COSMOLOGÍA
La cosmología describe la estructura más grande que existe, es decir, el universo mismo.
*
Cabe resaltar que la física a escala microscópica, tiene un rol
fundamental para la determinación de la naturaleza del universo en la
escala máxima.
Las
interacciones gravitacionales tienen un papel fundamental en el
comportamiento del universo a gran escala. La mecánica newtoniana y la
ley de la gravitación permitió y facilitó la comprensión del movimiento
de los planetas en el sistema solar. Las observaciones hechas con
instrumentos ópticos potentes así como la deducción en base a cálculos
matemáticos entre otros, indica que las interacciones gravitacionales
también se dan en sistemas astronómicos mayores, cuales incluyen
estrellas, galaxias y nebulosas.
La Galaxie de Florence Porcel (marzo 23, 2012). [Twitter] L'Univers, la voie Lactée, Twitter et moi. Disponible en http://www.florenceporcel.com/lunivers-la-voie-lactee-twitter-et-moi/
La Galaxie de Florence Porcel (marzo 23, 2012). [Twitter] L'Univers, la voie Lactée, Twitter et moi. Disponible en http://www.florenceporcel.com/lunivers-la-voie-lactee-twitter-et-moi/
Ya
por la década de 1920 se daban evidencias de que el universo no era
estático. Así los movimientos de las galaxias pueden medirse en relación
con la tierra al observar los desplazamientos en las longitudes de onda
de sus espectros. Los desplazamientos para las galaxias lejanas son
siempre hacia longitudes de ondas mayores, por lo que parecen mostrar
que las galaxias se alejan de nosotros y entre sí.
Nadia Drake (mayo 01,2015). National Geographic [Online]. Hubble Revisits an Icon. The Pillars of Creation. Disponible en http://phenomena.nationalgeographic.com/2015/01/05/hubble-revisits-an-icon-the-pillars-of-creation/
LA LEY DE HUBBLE
A través de diversos análisis Edwin Hubble dedujo que: la rapidez de retroceso V de una galaxia es proporcional a su distancia r de nosotros. A esta relación en la actualidad se le llama como la Ley de Hubble:
V= Ho.r
Ho : Constante de Hubble (en determinado momento es constante en todo el espacio)
Para determinar Ho , se necesitó del telescopio espacial Hubble, cual puede medir distancias a las galaxias con gran exactitud.
El valor que se le da en la actualidad es de 2.3x10-18 s-1, con una incertidumbre del 5%.
La galaxia más remota que el ser humano haya visto hasta ahora
Hubble Space Telescope (marzo 3, 2016). heic 1604 - Science Release. Hubble breaks cosmic distance record. Disponible en from: https://www.spacetelescope.org/news/heic1604/
La galaxia más remota que el ser humano haya visto hasta ahora
Hubble Space Telescope (marzo 3, 2016). heic 1604 - Science Release. Hubble breaks cosmic distance record. Disponible en from: https://www.spacetelescope.org/news/heic1604/
Otro
punto importante de las observaciones de Hubble fue que las galaxias
lejanas parecieran estar alejándose de nosotros en todas direcciones. Esta idea está claramente implicada en el "Principio Cosmológico".
Credits: NASA, ESA, B. Robertson (University of California, Santa Cruz), A. feild (STScl)
Disponible en: http://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/hubble-team-breaks-cosmic-distance-record
EL BIG BANG
Con
la ley de Hubble, entre otros indicadores, parece evidenciarse que toda
la materia del universo estaba mucho más concentrada, al punto que era
infinitesimalmente pequeño (más pequeño que un protón), e
infinitesimalmente denso, pero en un momento dado, hace aproximadamente
13800 millones de años se produjo una inmensa explosión, llamada Gran
explosión o Big Bang. A partir de ahí el universo se sigue expandiendo,
dando a toda la materia más o menos las velocidades que hoy observamos.
* La edad de la Tierra, cual es determinado por el fechado radioactivo es de 4600 millones (4.6x109) de años, lo que indica que el Universo es más viejo que la tierra.
ESPACIO EN EXPANSIÓN
Frecuentemente
se piensa que el universo se expande hacia el vacío, pero la evidencia
acumulada muestra que nuestro Universo es infinito, y por tanto no tiene
fronteras ni límites, por lo que no hay nada afuera de él, ni se
expande hacia algo. La expansión del Universo significa que está
aumentando el factor de escala del Universo, lo que en otras palabras
significa que el Universo infinito, se está volviendo más infinito.
LA GRAVEDAD Y EL UNIVERSO
Cabe
resaltar que la ley de la gravitación no es compatible con un Universo
estático, y según las evidencias necesitamos analizar la gravedad en un
Universo en expansión.
Teniendo en cuenta a la propiedad de las atracciones gravitacionales, la expansión inicial del Universo debería desacelerar.
En
ese sentido, el Universo debería expandirse cada vez con más lentitud,
considerando una atracción gravitacional suficientemente intensa, y en
cierto momento detenerse, y comenzar a contraerse, a lo que es llamado
la Gran Implosión o "Big Crunch", que vendría a ser lo opuesto al Big
Bang.
Por
otro lado, si la fuerza gravitacional fuese bastante débil en relación
al Universo, sólo desacelarían un poco la expansión, y por tanto el
Universo debería continuar expandiéndose eternamente, a lo cual se le
llama la Gran Congelación o "Big Freeze", cual es una expansión con
aceleración desmedida de todo objeto del Universo, desde las galaxias
hasta los átomos.
MATERIA OSCURA, ENERGÍA OSCURA Y EL UNIVERSO QUE ACELERA
Resaltando el hecho de
que la velocidad de la luz es la misma para cualquier observador y que
los fotones recorren más distancia para alcanzar al observador debido al
alejamiento de la fuente que emiten a los fotones, a este resultado se
le conoce como corrimiento o desplazamiento al rojo. Así, si un
Astro se aleja, las líneas se desplazan hacia la zona de las longitudes
de ondas largas, que son identificadas con el color rojo. Por tanto al
hablar de corrimiento al rojo de las galaxias, se indica el alejamiento
de éstas.
Las
diversas observaciones demuestran que la densidad media de toda la
materia en el Universo es el 26% de la densidad crítica, sin embargo, la
densidad media de la materia luminosa sólo representa el 4% de la
densidad crítica, lo que quiere decir que la mayor parte de la materia
del Universo no es luminosa, ya que no emite algún tipo de radiación
electromagnética. A esta llamada "Materia Oscura", se le atribuye la
posible explicación del porqué el Universo se acelera en vez de
desacelerar por efecto de la gravedad, pero no deja aún de ser
controversial y misterioso en el plano científico actual.
Algunos
proponen que la materia oscura son las WIMP(Weakly Interacting Massive
Particles; Partículas masivas débilmente interactuantes), los cuales
vienen a ser partículas subatómicas que hipotéticamente serían mucho más
masivas que las que son producidas en los experimentos en los
aceleradores de partículas.
La
otra hipótesis para la explicación de la Materia Oscura son los
MACHO(Massive Compact Halo Objects; Objetos Masivos de Halo Compacto),
los cuales incluirían objetos del Universo como Agujeros Negros que
forman halos en torno a las galaxias.
De
cualquier modo la Materia Oscura es la forma más predominante de
materia en el Universo. Por ejemplo, por cada Kilogramo de materia
ordinaria, como las estrellas, planetas, moléculas, átomos, protones o
electrones, hay cinco y medio kilogramos de materia oscura.
Desde
un análisis físico de la materia, la densidad promedio de la materia en
el Universo es menor que la densidad crítica, entonces se pueden llegar
a conclusiones de que el Universo seguirá expandiéndose eternamente, y
la atracción gravitacional de la materia en diversas partes del Universo
debería desacelerar la expansión, pero no al punto de detener la
expansión. Sin embargo, sólo fue hasta la década de 1990 cuando fue
posible medir con exactitud las distancias de las galaxias
extremadamente lejanas para nuestro común entendimiento, aún más se
descubrió que las galaxias muy lejanas tienen menores corrimientos al
rojo que lo que predecía la Ley de Hubble, lo que demuestra que la
expansión del Universo era más lenta en el pasado que ahora por lo que
el Universo ha estado acelerándose más que desacelerándose, lo que llega
a un punto muy controversial para los astrónomos y físicos que es que
en el espacio está difundida una clase de energía que no tiene efecto
gravitacional, además de no emitir radiación electromagnética, por lo
que funciona como una especie de "antigravedad" que produciría una
repulsión universal, a lo que en la actualidad a esta energía invisible e
inmaterial se le llama "energía oscura", el cual aún se le entiende
poco.
Relacionando la ecuación de Einstein E=m.c2, la densidad media de energía de materia en el Universo es 0,26ρec2, además teniendo en cuenta que la densidad de energía de la "energía oscura" es casi tres veces mayor que la de la materia, entonces la expansión del Universo continuará acelerándose.
DESACOPLAMIENTO DE INTERACCIONES Y EL PRINCIPIO DEL TIEMPO
Cuando aumentó la energía potencial gravitacional durante la expansión, hubo disminuciones en la temperatura y en la energía cinética media de las partículas, mientras tanto las interacciones básicas (gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) se desacoplan progresivamente.
Si se habla de la unificación de las interacciones electromagnética y nuclear débil, esta se presenta a energías suficientemente grandes como para hacer que las diferencias de masa entre los diversos bosones con espín 1, que median las interacciones, se consideren insignificantes en su comparación.
La interacción electromagnética se define por el fotón sin masa, y la interacción débil por los bosones débiles ω± y z0, cuyas masas son de aproximadamente 100 Gev/c2. Si tenemos en cuenta que a energías mucho menores que 100Gev, las dos interacciones parecen ser muy diferentes, también se establece que a energías mucho mayores que 100 Gev, las dos interacciones forman parte de una sola interacción.
Las teorías de la Gran Unificación establecen que la interacción nuclear fuerte se unifica con la interacción electrodébil a energías del orden 1014 Gev, pero a energías menores que ésta, las dos interacciones parecen muy diferentes.
Cabe destacar que las teorías de la gran unificación son más de tipo especulativa ya que no se pueden hacer experimentos controlados con energías a esta escala, que es mayor en un factor de 1011 que las energías que disponen cualquier acelerador de partículas actual.
Con energías suficientemente grandes y distancias muy cortas, la gravitación unificaría con las otras tres interacciones. Supuestamente, la distancia en la que se dan estos sucesos es del orden de 10-35m. Esta distancia es la llamada "Longitud de Planck" lp, cual se determina por la rapidez de la luz c y las constantes fundamentales de la mecánica cuántica y la gravitación h y G.
Donde lp es la longitud de Planck
Tener en cuenta que el tiempo de Planck es tp=lp/c , que es el tiempo que necesita la luz para recorrer la distancia tp.
*En la actualidad no se cuenta con una teoría adecuada que unifique las cuatro interacciones, por lo que no se puede conocer cómo se comportaba el Universo cuando el tiempo era menor que el tiempo de Planck, o en todo caso cuando su tamaño era menor que la longitud de Planck.
Relacionando la ecuación de Einstein E=m.c2, la densidad media de energía de materia en el Universo es 0,26ρec2, además teniendo en cuenta que la densidad de energía de la "energía oscura" es casi tres veces mayor que la de la materia, entonces la expansión del Universo continuará acelerándose.
DESACOPLAMIENTO DE INTERACCIONES Y EL PRINCIPIO DEL TIEMPO
Cuando aumentó la energía potencial gravitacional durante la expansión, hubo disminuciones en la temperatura y en la energía cinética media de las partículas, mientras tanto las interacciones básicas (gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) se desacoplan progresivamente.
Si se habla de la unificación de las interacciones electromagnética y nuclear débil, esta se presenta a energías suficientemente grandes como para hacer que las diferencias de masa entre los diversos bosones con espín 1, que median las interacciones, se consideren insignificantes en su comparación.
La interacción electromagnética se define por el fotón sin masa, y la interacción débil por los bosones débiles ω± y z0, cuyas masas son de aproximadamente 100 Gev/c2. Si tenemos en cuenta que a energías mucho menores que 100Gev, las dos interacciones parecen ser muy diferentes, también se establece que a energías mucho mayores que 100 Gev, las dos interacciones forman parte de una sola interacción.
Las teorías de la Gran Unificación establecen que la interacción nuclear fuerte se unifica con la interacción electrodébil a energías del orden 1014 Gev, pero a energías menores que ésta, las dos interacciones parecen muy diferentes.
Cabe destacar que las teorías de la gran unificación son más de tipo especulativa ya que no se pueden hacer experimentos controlados con energías a esta escala, que es mayor en un factor de 1011 que las energías que disponen cualquier acelerador de partículas actual.
Con energías suficientemente grandes y distancias muy cortas, la gravitación unificaría con las otras tres interacciones. Supuestamente, la distancia en la que se dan estos sucesos es del orden de 10-35m. Esta distancia es la llamada "Longitud de Planck" lp, cual se determina por la rapidez de la luz c y las constantes fundamentales de la mecánica cuántica y la gravitación h y G.
Donde lp es la longitud de Planck
Tener en cuenta que el tiempo de Planck es tp=lp/c , que es el tiempo que necesita la luz para recorrer la distancia tp.
*En la actualidad no se cuenta con una teoría adecuada que unifique las cuatro interacciones, por lo que no se puede conocer cómo se comportaba el Universo cuando el tiempo era menor que el tiempo de Planck, o en todo caso cuando su tamaño era menor que la longitud de Planck.
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