Jim's Simple Physics Issue #i: The Big Bang Theory and Inflation [cerrado]

Antes de la Segunda Guerra Mundial, los astrónomos descubrieron que, en cualquier dirección que mires, las otras galaxias se están alejando de nosotros (tal vez nuestra galaxia huele mal o algo así). La Relatividad General (GR) de Einstein todavía era bastante nueva, pero, utilizando algunas matemáticas sofisticadas, los cosmólogos pudieron demostrar que GR podía explicar esta recesión si el universo se estaba expandiendo.

Para hacer frente a estas observaciones, surgieron muchas teorías en competencia, pero hubo dos teorías principales entre las que la mayoría de los cosmólogos eligieron. Una se llamó la teoría del estado estacionario. Esta teoría era que el universo se veía más o menos igual para siempre. Se expandiría y las galaxias retrocederían, pero en esta teoría el acto de expandir el universo hizo que se creara materia a intervalos regulares, que luego formarían nuevas galaxias. Y así, la distribución de galaxias y materia en realidad no cambiaría mucho; parecería ser siempre el mismo, pero en expansión. La segunda teoría que surgió fue que si trazabas los caminos de estas galaxias hacia atrás en el tiempo, encontrarías que el universo se vuelve más caliente y más denso en el pasado y que todo debería converger (algo así como rastrean el camino de la metralla hacia atrás para encontrar la ubicación de una explosión en esos programas de CSI). Esta teoría fue más tarde (en broma) nombrada Teoría del Big Bang. En ese momento (esto fue ahora después de la Segunda Guerra Mundial) había matemáticas para respaldar ambas teorías y, aunque tenían predicciones e implicaciones muy diferentes, había una clara falta de observaciones que pudieran mostrar cuál era mejor. Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos de la época favorecían la teoría del estado estacionario, en parte porque la teoría del Big Bang significaba que había un comienzo para el universo y esa idea parecía "repugnante" y demasiado religiosa. Según cabe suponer,

Este debate se prolongó durante casi dos décadas. Durante ese tiempo, comenzaron a aparecer algunas observaciones que insinuaban que el modelo del Big Bang era más probable; pero nada que pueda refutar definitivamente la teoría del estado estacionario. Sin embargo, una de las predicciones de la teoría del Big Bang fue que en algún momento del pasado el universo habría sido tan caliente y tan denso que el espacio mismo no sería transparente. Si uno mirara hacia el espacio en ese momento, en lugar de ver la negrura familiar del espacio con estrellas y todo eso salpicando el cielo, habría parecido que cada punto en el espacio era como mirar la superficie de una estrella naranja brillante ( el elemento de la estufa se calienta lo suficiente como para brillar en rojo; el universo estaba lo suficientemente caliente como para brillar en naranja). La teoría continuó diciendo que en algún momento el universo rápidamente (significado rápido en solo una docena de miles de años) se volvió transparente. En ese momento, cualquier luz que se produjera cuando estaba caliente y opaca salió disparada al espacio hasta que golpeó algo (parte de ella nunca golpeó nada). A medida que el universo continuó expandiéndose, se enfrió y esta luz cambió gradualmente de naranja a rojo y, finalmente, al rango de radiación de microondas (que corresponde a una temperatura de 270,45 °C bajo cero). Dado que esta luz se originó en todos los puntos del universo aproximadamente al mismo tiempo, el modelo del Big Bang dijo que deberíamos esperar ver radiación de microondas en todo el cielo proveniente de una distancia que correspondería al momento en que se emitió la luz (recuerde, a la luz le lleva tiempo viajar una distancia. Cuanto más lejos en el espacio mires, cuanto más lejos en el pasado se ve). Por otro lado, el modelo de estado estacionario decía que dado que el universo siempre se ve más o menos igual, no habría habido un momento en que esta "radiación de fondo de microondas cósmica" (CMB) podría haberse emitido, por lo que no deberíamos ver nada. por el estilo. Bueno, en 1964, descubrimos que en cualquier lugar del cielo al que mires, encontrarás radiación de microondas tal como decía la teoría del Big Bang. Como dijo tan poéticamente nuestro adorable Dr. Stephen Hawking en ese momento, este fue "el último clavo en el ataúd de la teoría del estado estacionario". Si bien había algunos científicos que aún apoyaban teorías alternativas, el Big Bang se convirtió en la teoría dominante aceptada en cosmología. no habría habido un momento en que esta "Radiación de fondo de microondas cósmica" (CMB) podría haberse emitido, por lo que no deberíamos ver nada por el estilo. Bueno, en 1964, descubrimos que en cualquier lugar del cielo al que mires, encontrarás radiación de microondas tal como decía la teoría del Big Bang. Como dijo tan poéticamente nuestro adorable Dr. Stephen Hawking en ese momento, este fue "el último clavo en el ataúd de la teoría del estado estacionario". Si bien había algunos científicos que aún apoyaban teorías alternativas, el Big Bang se convirtió en la teoría dominante aceptada en cosmología. no habría habido un momento en que esta "Radiación de fondo de microondas cósmica" (CMB) podría haberse emitido, por lo que no deberíamos ver nada por el estilo. Bueno, en 1964, descubrimos que en cualquier lugar del cielo al que mires, encontrarás radiación de microondas tal como decía la teoría del Big Bang. Como dijo tan poéticamente nuestro adorable Dr. Stephen Hawking en ese momento, este fue "el último clavo en el ataúd de la teoría del estado estacionario". Si bien había algunos científicos que aún apoyaban teorías alternativas, el Big Bang se convirtió en la teoría dominante aceptada en cosmología. Stephen Hawking lo expresó tan poéticamente en ese momento, este fue "el último clavo en el ataúd de la teoría del estado estacionario". Si bien había algunos científicos que aún apoyaban teorías alternativas, el Big Bang se convirtió en la teoría dominante aceptada en cosmología. Stephen Hawking lo expresó tan poéticamente en ese momento, este fue "el último clavo en el ataúd de la teoría del estado estacionario". Si bien había algunos científicos que aún apoyaban teorías alternativas, el Big Bang se convirtió en la teoría dominante aceptada en cosmología.

Pero, ¿qué es exactamente el Big Bang? Para responder a esto, permítanme primero describir lo que quiero decir cuando digo que el universo se está expandiendo. Imagina un globo parcialmente inflado. Ahora imagina dos hormigas simplemente enfriándose en dos posiciones separadas en la superficie del globo. No se están moviendo; probablemente de vacaciones o algo así. Esto representa el universo tal como es hoy y las hormigas son dos hormigas espaciales gigantes que no se van a mover de su posición. Si procedemos a inflar el globo, esto es como si el universo se expandiera. Observa que, mientras las hormigas no se mueven, la distancia entre ellas aumenta. De hecho, vemos que cada punto del globo se aleja más de cualquier otro punto y que los puntos más distantes se alejan más rápido, lo que también es cierto con la expansión del universo. Entonces, si desinflamos el globo, esto es como volver al pasado y vemos que la distancia entre las hormigas se reduce, aunque todavía no se han movido. Esto nos lleva a la definición del Big Bang. Si continuáramos desinflando el globo, llegaría un momento en que la distancia entre dos puntos separados cualesquiera se vuelve cero. Eso no significa que nuestras hormigas estén en el mismo punto, significa que no hay distancia entre sus ubicaciones. El Big Bang se define como el momento en el tiempo en que la distancia entre dos puntos cualesquiera en el espacio es igual a cero. A partir de esto, vemos que el Big Bang no fue un evento, como una explosión que ocurrió en cualquier lugar, en realidad fue un momento del tiempo, como "ayer". Entonces, si alguien preguntara dónde sucedió el Big Bang, sería como preguntar "¿Dónde sucedió ayer?". En todos lados. aunque todavía no se han movido. Esto nos lleva a la definición del Big Bang. Si continuáramos desinflando el globo, llegaría un momento en que la distancia entre dos puntos separados cualesquiera se vuelve cero. Eso no significa que nuestras hormigas estén en el mismo punto, significa que no hay distancia entre sus ubicaciones. El Big Bang se define como el momento en el tiempo en que la distancia entre dos puntos cualesquiera en el espacio es igual a cero. A partir de esto, vemos que el Big Bang no fue un evento, como una explosión que ocurrió en cualquier lugar, en realidad fue un momento del tiempo, como "ayer". Entonces, si alguien preguntara dónde sucedió el Big Bang, sería como preguntar "¿Dónde sucedió ayer?". En todos lados. aunque todavía no se han movido. Esto nos lleva a la definición del Big Bang. Si continuáramos desinflando el globo, llegaría un momento en que la distancia entre dos puntos separados cualesquiera se vuelve cero. Eso no significa que nuestras hormigas estén en el mismo punto, significa que no hay distancia entre sus ubicaciones. El Big Bang se define como el momento en el tiempo en que la distancia entre dos puntos cualesquiera en el espacio es igual a cero. A partir de esto, vemos que el Big Bang no fue un evento, como una explosión que ocurrió en cualquier lugar, en realidad fue un momento del tiempo, como "ayer". Entonces, si alguien preguntara dónde sucedió el Big Bang, sería como preguntar "¿Dónde sucedió ayer?". En todos lados. llegaría un momento en que la distancia entre dos puntos separados se vuelve cero. Eso no significa que nuestras hormigas estén en el mismo punto, significa que no hay distancia entre sus ubicaciones. El Big Bang se define como el momento en el tiempo en que la distancia entre dos puntos cualesquiera en el espacio es igual a cero. A partir de esto, vemos que el Big Bang no fue un evento, como una explosión que ocurrió en cualquier lugar, en realidad fue un momento del tiempo, como "ayer". Entonces, si alguien preguntara dónde sucedió el Big Bang, sería como preguntar "¿Dónde sucedió ayer?". En todos lados. llegaría un momento en que la distancia entre dos puntos separados se vuelve cero. Eso no significa que nuestras hormigas estén en el mismo punto, significa que no hay distancia entre sus ubicaciones. El Big Bang se define como el momento en el tiempo en que la distancia entre dos puntos cualesquiera en el espacio es igual a cero. A partir de esto, vemos que el Big Bang no fue un evento, como una explosión que ocurrió en cualquier lugar, en realidad fue un momento del tiempo, como "ayer". Entonces, si alguien preguntara dónde sucedió el Big Bang, sería como preguntar "¿Dónde sucedió ayer?". En todos lados. A partir de esto, vemos que el Big Bang no fue un evento, como una explosión que ocurrió en cualquier lugar, en realidad fue un momento del tiempo, como "ayer". Entonces, si alguien preguntara dónde sucedió el Big Bang, sería como preguntar "¿Dónde sucedió ayer?". En todos lados. A partir de esto, vemos que el Big Bang no fue un evento, como una explosión que ocurrió en cualquier lugar, en realidad fue un momento del tiempo, como "ayer". Entonces, si alguien preguntara dónde sucedió el Big Bang, sería como preguntar "¿Dónde sucedió ayer?". En todos lados.

Genial, así que la teoría del Big Bang se convirtió en la teoría favorita y todo en la vida se volvió maravilloso para siempre, ¿verdad? No. Pronto se señaló que había un agujero enorme en la teoría del Big Bang. Cuando miramos el CMB, vemos que es casi exactamente igual en todas las direcciones, como si la temperatura en cada punto del espacio hubiera podido igualarse antes de que se emitiera la radiación. Pero espera, nada puede viajar más rápido que la luz y la luz de un lado del cielo recién ahora nos está alcanzando; en el punto medio entre los dos lados opuestos del cielo, después de viajar durante unos 13.800 millones de años. Entonces, ¿cómo es posible que los dos lados opuestos del cielo hayan hablado entre sí para igualar sus temperaturas? De hecho, cuando hicimos los cálculos, descubrimos que nunca hubo un momento en que estas regiones del universo pudieran haber estado en comunicación y, sin embargo, aún vemos que deben haber estado en contacto para igualar sus temperaturas (de lo contrario, esperaría al menos alguna variación). Este es el problema del horizonte del antiguo modelo del Big Bang.

Ahí es donde entra la inflación. Para resolver el problema del horizonte (y un par de problemas matemáticos más), se propuso la teoría de la inflación, que dice que el universo se expandió muy lentamente al principio. Esto duró un período de tiempo inimaginablemente corto, pero dado que la distancia entre dos puntos cualesquiera también era inimaginablemente pequeña, la velocidad de la luz fue lo suficientemente rápida para que todo se comunicara y las temperaturas se igualaran. Muy pronto, sin embargo, la expansión despegó como un murciélago del infierno. En el lapso de 10 a 30 segundos (o una milmillonésima de una milmillonésima de una milmillonésima de milisegundo), el universo se expandió por un factor de al menos 1026 veces. Para poner eso en perspectiva, si tuviera dos puntos que estuvieran separados por una distancia de aproximadamente la altura de una persona (alrededor de 6 pies) antes de que comenzara la inflación, luego de que terminara 10-30 segundos más tarde, la distancia entre esos mismos dos puntos sería de unos 20 mil millones de años luz. Es posible que esos puntos hayan podido comunicarse entre sí de antemano, pero luego claramente están demasiado separados para comunicarse en absoluto.

La rápida expansión durante la inflación enfrió sustancialmente el universo, algo así como el fluido en expansión que se usa para enfriar su refrigerador. Sin embargo, después de la inflación, la expansión se desaceleró rápido (muy rápido). Entonces, ¿qué sucede cuando estás en tu auto y pisas los frenos? Los frenos pueden calentarse mucho. De una manera extrañamente similar, la expansión se desaceleró tan rápido después de la inflación que el universo se calentó nuevamente (Consejo profesional: no toque las pastillas de freno o los universos muy calientes). La enorme cantidad de energía en este proceso de recalentamiento también hizo que la materia y la radiación surgieran por primera vez (hay una razón mucho más complicada para esto que involucra la descomposición del campo que impulsa la inflación, pero principalmente equivale a proporcionar la energía para crear todo) . Desde allí,

En conclusión, lo he comprobado y resulta que, después de muchos años, los científicos han podido verificar repetidamente que NO es mantequilla, pero todavía no puedo creer que no sea mantequilla.