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ITED: Maestro: Manuel Salguero

Materia: Química

Teoría del Universo

Canel Marroquin Adriel Esaú

Grado: Sección:

5to Mecánica Matutina

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Teoría del Big Bang La teoría del Big Bang (también llamada Gran explosión) es el modelo cosmológico predominante para las épocas conocidos más antiguos del universo y su anterior evolución a gran escala. Confirma que el universo estaba en un estado de muy alta densidad y luego se expandió 56. Si las leyes conocidas de la física se extrapolan más allá del punto donde son válidas, encontramos una similitud. Mediciones modernas datan este momento aproximadamente 800 millones de años atrás, que sería por tanto la edad del universo. Es una teoría que dice que el universo nació hace aproximadamente 14 mil millones años de un único punto que estaba unido y quieto en el espacio, y que a partir de ahí el universo se expande frecuentemente. A esta conclusión llegó Edwin Hubble en 1929, al observar que la Vía Láctea se alejaba de nosotros a una velocidad proporcional a la distancia que mantenía con la Tierra. Después de la expansión inicial, el universo se enfrió lo suficiente para permitir la formación de las partículas subatómicas y más tarde simples átomos. Nubes gigantes de estos elementos primordiales se unieron más tarde debido a la gravedad, para formar estrellas y galaxias. A mediados del siglo XX, tres astrofísicos británicos, Stephen Hawking, George F. R. Ellis y Roger Penrose, prestaron atención a la teoría de la relatividad y sus teorías acerca a nuestras nociones del tiempo. En 1968 y 1979 publicaron artículos en que extendieron la teoría de la relatividad general de Einstein para agregar las mediciones del tiempo y el espacio. De acuerdo con sus cálculos, el tiempo y el espacio tuvieron un inicio finito que corresponde al origen de la materia y la energía. Desde que Georges Lemaître observó por primera vez, en 1927, que un universo en permanente expansión debería remontarse en el tiempo hasta un único punto de inicio, los científicos se han basado en su idea de la expansión cósmica. Si bien la comunidad científica una vez estuvo dividida en partidarios de dos teorías diferentes sobre el universo en expansión, el Big Bang y la teoría del estado estacionario, la acumulación de evidencia observacional proporciona un fuerte apoyo para la primera. En 1929, a partir del análisis de corrimiento al rojo de las galaxias, Edwin Hubble concluyó que las galaxias se estaban distanciando, una prueba observacional importante consistente con la hipótesis de un universo en expansión. En 1964 se descubrió la radiación de fondo cósmico de microondas, lo que es una prueba crucial en favor del modelo del Big Bang, ya que esta teoría predijo la existencia de la radiación de fondo en todo el universo antes de ser descubierta. Más actualmente, las mediciones del corrimiento al rojo de las supernovas indican que la expansión del universo se está acelerando, observación atribuida a la energía oscura. Las leyes físicas que hasta el momento se saben de la naturaleza pueden utilizarse para calcular las características en detalle del universo del pasado en un estado inicial de extrema densidad y temperatura.


Para llegar al modelo del Big Bang, muchos científicos, con diversos estudios, han ido armando el camino que lleva a la génesis de esta explicación. Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se separaban de nosotros, como si el universo se expandiera constantemente. En 1948, el físico ucraniano nacionalizado estadounidense George Gamow (1904-1968) planteó que el universo se originó a partir de una gran explosión (big bang). Actualmente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido "oír" los vestigios de esta gigantesca explosión primigenia.

Según con la teoría, un universo homogéneo e isótropo lleno de materia común y corriente podría expandirse indefinidamente o parar su expansión lentamente, hasta producirse una contracción universal. El fin de esa contracción se conoce con un término contrario al Big Bang: el Big Crunch o 'Gran Colapso' o un Big Rip o Gran desgarro. Si el universo se encuentra en un punto crítico, puede mantenerse estable ad eternum. Muy recientemente se ha comprobado que actualmente existe una expansión acelerada del universo, hecho no previsto actualmente en la teoría y que ha llevado a la introducción de la hipótesis adicional de la energía oscura, responsable de este fenómeno. La teoría del Big Bang se desarrolló a partir de observaciones y avances teóricos. Por medio de observaciones, en la década de 1910, el astrónomo estadounidense Vesto Slipher y, después de él, Carl Wilhelm Wirtz, de Estrasburgo, aseguraron que la mayor parte de las nebulosas espirales se alejan de la Tierra; pero no llegaron a darse cuenta de las implicaciones cosmológicas de esta observación, ni tampoco del hecho de que las supuestas nebulosas eran de hecho galaxias exteriores a nuestra Vía Láctea. Además, la teoría de Albert Einstein sobre la relatividad general (segunda década del siglo XX) no admite soluciones estáticas (con esto quiere decir que el universo debe estar en expansión o en contracción), resultado que él mismo consideró equivocado, y trató de corregirlo agregando la constante cosmológica. El primero en aplicar formalmente la relatividad a la cosmología, sin tomar en cuenta la constante cosmológica, fue Alexander Friedman, dichas ecuaciones describen el universo Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, que puede expandirse o contraerse. Entre 1927 y 1930, el sacerdote belga Georges Lemaître obtuvo independientemente las ecuaciones Friedman-Lemaître-Robertson-Walker y propuso, sobre la base de la recesión de las nebulosas espirales, que el universo se inició con la expansión de un átomo primigenio, lo que más tarde se denominó "Big Bang".


Teoría de la Inflacionaria Según con la teoría de la Gran Explosión o del Big Bang, generalmente aceptada, el Universo surgió de una explosión inicial que ocasionó la expansión de la materia desde un estado de condensación en un alto nivel. Sin embargo, en la formulación actual de la teoría del Big Bang quedaban varios problemas sin resolver. El estado de la materia en la época de la explosión era tal que no se podían aplicar las leyes físicas normales. El grado de uniformidad visto en el Universo también era difícil de explicar porque, de acuerdo con esta teoría, el Universo se habría expandido con demasiada rapidez para desarrollar esta uniformidad. Según la teoría del Big Bang, la expansión del universo pierde velocidad, mientras que la teoría inflacionaria lo acelera e induce el distanciamiento, cada vez más rápido, de unos objetos de otros. Si viéramos el universo un segundo después del Big Bang, veríamos un mar de neutrones, protones, electrones, positrones, fotones y neutrinos a alta temperatura. A medida que pasa el tiempo, el universo se va enfriando hasta conseguir que se formen átomos neutros. El universo pasó de opaco a transparente debido a la acción de los fotones. Esta velocidad de separación llega a ser superior a la velocidad de la luz, sin violar la teoría de la relatividad, que prohíbe que cualquier cuerpo de masa finita se mueva más rápido que la luz. Lo que sucede es que el espacio alrededor de los objetos se extiende


más rápido que la luz, mientras los cuerpos permanecen en reposo en relación con él. A esta extraordinaria velocidad de expansión inicial se le atribuye la uniformidad del universo visible, las partes que lo constituían estaban tan cerca unas de otras, que tenían una densidad y temperatura comunes. El físico y cosmólogo Alan H Guth, del Instituto Tecnológico de Massachussets (M.I.T.), sugirió en 1981 que el universo caliente, en un estadio intermedio, podría expandirse de forma exponencial. La idea de Guth postulaba que este proceso de inflación se desarrollaba mientras el universo primordial se encontraba en el estado de super enfriamiento inestable. Este estado super enfriado es frecuente en las transiciones de fase; por ejemplo, en condiciones adecuadas el agua se mantiene líquida por debajo de cero grados. Por supuesto, el agua super enfriada termina congelándose; este suceso ocurre al final del período inflacionario. En 1982 el cosmólogo ruso Andrei Linde introdujo lo que se llamó "nueva hipótesis del universo inflacionario". Linde se dio cuenta de que la inflación es algo que se realiza de forma natural en muchas teorías de partículas elementales, incluidos los modelos más simples de los campos escalares. Si la mayoría de los físicos han asumido que el universo nació de una sola vez; que en un comienzo éste era muy caliente, y que el campo escalar en el principio contaba con una energía potencial mínima, es decir la inflación aparece como natural y necesaria, lejos de un fenómeno exótico apelado por los teóricos para salir de sus problemas. Se trata de una variante que no requiere de efectos gravitatorios cuánticos, de transiciones de fase, de un super enfriamiento o también de un supercalentamiento inicial. Considerando todos los posibles tipos y valores de campos escalares en el universo primordial y tratando de comprobar si alguno de ellos conlleve a la inflación, se encuentra que en los lugares donde no se produce ésta, se mantienen pequeños, y en los dominios donde se ocasionan terminan siendo exponencialmente grandes y dominan el volumen total del universo. Considerando que los campos escalares pueden tomar valores arbitrarios en el universo primordial, Andrei Linde llamó a esta hipótesis "inflación caótica". La teoría inflacionaria, predice que el universo debe ser esencialmente plano, lo cual puede comprobarse experimentalmente, ya que la densidad de materia de un universo plano guarda relación directa con su velocidad de expansión. La otra predicción comprobable de esta teoría tiene que ver con las perturbaciones de densidad generadas durante la inflación. Se trata de perturbaciones de la distribución de materia en el universo, que incluso podrían venir acompañadas de


ondas gravitacionales. Las perturbaciones dejan su huella en el fondo cósmico de microondas, que llena el cosmos desde hace casi 13.800 millones de años. Esta teoría fue desarrollada a inicios de la década de 1980, por el científico estadounidense Alan Guth, con el objetivo de explicar los primeros momentos del Universo; teniendo presente que, en la formulación de la Teoría de la Gran Explosión, quedaron varios problemas por resolver como los siguientes: El estado inicial de la materia, no dejara aplicar las leyes físicas normales El estado de uniformidad del Universo, era complicado de explicar, porque según con la Teoría del Big Bang, la expansión del universo se dio con demasiada rapidez como para desarrollar esta uniformidad. Alan Guth se enfocó en la formulación de la teoría inflacionaria en el trabajo de Stephen Hawking, que había estudiado campos gravitatorios sumamente fuertes, como los que se encuentran cerca de un agujero negro o en el inicio del Universo, donde se expone que toda la materia del Universo pudo crearse por fluctuaciones cuánticas en un espacio vacío, bajo estas condiciones. Se suponía que nada existía antes de la existencia del universo como un punto con densidad infinita; en este punto estaba concentrada toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo y según esta teoría lo que desencadenó la gran explosión, es una fuerza inflacionaria ejercida en una cantidad de tiempo inapreciable, que permitió que se formará una región observable del universo. La Teoría hace la diferencia entre un universo real y un universo observable, siendo el universo observable el habitado por el hombre, que es mucho más pequeño que el universo real.

Teoría del estado estacionario La teoría del estado estacionario es una teoría cosmológica propuesta a mediados del siglo XX, para dar cuenta de varios problemas cosmológicos. De acuerdo con la teoría del estado estacionario, la disminución de la densidad que produce el


universo al expandirse se compensa con una creación continua de materia. Debido a que se necesita poca materia para mantener constante la densidad del universo mientras este se expande (un protón al año en cada km³ del universo), esta hipótesis no se ha podido demostrar exactamente. La teoría del estado estacionario se origina de la aplicación del llamado principio cosmológico perfecto, el cual sostiene que para cualquier observador el universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio. La versión perfecta de este principio incluye el tiempo como variable por la cual el universo no solamente presenta el mismo aspecto desde cualquier punto sino también en cualquier instante de tiempo, siendo sus propiedades generales constantes tanto en el espacio como en el tiempo. El origen del universo estacionario se remonta al infinito hacia el pasado con un ritmo de expansión exponencial. El ritmo de expansión tiende a cero cuando el tiempo tiende a menos infinito, y tiende a infinito cuando el tiempo tiende a infinito. Sir James Jeans, en la década de 1920, fue el primero en conjeturar una cosmología de estado estacionario enfocada en una hipotética creación continua de materia en el universo. La idea fue luego revisada en 1948 por Fred Hoyle, Thomas Gold, Hermann Bondi y otros. La teoría del estado estacionario de Bondi y Gold se inspiró en la intriga circular de la película Dead of Night, que habían visto juntos. Los cálculos teóricos mostraban que un universo estático era imposible en la relatividad general, y de las observaciones de Edwin Hubble habían mostrado que el universo se estaba extendiendo. La teoría del estado estacionario afirma que, aunque el universo se está expandiendo, no obstante, no cambia su apariencia con el tiempo (el principio cosmológico perfecto); no tiene principio ni fin. Los problemas con esta teoría comenzaron a surgir a finales de los años de la década de 1960, cuando las evidencias observacionales empezaron a mostrar que, de hecho, el universo estaba cambiando: se encontraron quásares solo a grandes distancias, no en las galaxias más cercanas. La prueba definitiva vino con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, pues en un modelo estacionario, el universo ha sido siempre igual y no hay razón para que se produzca una radiación de fondo con características térmicas. Buscar una explicación necesita la existencia de partículas de longitud milimétrica en el medio intergaláctico que absorba la radiación producida por fuentes galácticas extremadamente luminosas, una hipótesis demasiado forzada. Es una teoría cosmológica formulada en 1948 por Hermann Bondi y Thomas Gold, y sucesivamente ampliada por Fred Hoyle, según la cual el Universo siempre ha existido y siempre existirá Aquellos que niegan aceptar que el Universo tuvo un inicio, pueden encontrar una opción satisfactoria en la teoría del estado estacionario. Según ésta, el Universo no sólo es uniforme en el espacio, sino también en el tiempo; así como, a gran escala, una región del Universo es semejante a otra, del mismo modo su apariencia ha sido la misma en cualquier época, ya que el Universo existe desde tiempos infinitos


El Universo era infinito y, aunque se hallaba en expansión, siempre había permanecido igual, fuera cual fuera la región del espacio que observáramos. Esto era así porque se creaba materia continuamente, de manera que la nueva materia creada iba ocupando el espacio dejado por las galaxias en expansión. Esta propuesta recibió el nombre de “Teoría del Estado Estacionario” y afirma la existencia de un Universo homogéneo, se podría decir, que tiene el mismo aspecto sea cual sea la región del espacio que observemos y el tiempo en el que lo hagamos. Estas dos características, homogeneidad e isotropía, son conocidas con el nombre de Principio Cosmológico Perfecto. La Teoría del Estado Estacionario denegaba totalmente la hipótesis de que existiera una radiación cósmica de fondo, puesto que, según ellos, no había habido ninguna explosión inicial, lo que significaba que en caso de descubrirse su existencia esta teoría se vería seriamente comprometida. De acuerdo con Víquez (2007) en la teoría del estado estacionario, la disminución de la densidad que produce el Universo al extenderse se compensa con una creación continua de materia. Debido a que se necesita poca materia para igualar la densidad del Universo, esta Teoría no se ha podido demostrar exactamente. La teoría del estado estacionario se origina de la aplicación del llamado principio cosmológico perfecto, el cual sostiene que para cualquier observador el universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio. La versión perfecta de este comienzo incluye el tiempo como variable por lo cual el universo no solamente presenta el mismo aspecto desde cualquier punto sino también en cualquier instante de tiempo siendo sus propiedades generales constantes tanto en el espacio como en el tiempo. Los problemas con esta teoría comenzaron a surgir a finales de los años 60, cuando las evidencias observacionales empezaron a demostrar que, de hecho, el Universo estaba cambiando: se encontraron quásares sólo a grandes distancias, no en las galaxias más cercanas. La prueba definitiva vino con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, pues en un modelo estacionario, el universo ha sido siempre igual y no hay razón para que se genere una radiación de fondo con características térmicas. Buscar una explicación requiere la existencia de partículas de longitud milimétrica en el medio intergaláctico que absorba la radiación producida por fuentes galácticas extremadamente luminosas, una hipótesis demasiado forzada. (SEAMP, 2009)


Teoría del Universo Oscilante Esta teoría fue demasiada aceptada durante un tiempo (o tal vez sigue siéndolo) por los cosmólogos que pensaban que alguna fuerza debería impedir la formación de singularidades gravitacionales y conecta el Big Bang con un anterior Big Crunch: las singularidades matemáticas que aparecían en los cálculos eran el resultado de sobre idealización matemática y serían resueltas por un tratamiento más cuidadoso. Sin embargo, en los años 1960, Stephen Hawking, Roger Penrose y George Ellis mostraron que las singularidades son una característica universal de las cosmologías que incluyen el big bang sin que puedan ser evitadas con ninguno de los elementos de la relatividad general. Teóricamente, el universo oscilante no se compagina con la segunda ley de la termodinámica: la entropía aumentaría en cada oscilación de manera que no se regresaría a las condiciones anteriores. Otras medidas sugieren también que el universo, no es cerrado. Estos argumentos hicieron que los cosmólogos abandonaran el modelo de universo oscilante. La teoría ha vuelto a resurgir en la cosmología de bramas como un modelo cíclico, que logra impedir todos los argumentos que hicieron desechar la teoría del universo oscilante en los años 1960. Esta teoría es altamente controvertida debido a la ausencia de una descripción satisfactoria en este modelo del rebote con la teoría de cuerdas la cual se creó el universo. Del mismo modo que se ha averiguado hipotéticamente con las posibles formas de vida existentes en un universo en expansión eterna, también se ha hecho lo mismo con formas hipotéticas de vida existentes en los momentos finales de un universo en contracción (durante los estados iniciales de dicha contracción, así como incluso ya avanzada ésta y gracias a la tecnología que pudieran elaborar para adaptarse a las condiciones existentes por entonces, dichos seres vivos no serían muy distintos a nosotros -al menos en el sentido de estar basados en el carbono y basar su metabolismo en reacciones químicas-), y como en el primer caso, dichas formas de vida serían radicalmente distintas a nosotros. La teoría del universo oscilante es un modelo de teoría cosmológica que combina el Big Bang o Gran Explosión y el Big Crunch o Gran Implosión como parte de un evento cíclico. En esta teoría se habla de un universo que no tiene fin y que tiene distintas épocas durante su proceso el cual es interminable, una época que es igual a una oscilación completa iniciando desde un evento tipo Big Bang y pasando por una serie de distintas fases, después de lo cual la fase inflacionaria aparece con una alta tasa de expansión. Luego de este proceso, el universo alcanza una etapa en la que la energía potencial del campo escalar comienza a dominar dando un período de expansión acelerada la cual nos indica la edad actual del universo. Durante este período de expansión acelerada, los agujeros negros, la materia, la


radiación, los desechos, las estrellas de neutrones, los neutrinos se diluirán y el universo quedará vacío, liso y plano. La teoría del universo oscilante es una de las bastantes que se han planeado como una posible explicación del inicio y la evolución del universo. De acuerdo con esta teoría, el universo oscilaría entre un Big Bang (Gran Explosión) y un Big Crunch (Gran Implosión). Este proceso presupone un inicio y un fin de un universo que da lugar a un nuevo Big Bang y, en consecuencia, a un nuevo universo. También se le conoce con el nombre de teoría del universo cíclico. Para algunos físicos, esto sería posible si el hidrógeno presente en los espacios intergalácticos supera en siete veces a la materia de todas las galaxias. Así se frenaría la velocidad de fuga de las galaxias y comenzarían a topar entre sí hasta formar el Ylem Primitivo o estado inicial del universo. Según con este planteamiento la edad del universo supera los 80 billones de años. En su libro Historia del tiempo, Stephen Hawking al hablar de esta teoría asemeja el universo a un acordeón que se abre a una línea de tiempo expansiva que llegaría a un frenado gravitatorio para comenzar el retroceso hasta su implosión. Para este autor, se trataría de un universo único y autosuficiente. Una teoría de universo oscilante, parte de la primera de que el universo es cerrado con un radio de curvatura que también oscilará. Además, significa que el universo actual puede ser el primero de una posible serie de universos. También podría ser uno más o el número n de la serie. El Modelo Cíclico, Modelo Oscilante o Teoría del Universo Oscilante, es un conjunto de modelos cosmológicos según los cuáles el Universo sigue un número indefinido o infinito de ciclos autocontenidos de expansión y contracción. Dentro de esta teoría, existen varios modelos específicos propuestos por distintos autores. Por ejemplo, Albert Einstein llegó a considerar un modelo en el que el Universo seguía una serie eterna de oscilaciones entre el Big Bang (la gran explosión) y el Big Crunch (la gran implosión). Tras el Big Bang, el Universo se extendería hasta que la atracción gravitacional entre galaxias frenase la expansión y provocase su colapso, el Big Crunch, hasta estar tan condensado que se diera un nuevo Big Bang, un efecto de rebote a veces referido como Big Bounce (el Gran Rebote). Einstein fue uno de los primeros científicos en proponer y defender un modelo de Universo oscilante a lo largo de las décadas de 1920 y 1930, pero estos modelos y teorías pronto se encontraron con grandes obstáculos, tanto teóricos como experimentales.


En 1934, el matemático físico Richard Chace Tolman ya puso en duda que un modelo oscilante fuese viable para el Universo atendiendo a las leyes de la termodinámica. En concreto, según la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece el principio de irreversibilidad de los fenómenos reales, la entropía de un sistema solo puede incrementar de forma espontánea, lo que implica que, o bien no puede haber ciclos de Big Bangs y Big Crunchs, o bien cada ciclo sería cada vez mayor hasta llegar a una situación similar al modelo de expansión indefinida.

Teoría Del Universo  
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