Según la teoría del Big Bang, el universo se expandió desde una singularidad densa y caliente hasta su estado actual. La teoría del Big Bang es una teoría sobre el origen del universo en la física cósmica. Según la teoría del Big Bang, el universo evolucionó desde un estado de densidad y temperatura extremadamente altas hace aproximadamente 654,38 mil millones de años. Esta teoría proviene de las velocidades observadas de las galaxias que se alejan según la ley de Hubble y, según el modelo de relatividad general de Friedmann, el espacio puede estar expandiéndose. Extendidas (matemáticamente lo opuesto a la interpolación) hacia el pasado, estas observaciones muestran que el universo se expandió desde su estado inicial. En este estado inicial, la temperatura y la densidad de la materia y la energía del universo eran extremadamente altas. En cuanto a lo que sucedió antes de eso, la relatividad general sugiere que hubo una singularidad gravitacional, pero los físicos no están de acuerdo.
El “Big Bang” en sentido estricto se refiere a los cambios violentos experimentados en las primeras etapas de la formación del universo, hace aproximadamente 654,38 037 mil millones de años (654,38 0,37×654,38 006,54 .38 00). Pero a grandes rasgos se refiere a teorías populares que revelan el origen y la expansión del universo. Un corolario directo de esta teoría es que el universo en el que vivimos hoy es diferente del universo de ayer o de mañana. Según esta teoría, George Gamov predijo la existencia de la radiación cósmica de fondo de microondas en 1948. En la década de 1960 se detectó esta radiación, lo que apoyó firmemente la teoría del Big Bang y, por tanto, negó otra teoría popular de un universo en estado estacionario.
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Historia del desarrollo
La teoría del Big Bang se desarrolló a través de observaciones experimentales y derivaciones teóricas. En observaciones experimentales, en la década de 1910, Vesta Schleifer y Carl Wertheim Wirtz confirmaron que la mayoría de las nebulosas espirales se estaban alejando de la Tierra, pero tampoco pensaron que esto significara nada para la cosmología. No se cree que las nebulosas descubiertas sean en realidad galaxias. aparte de la Vía Láctea. Al mismo tiempo, en teoría, la teoría general de la relatividad de Einstein estableció y derivó con éxito un universo sin estados estables. El universo descrito por el tensor métrico se está expandiendo o contrayendo. Einstein pensó que había resuelto el error y añadió una constante cosmológica para corregirlo. La primera persona que aplicó la relatividad general a la cosmología sin utilizar la constante cosmológica fue Alexander Friedman. El universo descrito por sus ecuaciones se conoce como universo de Friedmann-Mahler. El Universo Tre-Robertson-Walker está en constante expansión y es razonable imaginar que solía ser más pequeño de lo que es ahora. Si pudiéramos mirar la historia cinematográfica del universo hacia atrás, descubriríamos que en algún momento, hace mucho tiempo, todas las estrellas estaban juntas y que el universo era originalmente un núcleo denso de materia. En 1927, el sacerdote católico belga Lemaitre elaboró de forma independiente la fórmula Friedmann-Maller? La ecuación de Tre-Robertson-Walker, basada en el fenómeno de la recesión de las nebulosas espirales, propuso que el universo "explotó" a partir de un "átomo primario", lo que más tarde se conoció como el Big Bang.
Desde 65438 hasta 0929, Edwin Hubble proporcionó condiciones experimentales para la teoría de Lemaitre. Hubble demostró que estas nebulosas espirales eran en realidad galaxias y midió las distancias entre ellas observando estrellas en Delta Cephei. Descubrió que la velocidad a la que las galaxias se alejan de la Tierra es exactamente proporcional a su distancia a la Tierra, lo que se conoce como ley de Hubble. Según el principio de la cosmología, cuando se observa un espacio lo suficientemente grande, no hay una dirección especial o un punto especial, por lo que la ley de Hubble muestra que el universo se está expandiendo. Hay dos posibilidades opuestas para esta visión: una es la teoría del big bang propuesta por Lemaitre y apoyada y mejorada por Gamow; la otra es el modelo de universo estable de Hoyle. En el modelo del universo en estado estacionario, el espacio que dejan las galaxias distantes continúa produciendo nueva materia, por lo que el universo permanece básicamente sin cambios. De hecho, esta teoría fue propuesta para satirizar la "Teoría del Big Bang" de Lemaitre. Se difundió por primera vez a través de un programa de radio de la BBC en 1949 y se publicó en el artículo "La naturaleza de las cosas" en 1950.
Durante muchos años después de eso, las dos teorías coexistieron, pero los hechos observados comenzaron a respaldar un universo que evolucionaba hacia un estado caliente y denso.
El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas en 1965 llevó a la gente a creer que la teoría del Big Bang es la mejor teoría para el origen y la evolución del universo. Antes de la década de 1970, muchos cosmólogos creían que el universo podría contraerse antes de expandirse, para evitar derivar una singularidad "ridícula" infinitamente densa del modelo de Friedmann. El modelo representativo es el "Universo oscilante" de Richard Tolman. A finales de la década de 1960, Stephen Hawking y otros demostraron que esta hipótesis no era factible porque las singularidades son un corolario directo e importante de la teoría de la gravedad de Einstein. Desde entonces, la mayoría de los cosmólogos han llegado a aceptar que el universo descrito por la relatividad general es finito en el tiempo. Sin embargo, debido a una comprensión insuficiente de las leyes de la gravedad cuántica, actualmente es imposible determinar si esta singularidad es un punto infinitesimal de una colección en el verdadero sentido, o si el proceso de contracción física puede continuar indefinidamente, alcanzando así indirectamente el infinito en el tiempo. .
Casi todas las investigaciones actuales sobre física cósmica están relacionadas con la teoría del Big Bang, o es su extensión o explicación adicional, como por ejemplo cómo se formaron las galaxias bajo la teoría del Big Bang, qué sucedió durante los procesos físicos del Big Bang , utilizando la teoría del Big Bang para explicar nuevas observaciones. A finales de la década de 1990 y principios del siglo XXI, debido al desarrollo de la tecnología de los telescopios y a la gran cantidad de datos recopilados por detectores fabricados por el hombre, la teoría del Big Bang logró un gran avance. Las condiciones y los datos del universo en el momento del Big Bang se pueden calcular con mayor precisión, produciendo muchos resultados inesperados, como la aceleración de la expansión del universo. Ver energía oscura.
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Teoría
La teoría del Big Bang estima que la edad del universo es de 13.720 millones de años, basándose en la observación del tipo Ia supernovas y el fondo cósmico. Obtenido a partir de mediciones de intensidad de radiación y funciones de correlación de galaxias. Los resultados de los tres cálculos independientes son consistentes, lo que se considera una fuerte evidencia para el llamado modelo Lambda-CDM, que describe con más detalle la naturaleza de las galaxias en el universo. El universo primitivo estaba lleno de materia homogénea con temperaturas, presiones y energías extremadamente altas. A medida que se expande y se enfría, la materia en el universo sufre un cambio de fase similar al proceso de condensación del vapor de enfriamiento y al proceso de solidificación del agua, pero la diferencia es que el primero ocurre a un nivel de partículas más fundamental.
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Impacto
El primer segundo es un parteaguas en la historia del universo. Después de este instante, la temperatura del universo cayó a un nivel que puede describirse utilizando nuestro conocimiento actual de la física, lo que proporciona una vista aproximadamente precisa del universo a vista de pájaro. Hace un segundo, el universo denso y caliente era un conjunto de partículas que los humanos no podían entender y las leyes físicas existentes no podían describir su comportamiento. Este es un tipo de caja negra de 1 segundo.
Hace un segundo, debería haber cantidades iguales de protones y neutrones en el universo, porque las interacciones débiles harán que los protones y los neutrones se transformen entre sí y mantengan un equilibrio en su número. Pero en 1 segundo, la velocidad de expansión se vuelve demasiado grande y la interacción débil ya no puede mantener el equilibrio del número de protones y neutrones. Debido a que los neutrones son ligeramente más pesados que los protones, se necesita más energía para convertir un protón en un neutrón, lo cual es más difícil que convertir un neutrón en un protón. Entonces, la interacción débil cesa y los neutrones y protones ya no se convierten entre sí en grandes cantidades, dejando una cierta proporción de los números relativos de neutrones y protones: alrededor de 1 a 6.
Después del primer segundo, en 3 minutos, los neutrones y protones se agregan violentamente para formar núcleos de deuterio, helio y litio, principalmente núcleos de helio. Este proceso consume todos los neutrones y los protones restantes se convierten en núcleos de hidrógeno. Tres minutos después, la temperatura del universo cayó por debajo de los 10 mil millones de grados y la densidad de la materia también disminuyó rápidamente, por lo que esta reacción nuclear se detuvo. Los cálculos muestran que en los primeros tres minutos, alrededor del 22-24% del material se transforma en helio 4, y el material restante está casi todo en forma de hidrógeno, y sólo unas pocas centenas de milésimas del material se convierten en helio 3 y deuterio. , decenas de miles de millones Un pequeño porcentaje se convierte en litio.
Así que el modelo del Big Bang predice que entre el 22 y el 24% de la materia del universo debería ser helio y la mayor parte del resto debería ser hidrógeno. El hidrógeno y el helio formados en los primeros tres minutos constituyen más del 99% de la materia del universo. La rica variedad de elementos pesados que forman los planetas y la vida representan menos del 1% de la masa total del universo, y la mayoría se formó mucho después del Big Bang.
Las observaciones de helio, deuterio y otros elementos en todo el universo han demostrado la universalidad de los valores de abundancia anteriores.
Existe una maravillosa concordancia entre el modelo simple del Big Bang y las observaciones astronómicas rigurosas. Esta profecía fue el mayor éxito del Big Bang. Hace aproximadamente un millón de años, la temperatura descendió a 107 ~ 6 K y el universo se llenó de plasma compuesto de núcleos de elementos ligeros, electrones y protones. Después de 250 millones de años, cuando la temperatura desciende a 103 K, la radiación se debilita, se forman átomos neutros y el plasma se recombina formando un gas normal. Las galaxias comenzaron a formarse hace unos mil millones de años, las primeras estrellas comenzaron a aparecer hace unos 5 mil millones de años y el sistema solar se formó hace unos mil millones de años.
A medida que pasa el tiempo, en el espacio de la materia distribuida casi uniformemente, áreas ligeramente más densas atraen la materia cercana a través de la gravedad, volviéndose así más densas, formando las actuales nubes de gas, estrellas, galaxias, etc. Estructuras astronómicas. El proceso específico depende de la forma y cantidad de materia en el universo, de la cual puede haber tres formas: materia oscura fría, materia oscura caliente y materia bariónica.