satisfactoriamente la razón.
Problema de los monopolos magnéticos
La teoría del big bang predice la existencia de monopolos magnéticos, pero hasta ahora no se han encontrado. Cada vez que lo intentamos, al seccionar un imán, siempre se obtienen imanes más pequeños con polos norte y sur, nunca los polos magnéticos por separado (monopolos).
Otras inquietudes acerca de la teoría son: ¿de dónde se originó la singularidad? Y ¿cómo llegó la materia a predominar por encima de la antimateria? O ¿cómo y por qué ocurrió la gran inflación? Todavía hay mucho camino para recorrer.
Referencias
- Carroll, B. An Introduction to Modern Astrophysics. 2nd. Edition. Pearson.
- Falcón, N. Revisión crítica del big bang. Recuperado de: researchgate.net.
- Seeds, M. 2011. Foundations of Astronomy. 11th. Ed. Cengage Learning.
- Serway, R., Jewett, J. 2019. Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 2. 10ma. Ed. Cengage Learning.
- Wikipedia. Radiación de fondo de microondas. Recuperado de: es.wikipedia.org.