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¿Cómo nació el Universo?

El interior de la nebulosa Águila.

Ésta es la Vía Láctea, la galaxia donde está colocado nuestro sistema solar. Estamos mirando hacia su centro. Alrededor hay millones de estrellas.

La ciencia ha determinado que el Universo lleva 14, 000 millones de años evolucionando. Cuando miramos los cielos, vemos luz que tomó miles de millones de años en alcanzarnos. Efectivamente, estamos mirando el pasado. Foto: La nebulosa Tarántula, difundida por la Administración Nacional de la Aeronáutica y el Espacio (NASA).

Retrato de nuestro pasado: Esta foto, difundida por la NASA, tomada en el 1996, es un cuadro del Universo primitivo. Algunas de estas galaxias se desarrollaron apenas 1, 000 millones de años después de la formación del espacio-tiempo.

Las fotos previas fueron tomadas por el telescopio Hubble (arriba), nombrado en reconocimiento del astrónomo Edwin Hubble. El proyecto es producto de una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Europea. El telescopio ha tomado 700, 000 fotos permitiéndonos observar: cómo se formaron las estrellas y galaxias, calcular sus velocidades, determinar la tasa de expansión y el tamaño del Universo, identificar objetos masivos curvando la luz, observar agujeros negros y detectar la presencia de los elementos por todo el Universo. Los resultados de los proyectos cumplidos por el telescopio Hubble demuestran que el proceso de formación de planetas es común. Todo lo anterior nos ayuda a entender mejor cómo ha sido la evolución del Universo.

En el 1923 el astrónomo Edwin Hubble observó las galaxias fuera de la Vía Láctea, transformando la percepción científica sobre el Universo. Tomando placas fotográficas de la nebulosa Andrómeda, Hubble mostró que ésta no era una mera masa de gas (como otros postulaban), sino otra galaxia formada por millones de estrellas. Hubble desarrolló un método para calcular las distancias de las galaxias y así computó un tamaño más exacto del Universo, el cual era más vasto de lo que nadie se imaginaba. Izquierda: Edwin Hubble en el telescopio de Mt. Wilson.

Al calcular las distancias de las galaxias, Hubble descubrió que éstas se alejaban rápidamente, es decir, que el Universo se agrandaba. Este crecimiento de las distancias entre las galaxias apuntó a que en el pasado estaban juntas, a que hubo un tiempo (entre 10 mil a 20 millones de años atrás) cuando estuvieron en el mismo lugar. Esto impulsó la teoría de la "Gran Explosión“ (Big Bang), de que el Universo tuvo un inicio con una gran explosión. Arriba: La famosa galaxia Andrómeda que Hubble estudió.

Modelo de un universo esférico en expansión: Mientras el universo aumenta en tamaño, las galaxias se distancian.

Antes de las observaciones de Hubble, en el 1915 Albert Einstein desarrolló la Teoría General de la Relatividad que entre otras cosas concluía que el espacio es dinámico, debería expandir y/o contraer. Einstein se negó a creer el resultado de sus propias ecuaciones y postuló un Universo estático. Luego de hablar con Hubble y confirmar que las distancias entre las galaxias aumentaban, Einstein dijo: “Cometí el error más grande de mi vida”. Foto: Einstein y Hubble.

Imagínese que el Universo es un bizcocho de pasas, y que las galaxias son las pasas adentro del bizcocho. A medida que el bizcocho se expande, las pasas se separan unas de las otras. Igualmente, cada galaxia en el Universo está alejándose de las demás, porque el espacio-tiempo se está expandiendo. Tiempo A medida que el bizcocho se expande, la distancia “D” entre las pasas incrementa, pero el tamaño “d” de cada pasa no cambia. Cada pasa ve a su vecina distanciándose.

Así fue que se generó la idea de que el Universo se formó de una gran explosión. Pero el Big Bang no fue una “explosión” de una bola de fuego que soltó escombros hacia fuera como popularmente se piensa, más bien fue una transición, un salto cuántico, una transformación de la realidad anterior (como dice la NASA “un estiramiento”), que resultó en la aparición (casi simultánea) del espacio-tiempo.

Tiempo X Y Big Bang

En el 1948, los físicos Georgi Gamow y Ralph Alpher postularon que las reacciones nucleares, que ocurrieron inmediatamente después del Big Bang, requerían un comienzo a temperaturas muy elevadas y que según los cálculos el Big Bang (si ocurrió) tuvo que haber dejado un rastro, hoy día detectable en la forma de radiación de microondas cósmicas. En el 1989 la NASA lanzó el satélite Explorador del Fondo Cósmico-COBE (arriba), para detectar la radiación de microondas del Universo.

En 1992 el equipo de COBE anunció la detección de la radiación de microondas. Arriba: Mapa indicando variaciones en temperaturas, regiones frías y calientes relacionadas con el campo gravitatorio del Universo infantil (poco después del Big Bang). Estas variaciones son las semillas que les dieron surgimiento a los gigantescos cúmulos de galaxias que se extienden por cientos de millones de años luz por el Universo. Foto: NASA.

En el 2001, la NASA lanzó otro proyecto: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) para medir con mayor exactitud la radiación del fondo cósmico de microondas. Arriba: Mapa completo del cielo - de la luz más vieja del Universo (380 mil años después de Big Bang). Los colores indican puntos “más calientes” (rojo) y puntos “más fríos” (azul). La forma de óvalo es una proyección para exhibir el cielo completo. Foto: NASA, 2003.

Si pudiéramos ver la radiación del fondo cósmico de microondas, el cielo quizás se vería como en esta gráfica. (Emisiones de la televisión han sido eliminadas. )

Después de analizar la data de WMAP por varios años, en el 2006 la NASA distribuyó un informe y un diagrama sobre el Big Bang y el desarrollo del Universo (arriba), detallando sus conclusiones, entre ellas: 1) En la fase inicial (izquierda), fluctuaciones cuánticas provocan una expansión exponencial - “una inflación” estableciendo el Universo infantil. Luego de la “inflación” de corto tiempo, el Universo sigue expandiéndose. 2) La radiación del fondo cósmico de microondas (parte verde) se retrató a 400, 000 años después del Big Bang (BB); 3) Las primeras estrellas se forman a 400 millones de años posteriores al BB; 4) Las primeras galaxias y planetas comienzan a constituirse después de 1, 000 millones de años; 5) La edad del Universo es aproximadamente 13. 7 millones de años; y 6) El Universo actual sigue su expansión y actualmente acelera, debido a una energía que lo provoca. Foto: NASA, 2006.

Gráfica distribuida por la NASA, de la energía “negra” que actualmente provoca una aceleración de la expansión del Universo.

Inflación (en amarillo) Sobre la “inflación” inicial: En menos de un segundo, el tamaño de un parche del tejido del suelo cuántico aumentó exponencialmente, fijando la gran mayoría de la totalidad del Universo.

Modelo de un universo esférico experimentando la “inflación” - crecimiento exponencial. En menos de un segundo un parche del tejido del suelo quántico creció exponencialmente, estableciendo el Universo. Tengamos en mente que las leyes de la física que gobiernan la realidad a nivel “cuántico” (al nivel de las partículas subátomicas) son muy diferentes a las leyes de la física que gobiernan la realidad a nivel grande.

Liso Áspero Fluctuaciones cuánticas De acuerdo con el astrofísico teórico Brian Greene, si se examina el tejido del suelo cuántico, a principio lo vemos liso, como cuando observamos el mar desde mucha altura. Si ampliamos la región comenzamos a verlo áspero. Y si magnificamos la región a nivel ultramicroscópico (subatómico), veremos un suelo de fluctuaciones cuánticas, de “caos” y turbulaciones, donde partículas energéticas virtuales son creadas y destruidas constantemente. (Noten los tamaños subatómicos). Formación de partículas virtuales (burbujas cuánticas).

El tejido del suelo cuántico consiste de una turbulencia de partículas energéticas virtuales, que constantemente entran y salen de existencia, proceso de ondulaciones subatómico conocido como la “fluctuación cuántica”. Animación (arriba): NASA. Las fluctuaciones quánticas son la condición aleatoria de la materia, en su estado de existencia o no existencia. A este nivel subatómico, el estado de la realidad es fugaz, siempre cambiando de un nanosegundo al próximo. En un instante un parche de este suelo (por ejemplo una burbuja) se inflamó estructurando el Universo, desde un mundo subatómico a proporciones astronómicas. Las fluctuaciones cuánticas entonces fueron convertidas, por la inflación, en fluctuaciones de materia que en su suma engendraron la formación de las estrellas y galaxias. A medida que el Universo expandió, las fluctuaciones cuánticas crecieron hasta llegar a ser variaciones en la cantidad de materia distribuida por todo el Universo.

Las fluctuaciones cuánticas le dieron nacimiento a la inflación y al Big Bang, estableciendo el espacio-tiempo.

“Estiramiento”(crecimiento del espacio) Tiempo Big Bang Fluctuaciones cuánticas

La teoría del Big Bang es una explicación abarcadora y contundente que ha sido y sigue siendo verificada por observaciones y por la colección de data de todas las ramas de la ciencia. Del Big Bang surge una explicación de cómo se desarrollaron las cuatro fuerzas fundamentales del Universo: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, y las partículas subatómicas elementales, los átomos, los elementos, las estrellas, galaxias y planetas, etc.

“Actualmente el Universo expande gradualmente. Pero su expansión inicial fue increíblemente rápida, cuando en un trillón de un segundo seguramente creció de la escala de las fluctuaciones cuánticas. De hecho, hoy día informamos que el panorama cosmológico conocido como la Inflación resulta aún más cuantificado, por los tres años de análisis de la data recogida por la nave espacial WMAP. Los instrumentos de WMAP detectaron la radiación del fondo cósmico de microondas – la posluminiscencia de la luz más temprana del Universo. La nave WMAP El éxito extraordinario de WMAP en explorar el primer trillón de un segundo y favorecer a modelos inflacionarias específicos, yace en su habilidad de hacer cálculos precisos sin precedentes, de las propiedades del fondo de microondas. Las propiedades sutiles fueron destiladas de las condiciones del Universo temprano y relacionadas con sus primeros momentos de existencia. Esquemáticamente, este diagrama traza 13. 7 millones de años (más un trillón de un segundo. . . ), la historia del Universo desde su estado cuántico, hasta la formación de las estrellas, galaxias, planetas y de WMAP”. Cita de los astrofísicos: Robert Nemiroff y Jerry Bonnell, participantes en el proyecto WMAP de la NASA.

Modelos de universos que procrean. Muchos astrofísicos piensan que nuestro Universo se reproduce. A la izquierda dos modelos de universos que se autoduplican, conocidos como: la “inflación eterna” e la “inflación caótica”. Ambos modelos de universos pasan por las etapas de inflación y expansión, y les dan nacimiento a otros universos. En ambos casos, el Universo no tiene comienzo independiente (creación por un Dios), ni tampoco fin, debido a su habilidad integrada de multiplicarse.

Algunos cosmólogos como Michio Kaku postulan que otras burbujas cuánticas pudieron haberse inflado, creando otras regiones de espacio-tiempo, similares a nuestro Universo.

El cosmólogo Adrei Linde piensa que una burbuja inflada habría de hacer brotar otra burbuja, la cual, a su vez, habría de hacer brotar otra más. En efecto, cada burbuja sería un nuevo Big Bang, un nuevo universo con características diferentes y quizás hasta con diferentes dimensiones. Nuestro universo sería tan sólo uno de ellos.

Cuando el astrofísico Stephen Hawking visitó el Vaticano, el entonces papa Juan Pablo II le pidió "que se abstuviera de estudiar el origen del Universo", puesto que éste sólo compete a Dios. El científico bromeó: "Me alegró saber que él no se había percatado de que había presentado una ponencia en la que teorizaba sobre cómo empezó el Universo. No me hacía gracia la idea de ser entregado a la Inquisición como Galileo".

Materiales de interés relacionados con los temas de la presentación. Páginas de Internet (para acceder a la página, pulse el botón de su ratón sobre el enlace en azul): A Review of the Universe (http: //universe-review. ca); Astro. Mía (http: //www. astromia. com); Astronomy Picture of the Day Archive (http: //apod. nasa. gov/apod/archivepix. html); Ciencia@NASA, Archivo de Títulos 2007 (http: //ciencia. nasa. gov/headlines/news_archive. htm); Hubble, The Entire Collection (http: //hubblesite. org/gallery/album/entire_collection); NASA: New Three Year Results On the Oldest Light in the Universe (http: //map. gsfc. nasa. gov/m_mm. html); NASA: Understanding the Evolution of Life in the Universe (http: //map. gsfc. nasa. gov/m_uni/uni_101 life. html) Teoría Cosmológica de la Inflación (http: //home. earthlink. net/~umuri/_/Main/T_inflacion. html); The Self-Reproducing Inflationary Universe, Andrei Linde (http: //www. stanford. edu/%7 Ealinde/1032226. pdf). Ponencia de vídeo a través de la Internet: The Universe From the Ground Up, Alan Guth (http: //www. nsf. gov/news/mmg_disp. cfm? med_id=52181). Se necesita Real. Player para ver la ponencia. La presentación: ¿Cómo nació el Universo? fue creada por Tom Soto (commentstomsoto@yahoo. com) Todos los materiales utilizados para su construcción fueron tomados de la Internet. La mayoría de los materiales revisados fueron escritos en inglés. Para acceder a materiales en español utilice cualquier programa de búsqueda como “Google”, “Yahoo”, o “Search” de Internet Explorer. Otras presentaciones (slide shows) disponibles: Aprendiendo a vivir; Para el que no lo sepa, El beso y Qué revelan tus genes. DVD: Einstein Revealed, NOVA; Einstein’s Relativity and the Quantum Revolution, The Teaching Company; Evidence: The Case for NASA UFOs, Terra Entertainment; Frequency, New Line Productions; Hyperspace, BBC; Origins: Fourteen Years of Cosmic Evolution, NOVA; Particle Physics for Non-Physicists, The Learning Company; Starry Night, Imaginova; Stephen Hawking’s Universe, PBS; The Race to the Moon, History Channel; The Elegant Universe, NOVA. Libros: Atom, Isaac Asimov; Beyond Einstein, Michio Kaku & Jennifer Thompson; The Illustrated A Brief History of Time, Stephen Hawking; Cosmos, Carl Sagan; Cosmos: A Field Guide, Giles Sparrow; In Search of Schrodinger’s Cat, John Gribbin; Introducing Quantum Theory, J. P. Mc. Evoy & Oscar Zarate; Nature Loves to Hide, Shimon Malin; Origins: Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution, Neil De Grasse Tyson & Donald Goldsmith; Parallel Universes, Fred Alan Wolf; Parallel Worlds: A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos, Michio Kaku; Quantum Reality, Nick Herbert; Relativity and Common Sense, Hermann Bondi; Relativity, Albert Einstein; Relativity Visualized, Lewis Carroll Epstein; The Elegant Universe, Brian Greene; The Self-Aware Universe, Amit Goswami; The Ilustrated On the Shoulders of Giants, Stephen Hawking; The Ghost In the Atom, P. C. W. Davies and J. R. Brown; The Illustrated Atlas of the Unviverse, Mark Garlick & Wil Tirion; The Fabric of Reality, David Deutsch; The Fabric of the Cosmos, Brian Greene; The Illustrated Universe In a Nutshell, Stephen Hawking; Three Roads to Quantum Gravity, Lee Smolin; What Is Life? , Erwin Schrodinger; Wholeness and the Implicate Order, David Bohm.