Cosmología

Cosmología:

Las primeras teorías cosmológicas datan del siglo IV a.C., centradas en los pueblos mesopotámicos, los cuales consideraban que la Tierra era el centro del Universo, y que eran los demás cuerpos celestes los que giraban alrededor de ella. Algunos clásicos como Aristóteles, defendían esta teoría.

El filósofo, matemático y astrónomo Anaximandro de Mileto, discípulo y amigo de Tales de Mileto, es mencionado como fundador de la cosmología. Su concepción del Universo se basaba en un número de cilindros concéntricos, de los cuales el más exterior era el Sol, la Luna el del medio, y las estrellas contenidas en el del interior. La Tierra se encontraba dentro de estos cilindros. Defendía una teoría del origen del Universo en la cual se postulaba que era resultado de la separación de opuestos desde la materia primaria; el calor se habría movido hacia fuera, separándose de lo frío, y más tarde lo habría hecho lo seco de lo húmedo. Sostenía además, que todas las cosas vuelven con el tiempo al elemento que las originó.

Otro clásico del siglo II, Claudio Tolomeo, intentó tomar en consideración un modelo heliocéntrico, pero lo desechó basándose en la física de Aristóteles, en la cual no tenía cabida una rotación de la Tierra sin que ésta resultase violenta y convulsa. En su lugar adoptó el modelo de que las estrellas se movían en la noche porque se encontraban encerradas en unas esferas cristalinas giratorias, perfectas y transparentes. Tiempo después el modelo geocéntrico de Tolomeo seguía firmemente apoyado por la Iglesia, de tal forma que ayudó a frenar considerablemente el progreso de la astronomía durante los siguientes mil años.

A pesar de que el astrónomo griego Aristarco de Samos sostuvo también en el 270 a.C. que la Tierra giraba alrededor del Sol, su teoría quedó nublada por la autoridad del propio Aristóteles, la cual no fue rebatida hasta muchos siglos después. De hecho, el sistema geocéntrico imperó totalmente hasta finales de la Edad Media, a pesar de algunos intentos por cambiarlo por el heliocéntrico. En el año 1543, la explicación del movimiento de los planetas era para el clérigo y astrónomo polaco Nicolás Copérnico, mucho más fácil si se situaba al Sol como centro del Universo. En la hipótesis de Copérnico los planetas, incluido la Tierra, trazaban sus órbitas alrededor del Sol. Esta teoría se fue imponiendo sobre las demás, pero muy lentamente.

Gran parte de la fama de Copérnico se debe a la obra Revoluciones de los cuerpos celestes (1543), donde realiza un análisis crítico de la teoría de Tolomeo sobre un Universo geocéntrico. La proposición de que fuera el Sol y no la Tierra el centro del Universo, fue el rasgo más audaz de Copérnico, quedando la Tierra degradada a la categoría de un simple planeta más. Su teoría molestó a muchas personas y fue contestada duramente por la Iglesia, que incluyó su obra en la lista de libros prohibidos en 1616, donde permaneció hasta 1835.

El sistema heliocéntrico de Copérnico no obtuvo suficiente atención, hasta que Galileo Galilei descubrió pruebas tangibles para defender esta teoría. En 1609, Galileo fue uno de los primeros en observar los planetas a través de un telescopio; pudo comprobar cómo algunos planetas giraban alrededor del Sol y no de la Tierra. Galileo comenzó entonces a escribir y publicar en favor de la teoría de Copérnico, convirtiéndose en un fiel defensor de ésta, pero el intento de difundirla le llevó ante un tribunal de la inquisición, el cual le obligó a renegar de sus creencias y escritos bajo acusación grave de herejía. A pesar de ello, la teoría de Copérnico no pudo ser eliminada.

Para comprender las dificultades de resolución de los problemas orbitales que tuvieron los observadores y teóricos que siguieron a Galileo (principalmente Kepler), es necesario comprender los misticismos sobre la matemática y geometría arrastrados desde la época de Pitágoras.

Pitágoras, en el siglo VI a.C., fue el primero en utilizar la palabra Cosmos, es decir, el concepto de Universo ordenado y armonioso. Sus discípulos relacionaban la certeza de la demostración matemática con la perfección del Universo. Muchos de ellos eran místicos convencidos. La realidad de su imperfecto y desordenado mundo cotidiano, chocaba frontalmente con aquel Cosmos en el cual los lados de triángulos rectángulos obedecían a la perfección simples relaciones matemáticas; habían penetrado en la realidad perfecta del reino de los dioses.

Los pitagóricos identificaban la constitución del mundo en cuatro elementos: tierra, fuego, aire y agua. Por su parte, por alguna razón éstos fueron identificados con cuatro sólidos regulares: cubo (6 cuadrados), tetraedro (4 triángulos equiláteros), octaedro (8 pentágonos) e icosaedro (20 triángulos equiláteros). Sin embargo, aunque existen infinitos polígonos regulares, sólo hay cinco sólidos regulares, el quinto es el dodecaedro, que tiene por lados a doce pentágonos. Por razones místicas pensaron entonces que el dodecaedro sólo podía relacionarse con el Cosmos y la sustancia de los cuerpos celestiales, de ahí la palabra quintaesencia dada a esta correspondencia físico-mística. Igualmente, los números enteros semejaban la racionalidad de las cosas, y creían que de ellos podían derivarse todas las incógnitas.

Por el carácter doctrinal de estas enseñanzas, la existencia del dodecaedro fue ocultada al pueblo llano, y sólo se manejaba dentro del ámbito de la escuela pitagórica. Por la misma razón, se ocultó un descubrimiento que rompía con la tan alabada armonía geométrica y matemática de los números enteros, y que produjo una verdadera crisis en esta doctrina. Simplemente, aplicando el teorema de Pitágoras, se comprobó que la raíz cuadrada de 2 (razón entre diagonal y lado de un cuadrado) no era racional, es decir, no podía expresarse con dos números enteros, de ahí la palabra irracional, significado de que un número no puede expresarse como una razón. Fue entonces cuando la concepción del mundo que mantenían Pitágoras y sus seguidores sintió una amenaza, la creencia de que podía desmoronarse ante el indicio de que esa concepción cosmológica careciera de sentido. De nuevo, el conocimiento de la raíz cuadrada de 2 fue ocultado como ya se hiciera con el dodecaedro, y reservado sólo como un conocimiento sagrado. Un discípulo de Pitágoras llamado Hispaso publicó el secreto del dodecaedro, pero su libro no trascendió y él pereció en un naufragio, en lo que fue considerado un castigo justo por los demás fieles de Pitágoras.

Pero uno de los elementos que favorecieron el lento avance en el desvelo de las leyes que rigen el Cosmos y el movimiento de los cuerpos planetarios, fue el concepto místico que tenían los pitagóricos del círculo y la esfera. Para ellos, la esfera era perfecta, pues el centro se encontraba a la misma distancia de cualquier punto de la superficie. El mismo concepto se tenía del círculo. Por esta razón, no se deducía otra forma de movimiento de los planetas que no fuera en forma circular, cualquier otra sugerencia indicaría un movimiento defectuoso e impropio, y mucho menos que la velocidad de la órbita fuese más o menos lenta a lo largo de ella.

Johanes Kepler no se libró de estas creencias, que perduraron vigentes durante muchos siglos, y que desviaron la atención de los astrónomos teóricos de la auténtica realidad.

Teorías cosmológicas modernas.

Los modelos actuales del universo sostienen dos premisas fundamentales: el principio cosmológico y el papel dominante de la gravitación. En base a los resultados obtenidos por el Hubble, el principio cosmológico sostiene que si se considera una muestra suficientemente grande de galaxias, el universo se ve igual desde todas las posiciones y en todas direcciones en el espacio. El segundo punto de acuerdo es que la gravedad (o una fuerza de antigravedad, llamada energía oscura) es la fuerza más importante en la formación del universo. Según la teoría general de la relatividad de Einstein, que es una interpretación geométrica de la gravitación, la materia produce efectos gravitacionales distorsionando el espacio alrededor de él; por lo que la curvatura del espacio es descrito por una forma de geometría no-euclidiana. Un número de teorías cosmológicas satisfacen a la vez el principio cosmológico y el de la relatividad general. Las dos teorías más importantes son la hipótesis del Big Bang y la hipótesis del estado estable, con muchas variaciones en cada enfoque básico.

La teoría de estado estacionario.

Según la teoría del estado estacionario, ahora de interés meramente histórico, el universo se expande, pero nueva materia es continuamente creada en todos los puntos del espacio dejado por las galaxias en retroceso. La teoría implica que el universo siempre ha estado expandiéndose, sin principio ni fin; a un ritmo uniforme y que siempre se va a ampliar y mantener una densidad constante.

La teoría del Big-Bang

Según las teorías del Big Bang, en el principio de los tiempos, toda la materia y la energía en el universo estaba concentrada en un estado muy denso, del que "explotó", con la consecuente expansión continua hasta el presente. "Este "big bang” se estima entre 10 y 20 millones de años atrás, con probabilidad de c.13.7 millones de años. En este estado inicial, el universo era muy caliente y que contenía una sopa térmica de quarks, electrones, fotones y otras partículas elementales. La temperatura disminuyó rápidamente, pasando de 1013 grados Kelvin después del primer microsegundo a cerca de un billón de grados después de tres minutos. A medida que el universo se enfrió, los quarks se condensaron en protones y neutrones, los componentes básicos de los núcleos atómicos. Algunos de estos se convirtieron en núcleos de helio por fusión, la abundancia relativa de hidrógeno y de helio se utiliza como una prueba de la teoría. Después de muchos millones de años el universo en expansión, al principio un gas muy caliente, se adelgazo y se enfrió lo suficiente para condensarse en galaxias individuales y, a continuación en estrellas.

Varios descubrimientos espectaculares desde 1950 han arrojado nueva luz sobre el este problema. La fibra óptica y la radioastronomía se complementaron en el descubrimiento de los quásares y las radio galaxias. Se cree que la energía que nos llega ahora de algunos de estos objetos fue emitida no mucho después de la creación del universo. Otra prueba para la teoría del Big Bang fue el descubrimiento en 1965 de un ruido de fondo cósmico que se recibe de todas partes del cielo. Esta radiación de fondo tiene la misma intensidad y la distribución de frecuencias en todas las direcciones y no está asociada con ningún objeto celeste individual. Tiene una temperatura de cuerpo negro de 2,7 K. (-270 ° C) y se interpreta como el remanente electromagnético de la bola de fuego primordial, estirada a longitudes de onda larga por la expansión del universo. Recientemente, el análisis de la radiación de los objetos celestes lejanos detectados por satélites artificiales ha dado pruebas adicionales de la teoría del Big-bang.

En cosmología física, la teoría del Big Bang o teoría de la gran explosión es un modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y su desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal. Técnicamente, se trata del concepto de expansión del Universo desde una singularidad primigenia, donde la expansión de éste se deduce de una colección de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann- Lemaître - Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión observable del Universo (cuantificada en la ley de Hubble), como en un sentido más general para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución del mismo.

Para llegar al modelo del Big Bang, muchos científicos, con diversos estudios, han ido construyendo 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 alejaban de nosotros, como si el Universo se expandiera constantemente. En 1948, el físico ruso nacionalizado estadounidense, George Gamow (1904-1968), planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión (Big Bang). Recientemente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido "oír" los vestigios de esta gigantesca explosión primigenia.

Curiosamente, fue el astrofísico inglés Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría y, a su vez, uno de los principales defensores de la teoría del estado estacionario, quien dijo para mofarse que el modelo descrito era sólo un big bang, durante una discusión de la BBC en 1949. No obstante, hay que tener en cuenta que en el inicio del Universo ni hubo explosión ni fue grande, pues en rigor surgió de una «singularidad» infinitamente pequeña, seguida de la expansión del propio espacio.

Friedman, Alexander.  General Relativity and Gravitation.  On the Curvature of Space , Springer Netherlands, Volume 31, Number 12 / diciembre de 1999
Aleksandr Aleksandrovich Friedmannhttp://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Friedmann.html
Georges Lemaître, el padre del "big bang"
http://www.aceprensa.com/articulos/1995/jun/07/georges-lema-tre-el-padre-del-big-bang/
Edwin Hubble:  http://www.astrocosmo.cl/biografi/b-e_hubble.htm
George Gamow, La investigación del átomo, México, D.F., 1956

Teoría Del Big Rip

 

El Gran Desgarramiento o Teoría de la expansión eterna, llamado en inglés Big Rip, es una hipótesis cosmológica sobre el destino último del Universo.

La clave de esta hipótesis es la cantidad de energía oscura en el Universo. Si el Universo contiene suficiente energía oscura, podría acabar en un desgarramiento de toda la materia.

El valor clave es w, la razón entre la presión de la energía oscura y su densidad energética. A w < -1, el Universo acabaría por ser desgarrado. Primero, las galaxias se separarían entre sí, a 1000 millones de años del final. Luego la gravedad sería demasiado débil para mantener integrada cada galaxia, y 60 millones de años antes del fin, sólo habría estrellas aisladas. Aproximadamente tres meses antes del fin, los sistemas solares perderían su cohesión gravitatoria. En los últimos minutos, se desbaratarían estrellas y planetas. El Universo quedaría en átomos, pero no se habría acabado todo.

Los átomos serían destruidos en una fracción de segundo antes del fin del tiempo y sólo quedaría radiación. El Universo sería como el Big Bang pero casi infinitamente menos denso.

A diferencia del Big Crunch, en el que todo se condensa en un solo punto, en el Big Rip el Universo se convertiría en partículas subatómicas flotantes que permanecerían para siempre separadas, sin cohesión gravitatoria ni energía alguna.

Los autores de esta hipótesis calculan que el fin del Universo, tal como conocemos, ocurriría aproximadamente 3,5 × 1010 años (35.000 millones de años) después del Big Bang, o dentro de 2,0 × 1010 años (20.000 millones de años).

Debido a que la materia sólo representa el 27% del Universo y el 73% restante está formado por la energía oscura, el Big Rip parece ser una de las teorías más aceptadas en la actualidad del fin del Universo.

Link con información relacionada

Link a la página de la NASA sobre cosmología: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/

Artículo sobre la teoría del Big Bang: http://ssscott.tripod.com/BigBang.html

On truth and reality: http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:cxUQtdo19_cJ:www.spaceandmotion.com/Cosmology-Big-Bang-Theory.htm+cosmology+theories&cd=7&hl=es&ct=clnk&gl=pe
Study Plunges Standard Theory of Cosmology into Crisis:
http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:NxyErCXli9sJ:www.sciencedaily.com/releases/2009/05/090505061949.htm+cosmology+theories&cd=10&hl=es&ct=clnk&gl=pe

General relativity & Cosmology:
http://musr.physics.ubc.ca/~jess/hr/skept/COSM/
A voyage of knowledge: http://www.relativitycalculator.com/
Barrow, J. D. The Origin of the Universe (1994);
Coles, P. and Lucchin, F., Cosmology: The Origin and Evolution of Cosmic Structure (1995);
Green, B. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory (2000);
Hawking, S. The Universe in a Nutshell (2001);
Kirshner, R. P. The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, and Accelerating Cosmos (2002);Longair, M. S. Our Evolving Universe (1996);
Sciama , D. W., Modern Cosmology and the Dark Matter Problem (1993);
Singh, S. Big Bang: The Origin of the Universe (2005).