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INTRODUCCIÓN ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA

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El Bin Bang

La era inflacionaria

 

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Los fermiones: quarks y leptones
Los bosones: portadores de fuerzas
Las teorías de gran unificación
La teoría del Todo
Las partículas virtuales

La era de Planck y la inflación
La era de Planck
La era inflacionaria
La homogeneidad del Universo
La planitud del Universo
La aparición de la materia y la bariogénesis

La evolución de la materia
El confinamiento de los quarks y la era hadrónica
El desacoplamiento de los neutrinos y la era leptónica
La nucleosíntesis primordial
La recombinación y la radiación fósil
Las fluctuaciones de densidad primordiales

Algunas curiosidades
La dualidad onda-partícula
La paradoja EPR y la no separabilidad
El ajuste de las constantes fundamentales
El gato de Schrödinger
Los universos paralelos

 

 

 

Universe_expansion_es

Según la teoría del Big Bang, el Universo se originó en una singularidad espaciotemporal de densidad infinita matemáticamente paradójica. El universo se ha expandido desde entonces, por lo que los objetos astrofísicos se han alejado unos respecto de los otros.

 

La era inflacionaria

Al tiempo 10-43 segundos, la gravitación, que estaba hasta allí unificada a las otras tres interacciones, se disocia, es el fin de la era de Planck. El Universo está en un estado de vacío cuántico. La materia ordinaria no existe, pero hay una agitación formidable debida a la creación y desaparición de partículas y antipartículas virtuales.

Si no está esta fantástica agitación, no pasa nada notable hasta el tiempo 10-35 segundos, cuando suena la hora de la disociación de las interacciones fuerte y electrodébil. Es en este momento que va a comenzar una fase crucial del Big bang, la era inflacionaria, durante la cual el tamaño del Universo va a multiplicarse por un factor gigantesco.

El concepto de período inflacionario es relativamente reciente. Primero, fue imaginado al principio de los años ochenta por el Americano Alan Guth; luego desarrollado por otros astrofísicos, en particular el Ruso Andrei Linde. La inflación sigue siendo la parte más especulativa de nuestra descripción del Big bang. Dicho esto, esta teoría responde de manera satisfactoria a dos problemas cosmológicos, la homogeneidad y la planitud del Universo, que no habían encontrado solución hasta entonces.

Una transición de fase

Para comprender lo que pasa, comencemos por una analogía. El comportamiento del Universo cuando se desencadena la inflación recuerda al agua que se solidifica y se transforma en hielo.

Los dos estados, agua líquida e hielo, tienen propiedades muy diferentes. Por ejemplo, bajo su forma líquida el agua no tiene estructura y toma la forma del recipiente que la contiene, mientras que bajo su forma sólida se convierte en un cristal, una estructura muy regular de moléculas. Otra diferencia aparece al nivel de la simetría: el agua liquida tiene propiedades idénticas en todas las direcciones, mientras que el hielo favorece los ejes de cristalización.

En el lenguaje del físico, el agua líquida y el hielo son dos fases diferentes y la transformación de una en la otra se llama una transición de fase. En condiciones de enfriamiento habituales, la cristalización se produce en cuanto la temperatura alcanza cero grado Celsius. Se produce entonces con suavidad, con una lenta liberación de una determinada cantidad de energía llamada "calor latente".

Existe, sin embargo, un caso particular llamado sobrefusión en el cual las cosas pasan de manera diferente. En un medio ambiente extremadamente estable, un agua muy pura puede enfriarse y alcanzar una temperatura negativa sin solidificarse por ello. Esta situación es, sin embargo, muy inestable y basta con agitar ligeramente el agua para que la cristalización se produzca instantáneamente con una liberación de "calor latente" muy rápida.

Una transición de fase en el Universo

El fenómeno que se produce cuando el Universo tiene edad de 10-35 segundos es similar. Es en esta época que las fuerzas fuerte y electrodébil, hasta allí unificadas, se disocian. Se pasa de una situación simétrica donde las dos fuerzas eran una, a una situación asimétrica donde son diferentes. El Universo sufre, pues, como el agua que se solidifica, una transición de fase.

Esta transición de fase debería producirse inmediatamente, pero el Universo va primero a pasar por una fase de sobrefusión. Va a permanecer durante un breve período en una fase simétrica inestable, llamada el falso vacío, más bien que adoptar inmediatamente la fase asimétrica estable, el verdadero vacío.

Una gran densidad de energía

El falso vacío, un estado equivalente al agua sobrefundida, se caracteriza esencialmente por la presencia de una enorme densidad de energía en todo punto del Universo, lo que va a tener un efecto crucial sobre su evolución. En efecto, según la relatividad general, esta energía omnipresente va a traducirse en una fuerza de repulsión extremadamente potente. El Universo sufre en consecuencia una expansión rápida y brutal a la cual se ha dado el nombre de inflación.

Esta expansión dura hasta que el Universo sufra finalmente su transición de fase. Alcanza entonces un estado estable, liberando al mismo tiempo una cantidad formidable de energía. Eso se produce en una época que no está aún bien definida, digamos hacia 10-32 segundos.

Una inflación prodigiosa

Durante la era inflacionaria, el tamaño del Universo ha sido multiplicado por un factor 1026 (así pues, 1078 en volumen), lo que es enorme comparado al ritmo actual de la expansión. Desde la aparición de los átomos, hacia la edad de 300.000 años, el tamaño del Universo observable sólo se ha multiplicado por un factor mil en 13,7 mil millones de años.

Observemos aún que, aunque la inflación se produce a un ritmo extraordinario, no quebranta la relatividad restringida que enuncia que nada se desplaza más rápido que la luz. En efecto, es el propio espacio que sufre la inflación. La distancia entre dos partículas aumenta a un ritmo desenfrenado a causa de la expansión del espacio. Con relación al propio espacio como punto de referencia, la velocidad de las partículas debería siempre ser inferior a la de la luz.

 

 

ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA - ANTONIO HERAS - SON FERRER (CALVIÁ)

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