lunes, 3 de mayo de 2010

La Gran Explosión (Big Bang)

Esta entrada inicia un breve resumen de un tema direccionado a quienes desean conocer el inicio de nuestro universo..
BREVE HISTORA DEL UNIVERSO
Imagen creada por NASA visualiza la expansión del Universo

El progreso en la física siempre ha pasado de lo intuitivo a lo abstracto.
Max Born

PRELUDIO
En el principio no hay nada: ni tiempo, ni espacio, ni siquiera vacío, porque no hay espacio para estar vacío, no esta “fuera” ni está “antes”.
De pronto, de este vacío, de esta nada absoluta inimaginable, no podemos llamarlo de otra forma, hace unos 17 mil a 20 mil millones de años antes del presente, se produce una explosión, es la Gran Explosión (el Big Bang), y ¡¡ brota...un universo !!
Nace repentinamente ahí, más pequeño que la más pequeña concepción de algo pequeño, con un tamaño muy inferior a un núcleo atómico, es la semilla del todo que existirá, contiene toda la creación. Esta singularidad ¿En qué lugar estaba? Para nuestra mente, es inconcebible, no hay otra palabra para describirlo.
No es que toda la materia y la energía del universo estuvieran apretadas en un pequeño rincón del universo actual, sino que el universo entero, materia, energía, el espacio y el tiempo que lo llenan, ocupaba un volumen muy pequeño. Toda la materia y la energía presentes actualmente en el universo, estaban concentradas con una densidad muy elevada en un punto matemático sin ninguna dimensión, una especie de huevo cósmico que recuerda los mitos de la creación en muchas culturas. Se intenta explicar el origen del universo con diversas teorías. Las más aceptadas son las de la Gran Explosión y la Teoría Inflacionaria que se complementan. No obstante, el principal desafío de la ciencia, es elaborar una receta para el cosmos, identificando y midiendo la materia de la que está moldeada la realidad; materia que en un momento dado, no existía; el porqué sucedió este acontecimiento que inició nuestro universo, es el misterio mayor que conocemos.
Los esfuerzos por resolver este problema o entenderlo es mucho más complejo, por cuanto conducen a consideraciones de lo que hubo antes.
Solo está razonablemente claro es que, sucedió.

Tiempo 0 (cero), volúmen cero
La Gran Explosión (o El Big Bang en inglés) es una singularidad, una excepción que no pueden explicar las leyes de la física. Podemos saber qué pasó desde una ínfima fracción de tiempo después de la Gran Explosión, pero el primer instante, el momento y tamaño cero todavía no tienen explicación científica.

La Gran Explosión
En el instante inicial, después de la Gran Explosión, todo está comprimido en un punto, sin volumen y con todo el universo dentro de él, en física se llama una singularidad. Dentro de ella, ni el espacio ni el tiempo pueden existir. Este universo tiene un tamaño de 10-34 cm., (un uno con treinta y cuatro ceros) muy inferior a un núcleo atómico, las condiciones físicas del universo en sus primeros instantes son totalmente desconocidas, no hay registro de cómo y porqué sucedió, solamente la creación fue. A este ínfimo momento se le conoce en física cuántica como Época, o Era de Planck, en homenaje al físico alemán Max Planck.
En estos primeros instantes después de la Gran Explosión, la mayoría de las fuerzas eran indistinguibles.
El universo es tan diminuto, ardiente y denso que en él no se mantiene ninguna de las leyes familiares de la física. Las dimensiones del espacio y el tiempo se hallan retorcidas y desgarradas por discontinuidades. No existe la materia, ninguna fuerza parecida a la gravedad o al electromagnetismo, solo un módulo de energía pura. Pero ese cosmos empieza a expandirse, al tiempo que se enfría mientras crece. Dentro de aún sus infinitesimales confines, el enmarañado espacio comienza a desenredarse. El tiempo se establece y empieza a correr del pasado al futuro, emerge un orden.
Rápidamente, en la infinitésima fracción de un instante, el universo se enfría lo suficiente para permitir que la gravedad se coagule a partir de la energía no diferenciada. Parejas de partículas que solo pueden existir en las condiciones extremas de esta era, parpadean y nacen espontáneamente a la existencia.
Es el comienzo de la expansión, representa la creación del universo. En la singularidad se crea la materia y también el espacio-tiempo, situación que contrasta con el recuento bíblico donde la materia es creada en un vacío preexistente. La singularidad es entonces un límite temporal para todas las cosas pues antes de la expansión no solo no había materia sino tampoco había ni espacio ni tiempo.

10-43 segundos después del comienzo del tiempo (DCT) o de la Gran Explosión.
Los avances de la física de partículas han permitido seguir el rastro del universo desde que han transcurrido 10-43 segundos después del comienzo del tiempo, o de la Gran Explosión, esto es, una diezmilmillonésima de una trillonésima de una trillonésima de segundo; en física se le conoce como el Momento de Planck.( marca el fin de la época de Planck).
A los 10-43 segundos, el universo es una caótica sopa de materia-energía diez cuatrillones de veces más ardiente (1032°K) que el núcleo de una estrella media, son fuerzas no diferenciadas.
Y comienza a expandirse.

10-35 segundos DCT
Luego, a los 10-35 segundos, las partículas de materia y sus contrapartidas de antimateria nacen fugazmente a la existencia sólo para desvanecerse de nuevo en aniquilantes colisiones que dieron nacimiento todavía a más partículas. Otros encuentros produjeron entidades mucho más masivas que cualquiera conocida hoy en día, incluidas algunas que permitieron a las partículas intercambiar sus propias identidades.

Era GUT (Great Unification Theory)
Este breve pero energético período fue planteado por los físicos al sugerir que tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas de la naturaleza, electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil, eran por aquel entonces todavía indistinguibles o se hallaban unificadas a todos los efectos en la fuerza electronuclear. Tan denso era el caldo cósmico al final de esa era, que la masa de un cúmulo de galaxias hubiera cabido fácilmente en un volumen más pequeño que el de un átomo de hidrógeno.
Los acontecimientos después de la Gran Explosión implicaron una gran cantidad de partículas elementales que los físicos dividen en dos categorías: Fermiones, partículas de espín semientero, que portan típicamente materia. Son tan pequeños que había que situar más de un billón de ellos en fila para que ocuparan el grosor de un cabello humano; y los Bosones, partículas elementales de espín entero, que generalmente trasmiten fuerza.
Los fermiones incluyen Quarks (hay seis tipos de quarks: up, down, strange, charmed, botton y top) y Leptones (neutrino, electrón, muón y tau), y sus contrapartidas en antimateria. Los quarks son entidades que se combinan en protones y neutrones. Los leptones evolucionaron más tarde en distintas formas que incluían electrones y neutrinos.
También este grupo incluye a los bariones (protón, neutron, lambda, sigma, xi, omega y lambda encantada)
En cuanto a los bosones, entre ellos se cuentan los fotones y las partículas W y Z portadoras de la fuerza electromagnética y electrodébil, respectivamente.
También son bosones los gluones y los gravitones.
La fuerza nuclear fuerte, que aglutina a todos los efectos los quarks, es trasmitida por los gluones; la fuerza débil, responsable de la descomposición radioactiva, es trasmitida por los bosones de vector intermedio.
La fuerza electromagnética es transportada por los fotones, mientras que la gravedad, según la mayoría de los físicos, puede actuar a través de unas escurridizas partículas que reciben el nombre de gravitones.
Las fuerzas se fueron separando, cada una adquirió su propia identidad como un bosón portador.

10-34 de segundo DCT

A los 10-34 de segundo, el universo en un estado de vacío, inicia su expansión a una tasa exponencial de unas 1050 veces la tasa actual de expansión, es el período que se conoce como Era Inflacionaria.
Al terminar la Era GUT, cuando la temperatura cósmica cayó bruscamente más allá de la marca crítica de aproximadamente 1027º grados Kelvin; tan rápido fue este superenfriamiento que la fuerza electronuclear en vez de descomponerse, permaneció unificada. El resultado fue un estado inestable conocido como falso vacío. Atrapado en este extraño estado de falso vacío, el universo parecía destinado a expandirse para siempre a un ritmo creciente exponencial. Que no lo hiciera, se debe en parte a la tendencia de todos los sistemas físicos de buscar el estado de energía más bajo disponible. Para el cosmos se define como un estado en el que la fuerza electronuclear se rompe.
La transición coincidió con la aparición de las partículas llamadas bosones Higgs X e Higgs H, los cuales tuvieron significativos papeles en los períodos que vinieron inmediatamente después de la Era GUT. La interacción entre estos bosones y el falso vacío condujo a un declive en la energía latente del vacío y a un incremento en la masa de las partículas.
Las partículas ganaron masa lentamente al principio y luego con más rapidez hasta que se materializaron explosivamente fuera del vacío. Esto recalentó el universo a temperaturas alrededor de las existentes en la Era GUT e hizo que la expansión adoptara un ritmo más normal.
Durante este cambio algunos de los bosones Higgs X fueron absorbidos por bosones de la fuerza electromagnética unificada, cediendo gluones y la fuerza electro débil. Este romperse de la fuerza electronuclear compensó la transición pasada por alto que había causado el falso vacío.
En una colisión típica de la energética Era Inflacionaria, un quark y un leptón producen en este caso un gluón, gravitones y un portador de la fuerza electrodébil, un quark y un antiquark, un leptón y un antileptón y los originales quark y leptón
Otros Higgs X simplemente se descompusieron en un estallido de partículas cuando el universo salió de la fase inflacionaria.
Un bosón Higgs se descompone en un surtido de partículas que incluye quarks, leptones, antiquarks y antileptones. El proceso dio como resultado más materia que antimateria, produciendo aproximadamente mil millones y una partícula de materia por cada mil millones de antimateria, una diferencia que tuvo importantes consecuencias en la Era del Confinamiento del Quark.
A los 10-33 de segundo termina la época inflacionaria, las partículas se arrojan fuera del vacío.
(continuará)