¿Cómo es posible llegar a la conclusión de que el Universo es el resultado del Big Bang si no podemos observar todo el Universo?

Lamentablemente, existe una confusión y un malentendido generalizados acerca de cómo trabajan los físicos. El objetivo de la Física es describir la naturaleza mediante la construcción de modelos matemáticos. Esto suena aterrador, pero un modelo matemático es solo un conjunto de ecuaciones que nos permiten hacer predicciones sobre lo que sucede en el mundo real. Todos los modelos matemáticos son aproximados y tienen una precisión limitada, pero en principio podemos al menos hacer que nuestros modelos sean tan precisos como queramos trabajando más duro en ellos.

De todos modos, el punto de todo esto es que el Big Bang surge de una solución particular de las ecuaciones de la Relatividad General llamada métrica FLRW . La Relatividad General es un modelo matemático, y casi con certeza uno aproximado, ya que esperamos que sea modificado por alguna futura teoría de la gravedad cuántica. Sin embargo, GR ha hecho predicciones correctas cada vez que se ha probado, por lo que creemos que es un modelo extremadamente preciso cuando se aplica al universo que nos rodea, y tenemos mucha confianza en él.

GR es extremadamente complejo y difícil de resolver, por lo que si queremos usar GR para describir todo el universo, debemos hacer algunas aproximaciones. Concretamente estos son que el universo es homogéneo e isótropo. Homogeneidad significa que el universo es el mismo en todas partes, e isotrópico significa que se ve igual en todas las direcciones. A pequeña escala, estas suposiciones obviamente no son ciertas porque los comienzos se agrupan en galaxias, por lo que la distribución de la materia es desigual. Sin embargo, las galaxias son pequeñas en comparación con el universo visible, y cuando observas escalas de longitud de mil millones de años luz, la densidad de la materia se promedia y es más o menos homogénea. Por lo tanto, esperamos que una teoría basada en la isotropía y la homogeneidad sea precisa a escalas grandes, pero menos precisa a escalas más pequeñas.

De todos modos, si hacemos estas suposiciones, resulta bastante fácil resolver las ecuaciones de GR para todo el universo y la solución es la métrica FLRW que mencioné anteriormente. Lo interesante de esta solución es que predice que el universo debe estar expandiéndose (o contrayéndose): no puede quedarse quieto. Cuando miramos a nuestro alrededor, encontramos que el universo se está expandiendo y, de hecho, la solución FLRW parece ser una excelente descripción del universo a escalas muy grandes.

Entonces, creemos en GR, y creemos en la métrica FLRW (para escalas grandes), y si usamos la métrica FLRW para extrapolar hacia atrás en el tiempo, encontramos que predice que hace 13.700 millones de años, el universo se redujo a nada. Este punto es lo que llamamos el Big Bang. Puede parecer una exageración decir que debido a que la métrica FLRW describe correctamente el universo actual, se puede confiar en que describirá correctamente el universo hace 13.700 millones de años. Sin embargo, podemos ver hacia atrás en el tiempo porque cuanto más lejanas están las galaxias, más tarda la luz en llegar a nosotros. Las galaxias más antiguas que podemos ver datan de menos de mil millones de años después del Big Bang. Además, podemos medir la radiación de microondas de un evento llamado recombinación que ocurrió solo 300 000 años después del Big Bang (probablemente haya oído hablar de esta radiación, se llamafondo cósmico de microondas ). Todas estas observaciones coinciden con los cálculos realizados con la métrica FLRW.

Entonces, la conclusión es que creemos que la métrica FLRW es una buena descripción del universo, porque coincide con el experimento, y la métrica FLRW predice el Big Bang, por eso creemos que ocurrió el Big Bang.

Bueno, no estamos seguros de eso, sabemos cosas como que el universo se está expandiendo a una velocidad acelerada, además de muchas otras propiedades observables diferentes, al mismo tiempo construimos diferentes modelos matemáticos del universo poniendo algunas suposiciones "intuitivas", y luego simulamos en computadoras cómo se verá nuestro universo (evolucionará en el tiempo) en esos modelos, y la teoría estándar del Big Bang es solo una de muchas otras, y parece que predice relativamente bien nuestra imagen observable actual del universo, de todos modos hay Hay muchos problemas fundamentales con todos estos modelos, lo que hace que la física sea realmente divertida;)