Hemos discutido innumerables veces la teoría del Big Bang y por qué se ha convertido en la teoría dominante del origen del universo. No es que la teoría del Big Bang sea absolutamente correcta, pero es la única visión del universo que nos permite explicar los siguientes tres fenómenos observados:
Observamos galaxias distantes y descubrimos que cuanto más lejos están las galaxias son de nosotros, ¡Aléjate de nosotros más rápido! En el siglo XX, la gente se dio cuenta de que la causa fundamental de este fenómeno era la expansión del espacio mismo.
Esto también significa que al ritmo actual de recesión de las galaxias distantes, estas galaxias se acelerarán fuera de nuestra vista en un futuro próximo. No es exagerado decir que en el futuro, los humanos en la Tierra solo verán una galaxia en el universo, ¡y esa es la enorme galaxia elíptica después de la fusión de nuestro propio grupo de galaxias! Realmente no puedo imaginar esta situación. En ese momento, los humanos no tenían datos observables para comprender el universo.
Entonces, lógicamente, incluso si no somos físicos, razonemos por nuestra cuenta, también podemos saber que el universo se está expandiendo nuevamente ahora, ¡por lo que el universo debe haberse vuelto más pequeño en el pasado!
¿Cuáles son entonces las consecuencias de un universo más pequeño? Si antes el universo era espacialmente más pequeño, más denso y, por supuesto, más caliente, entonces la pregunta es: ¿qué sucede cuando el universo se calienta lo suficiente?
Si calientas materia ordinaria, siempre que la temperatura sea lo suficientemente alta, los átomos se ionizarán, por lo que el universo fue un plasma de núcleos atómicos y electrones en algún momento del pasado. Cuando los átomos cambian de plasma ionizado a gas neutro, la radiación de alta temperatura del universo se propaga libremente por el espacio a través de los átomos neutros en lo que llamamos el "resplandor" de la gran explosión térmica. Después de largos viajes, esta energía debería haberse transferido a bandas infrarrojas o, más lejanas, de microondas. Todos los anteriores son razonamientos muy lógicos, ¿qué opinas?
La radiación cósmica de fondo de microondas fue descubierta por primera vez por Arno Penzias y R Wilson en 1964. Debido a limitaciones técnicas en ese momento, la gente no observaba las fluctuaciones de temperatura en la radiación de microondas y la temperatura era completamente constante durante todo el día, lo que causaba muchos problemas a la gente. Con la materia distribuida de manera absolutamente uniforme, ¿cómo se formaron estas estructuras, como estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias?
Así que la imagen de arriba es una medición precisa del fondo de microondas realizada por el satélite COBE en la década de 1990. Los resultados de las mediciones no solo confirmaron la existencia del resplandor del Big Bang, sino que también confirmaron que la temperatura y el tipo espectral de la radiación de microondas (radiación de cuerpo negro) son completamente consistentes con los predichos por el Big Bang. Luego, los satélites WMAP (Anisotropy Sounding) y Planck midieron con precisión las pequeñas fluctuaciones en la radiación de microondas.
De hecho, si miramos atrás, ¿qué veremos? La temperatura del universo es lo suficientemente alta como para destruir núcleos atómicos individuales, de modo que solo quedan en el universo protones, neutrones, electrones y partículas de radiación.
Cuando el universo se enfríe hasta el punto en que los protones y neutrones puedan combinarse de manera estable para formar núcleos atómicos sin ser destruidos por partículas de radiación (fotones), podremos hacer predicciones muy precisas sobre la cantidad y el tipo. de fusión nuclear. ¡Así que aquí está el tercero!
La teoría del Big Bang puede predecir con precisión la densidad de la materia ordinaria en relación con los fotones y la abundancia de otros elementos nucleosintéticos en relación con el hidrógeno. Al medir los espectros de radiación de microondas, descubrimos que la abundancia de elementos ligeros es sorprendentemente consistente con las predicciones teóricas. Esto es imposible para otros modelos del universo, por lo que el Big Bang es actualmente la teoría dominante para la evolución de nuestro universo.
El Big Bang no es tan perfecto, y aún quedan muchas cosas que no se han explicado con claridad.
Por ejemplo...
¿Por qué el universo es tan liso? Incluso al comienzo del Big Bang, el universo era plano y en general era liso y uniforme, pero ¿cómo aparecían pequeñas fluctuaciones que eran consistentes en todo el cielo? ¿Por qué existen estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y otras estructuras?
Esta es una buena pregunta, pero el Big Bang en sí no la responde. Entonces, ¿qué preguntas hay que el Big Bang no pueda responder?
En principio, el universo puede tener cualquier forma o curvatura, porque en la relatividad general, la materia y la energía determinan la curvatura del espacio. Cuando el universo era muy joven, la densidad de materia y energía podía hacer que el espacio adoptara cualquier forma, y mediante experimentos descubrimos que el espacio era muy plano. De hecho, todavía hoy medimos las fluctuaciones de temperatura en el fondo de microondas.
Descubrimos que dentro del volumen del Hubble de 93 mil millones de años luz, la curvatura del universo es menor que 2, ¡y es realmente plana! De hecho, muchos amigos harán esta pregunta, diciendo que la materia en el universo tenía una densidad de energía extremadamente alta al principio, ¿por qué no colapsó para formar un agujero negro? Esto se debe a que la densidad de materia y energía ha sido sorprendentemente crítica desde el Big Bang. ¿Cuál es la curvatura del espacio afinado? ¿Qué hace que el espacio sea tan plano?
La temperatura del fondo cósmico de microondas es aproximadamente la misma en todas las direcciones del espacio. ¿Por qué sucede esto? La materia en un extremo del universo está completamente separada de la materia en el otro extremo. Este ha sido el caso desde el nacimiento del universo. Nunca ha habido comunicación o transferencia de información entre los dos. ¡Pero sus temperaturas son las mismas! Según nuestro sentido común, debe haber una temperatura constante entre dos objetos. Después de todo, una vez que el calor se propaga, al menos debe haber contacto. La temperatura de la radiación de microondas es la misma en un rango de 930 años luz, como si estuvieran en contacto constante. ¿Qué está sucediendo? El Big Bang no dijo nada.
Si nuestra teoría de altas energías es correcta, el universo no sólo debería tener un fondo de microondas y abundantes elementos luminosos, sino también un montón de reliquias muy extrañas, como monopolos magnéticos, cuerdas cósmicas y otros defectos topológicos. . Sin embargo, nadie lo ha encontrado todavía.
Las preguntas anteriores no pueden responderse en "La teoría del Big Bang". Cualquier físico teórico como Alan Guth necesitaría encontrar una nueva teoría para resolver todos estos problemas, y una nueva teoría tendría que hacer lo que hace una buena teoría científica: ¡hacer una nueva predicción!
Esta es la teoría de la expansión del universo. Creó el estado caliente, denso y expandido del Big Bang. Inicialmente, el universo sólo tenía energía del vacío. Las fluctuaciones cuánticas en la energía del vacío hacen que el universo comience a expandirse (a un ritmo exponencial) en áreas diminutas en todas partes. Después de la inflación, la energía del vacío se descompuso en materia, creando la etapa inicial del Big Bang, y parte de la energía del vacío quedó encerrada en el espacio. Esto es lo que ahora llamamos constante cosmológica: ¡energía oscura! En el proceso, la inflación hace lo siguiente:
El último punto es particularmente importante porque estas fluctuaciones no sólo se pueden medir en el fondo cósmico de microondas (sino también en el fondo cósmico de microondas) cuando Gus propuso la teoría. de inflación en 1979. Medido bajo la estructura a gran escala del universo)!
Entonces, cuando medimos la radiación de fondo de microondas y la estructura a gran escala, encontramos que estas pequeñas fluctuaciones son consistentes con las predicciones de fluctuaciones cuánticas de la teoría de la inflación.
Si hay que decir si es correcta o no, ¡actualmente se cree que la teoría de la inflación explica correctamente el 98% del origen del universo!
¿Esto también significa que algunas de las imágenes de la línea de tiempo que vemos actualmente del origen del universo tienen algunos defectos o al menos no deberían haber colocado la explosión térmica frente al universo inflado? Ésta es una pregunta que mucha gente se hace. ¿Qué había antes del big bang? La respuesta actual es: ¡el universo está explotando bajo la energía del vacío!
Desafortunadamente, no sabemos qué sucedió antes de la inflación cósmica. En términos de la naturaleza de la inflación cósmica, nunca sabremos qué sucedió antes de eso, porque la inflación tiene otro nombre: Teorema sin pelo. También conocido como horizonte de sucesos cósmico, no es diferente del horizonte de sucesos de un agujero negro. ¡La expansión exponencial del espacio borra todo lo que vino antes! Al menos por ahora, esto es lo más antiguo que la física nos permite comprender sobre el universo.
La inflación es la causa del Big Bang.
Por lo que podemos ver, la inflación aplanó el espacio del universo, hizo que la temperatura del universo fuera la misma en todas direcciones, eliminó algunas de las partículas exóticas previamente existentes, creó fluctuaciones apropiadas en todas las escalas (grandes y pequeñas) y creció. en Las estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias que tenemos ahora. ¡Esta es la historia más antigua que conocemos sobre el universo antes del Big Bang!