Sobre la expansión del universo 1
Proceso de presentación en perspectiva
¿Cómo puede la gente especular que pudo haber habido un Big Bang? Esto depende de la observación y la investigación astronómicas. Nuestro sol es sólo una de los 120 mil millones de estrellas de la Vía Láctea. Como nuestra Vía Láctea, galaxias extrasolares y miles. A partir de observaciones se ha descubierto que esas galaxias distantes se están alejando de nosotros. Cuanto más lejos están las galaxias, más rápido vuelan, creando un universo en expansión.
En este sentido, la gente empezó a reflexionar que si miramos estas galaxias alejándose en todas direcciones a la inversa, es posible que sean emitidas por la misma fuente. ¿Hubo un Big Bang inimaginable en el comienzo del universo? Más tarde, observamos la radiación de fondo de microondas que llena el universo, lo que significa que las consecuencias de BIGBANG hace aproximadamente 654,38+500 millones de años son débiles pero existen. Este hallazgo es un fuerte apoyo para BIGBANG.
La teoría del Big Bang es una escuela importante de la cosmología moderna, que puede explicar satisfactoriamente algunas cuestiones básicas de la cosmología. Aunque la "teoría del Big Bang" se propuso en la década de 1940, comenzó a surgir en la década de 1920. En la década de 1920, muchos astrónomos observaron que las líneas espectrales de muchas galaxias extragalácticas tenían cambios de longitud de onda en comparación con las líneas espectrales del mismo elemento en la Tierra, es decir, un fenómeno de corrimiento al rojo.
En 1929, el astrónomo estadounidense Hubble concluyó que el desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales de las estrellas en una galaxia es proporcional a la distancia de la galaxia a la Tierra. Teóricamente señaló que si el desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales es el resultado del efecto Doppler, significa que las galaxias más allá de la Vía Láctea se alejan de nosotros y se alejan. Cuanto más se alejan de nosotros, más rápido. galaxias. Así es exactamente como se ve la expansión del universo.
En 1932, Lemaitre propuso por primera vez la teoría moderna del Big Bang: el universo entero se reunió primero en un "átomo primitivo", y luego se produjo el Big Bang, y los fragmentos se dispersaron en todas direcciones, formando nuestro universo. . Gamov, un astrofísico ruso-estadounidense, fue el primero en integrar la relatividad general en la teoría del universo y propuso un modelo cosmológico del Big Bang: el universo comenzó con materia primordial de alta temperatura y alta densidad, con una temperatura inicial superior a varios miles de millones de grados. A medida que la temperatura siguió bajando, el universo comenzó a expandirse.
La teoría del Big Bang es la teoría más influyente sobre la formación del universo. Nació en la década de 1920, se complementó y desarrolló en la década de 1940, pero sigue siendo desconocido. En la década de 1940, el astrofísico estadounidense Gamow y otros propusieron formalmente la teoría del Big Bang. Según esta teoría, el universo estuvo en un estado de temperatura extremadamente alta y alta densidad en el pasado distante, lo que se llama vívidamente "bola de fuego primordial". La llamada bola de fuego original es un punto infinitesimal. Ahora el universo seguirá expandiéndose, es decir, infinitamente. Es posible que cuando la energía de la explosión cósmica llegue a su límite, el universo se convierta en una llama primordial, es decir, un punto infinitesimal. Después de que la bola de fuego explote, el universo comenzará a expandirse, la densidad de la materia se reducirá gradualmente y la temperatura disminuirá gradualmente hasta alcanzar su estado actual. Esta teoría puede explicar naturalmente el fenómeno del corrimiento al rojo de las líneas espectrales de objetos extragalácticos y también puede explicar satisfactoriamente muchos problemas astrofísicos. No fue hasta la década de 1950 que la gente empezó a prestarle mucha atención a esta teoría.
En la década de 1960, Penzias y Wilson descubrieron nuevas y sólidas pruebas de la teoría del Big Bang. Descubrieron la radiación cósmica de fondo. Posteriormente confirmaron que la radiación cósmica de fondo es un remanente del Big Bang, proporcionando así una base importante para la teoría del Big Bang. También ganaron el Premio Nobel de Física en 1978.
Hawking encarna la sabiduría y la perseverancia de la ciencia del siglo XX. Explicó claramente la evolución del universo desde 10 a 43 segundos después de su origen. El origen del universo: Al principio fue una singularidad más pequeña que un átomo, y luego fue el Big Bang. Algunas partículas elementales se formaron gracias a la energía del Big Bang, y estas partículas formaron gradualmente diversas sustancias en el universo bajo la influencia de la energía.
Hasta ahora, el modelo del universo del Big Bang se ha convertido en la teoría más convincente del universo. Sin embargo, hasta ahora la teoría del Big Bang todavía carece del apoyo de una gran cantidad de experimentos y todavía no conocemos la imagen del universo antes y después de que comenzara a explotar.
Punto de vista teórico
La idea principal de la teoría del Big Bang es que nuestro universo alguna vez tuvo una historia de evolución de caliente a frío. Durante este período, el sistema cósmico no era estático, sino que se expandía constantemente, lo que hacía que la densidad de la materia evolucionara de densa a escasa. Este proceso de calor a frío, de denso a fino, es como una gran explosión. Según la cosmología del Big Bang, todo el proceso del Big Bang ocurrió en las primeras etapas del universo, donde la temperatura era extremadamente alta, por encima de los 100 mil millones de grados. La densidad de la materia también es bastante grande y todo el sistema cósmico se encuentra en un estado de equilibrio. En el universo sólo existen algunas partículas básicas, como neutrones, protones, electrones, fotones, neutrinos, etc. Pero como todo el sistema se está expandiendo, la temperatura baja rápidamente. Cuando la temperatura desciende a unos 10 mil millones de grados, los neutrones comienzan a perder las condiciones para la existencia libre. Se desintegran o se combinan con protones para formar hidrógeno pesado, helio y otros elementos. Fue a partir de este período que comenzaron a formarse elementos químicos. Cuando la temperatura desciende aún más a 654,38+0 millones de grados, finaliza el proceso inicial de formación de elementos químicos (ver Teoría de la síntesis de elementos). La materia del universo está formada principalmente por protones, electrones, fotones y algunos núcleos atómicos más ligeros. Cuando la temperatura desciende a varios miles de grados, la radiación disminuye y el universo es principalmente materia gaseosa, que gradualmente se condensa en nubes de gas y luego forma varios sistemas estelares, convirtiéndose en el universo que vemos hoy.
Desde que Gamow estableció el concepto de Big Bang en 1948, los cosmólogos nos han esbozado una historia del universo a través de décadas de esfuerzos:
El Big Bang Cuando comenzó la explosión Hace entre 15 y 200 mil millones de años, era extremadamente pequeña, extremadamente densa y extremadamente caliente.
Después del Big Bang, el universo emergió del fondo cuántico en 10-43 segundos.
10-35 segundos después del Big Bang, los mismos campos se descomponen en fuerza fuerte, fuerza débil y gravedad.
Después del Big Bang, los protones y neutrones se formaron en 10-5 segundos a 10 billones de grados.
0,01 segundos después del big bang, 100 mil millones de grados, principalmente fotones, electrones y neutrinos, los protones y neutrones sólo representan una parte de 100 millones, en equilibrio térmico, el sistema se expande rápidamente, y la temperatura y La densidad sigue disminuyendo.
0,1 segundo después del big bang, 30 mil millones de grados después, la relación neutrón-protón cayó de 1,0 a 0,61.
Después del Big Bang, 1 segundo después, a 100 mil millones de grados, los neutrinos escapan hacia el exterior, los positrones y los electrones negativos sufren una reacción de aniquilación y la fuerza nuclear no es suficiente para unir neutrones y protones.
A los tres mil millones de grados 13,8 segundos después del Big Bang, se formaron núcleos estables (elementos químicos) de deuterio y helio.
35 minutos después del big bang, a 300 millones de grados, el proceso nuclear se detuvo y no se pudieron formar átomos neutros.
300.000 años después del Big Bang, a 3.000 grados, se formaron átomos neutros mediante combinación química. El universo estaba compuesto principalmente de materia gaseosa, que poco a poco se fue condensando en nubes de gas muy densas bajo la acción de la autogravedad. , hasta estrellas y sistemas estelares.
El modelo del Big Bang
Una teoría ampliamente aceptada de la evolución del universo. La idea principal es que el universo fue creado por un "Big Bang" a partir de un estado de temperatura y densidad extremadamente altas. Ocurrió hace al menos 654,38+ mil millones de años. Este modelo se basa en dos supuestos: el primero es la teoría general de la relatividad de Einstein, que puede describir correctamente el efecto gravitacional de la materia en el universo; el segundo es el llamado principio cosmológico, es decir, lo que el observador ve en el universo; está relacionado con la dirección o ubicación de la observación. Nada que hacer. Este principio sólo se aplica a la gran escala del universo, lo que también significa que el universo no tiene límites. Por lo tanto, el origen del Big Bang no ocurrió en un punto determinado del espacio, sino que ocurrió en todo el espacio al mismo tiempo. Con estos dos supuestos, podemos calcular la historia del universo a partir de un momento determinado (llamado tiempo de Planck), pero antes de eso, no está claro qué leyes físicas estaban en funcionamiento. Después de eso, el universo se expandió rápidamente y su densidad y temperatura descendieron desde su estado extremadamente alto original. Entonces, algunos de los mismos procesos que indican la desintegración de protones también permiten que la materia supere ampliamente en número a la antimateria, como vemos hoy. En esta etapa también pueden aparecer muchas partículas elementales. Después de unos segundos, la temperatura del universo se enfrió y se formaron algunos núcleos atómicos. Esta teoría también predice que podrían formarse ciertas cantidades de nucleidos como hidrógeno, helio y litio, con abundancias consistentes con las que se observan hoy. Aproximadamente 654,38+0 millones de años después, el universo se enfrió aún más, comenzaron a formarse átomos y la radiación que llenaba el universo se extendió libremente por el espacio.
Esta radiación se llama radiación cósmica de fondo de microondas y ha sido confirmada por observaciones. Además de materia primordial y radiación, la teoría del Big Bang predice que el universo debería estar lleno de neutrinos, partículas elementales que no tienen masa ni carga eléctrica. Ahora los científicos están trabajando arduamente para encontrar esta sustancia.
El modelo del Big Bang puede explicar uniformemente los siguientes hechos observacionales:
(1) La teoría sostiene que todas las estrellas nacen después de que la temperatura baja, por lo que la edad de cualquier cuerpo celeste debería ser más antiguo que la temperatura El período de declive hasta hoy es corto, es decir, menos de 20 mil millones de años. Las mediciones de las edades de varios cuerpos celestes lo demuestran.
(b) Se observa que las líneas espectrales de los objetos extragalácticos tienen un desplazamiento sistemático hacia el rojo, y el desplazamiento hacia el rojo es aproximadamente proporcional a la distancia. Si se explica por el efecto Doppler, entonces el corrimiento al rojo es un reflejo de la expansión del universo.
(c) El helio es bastante abundante en varios cuerpos celestes, la mayoría de los cuales son un 30%. El mecanismo de las reacciones nucleares estelares no es suficiente para explicar por qué hay tanto helio. Según la teoría del Big Bang, la temperatura inicial era muy alta y la eficiencia de producción de helio también era muy alta, lo que puede explicar este hecho.
(d) Con base en la tasa de expansión del universo y la abundancia de helio, la temperatura del universo en varios períodos históricos se puede calcular específicamente.
Según la teoría del Big Bang, el universo nació en un punto diminuto hace 654,38+0,5 mil millones de años. De este punto diminuto nacieron el espacio-tiempo, la masa y la energía, permitiendo que pequeñas partículas de materia se agregaran. En materia de gran masa eventualmente se forman galaxias, estrellas y planetas. Antes del Big Bang, no había materia, ni energía, ni siquiera vida en el universo.
Sin embargo, la teoría del Big Bang no puede responder cómo era el universo antes del Big Bang, ni ¿cuál fue la causa del Big Bang? Según la teoría del Big Bang, el universo no tuvo principio. Es simplemente un proceso cíclico, desde el big bang hasta el agujero negro, que es el proceso de creación, destrucción y renacimiento del universo.
Esto es sólo una idea, no una teoría perfecta.
Disputa
Aunque la teoría del Big Bang aún no está madura, sigue siendo la teoría principal sobre la formación del universo. La cuestión es que existe cierta evidencia que respalda la teoría del Big Bang. La evidencia más tradicional es la siguiente:
(a) Corrimiento al rojo
Desde cualquier dirección de la Tierra, galaxias distantes se están alejando de nosotros, por lo que se puede inferir que el universo se está expandiendo y alejándose de nosotros Cuanto más lejos están las galaxias de nosotros, más rápido se alejan.
Ley de Hubble
La Ley de Hubble es una cierta relación entre la velocidad y la distancia entre galaxias. Todavía explica el movimiento y la expansión del universo.
V=H×D
Donde V (kilómetro/segundo) es la velocidad inicial; H (Km/seg/Mpc) es la constante de Hubble, que es 50 D (; Mpc ) es la distancia entre galaxias. 1 MPC = 3,26 millones de años luz.
(c) Hidrógeno y helio abundantes
El modelo predice que el hidrógeno representa el 25% y el helio el 75%, lo que ha sido confirmado mediante experimentos.
(d) Abundancia de oligoelementos
Para estos oligoelementos, las abundancias estimadas en el modelo son las mismas que las abundancias medidas.
(e) Radiación cósmica de fondo 3K
Según la teoría del Big Bang, el universo se enfrió debido a la expansión y aún hoy debería haber brasas radiantes en el universo. En 1965 se midió la radiación de fondo de 3K.
(f) Seguimiento de la falta de homogeneidad de la radiación de fondo
Demuestra que el estado inicial del universo no es homogéneo, que es la razón por la que el universo actual y las galaxias y cúmulos de galaxias actuales son producido.
(g) Nuevas pruebas de la teoría del Big Bang
En la revista británica "Nature" del 5 de junio a febrero de 2000, los científicos afirmaron que habían descubierto que podrían utilizarse para proporcionar nuevas evidencia que confirma la teoría del Big Bang.
Durante mucho tiempo, ha existido la teoría de que el universo era originalmente un punto con una gran masa, un volumen pequeño y una temperatura extremadamente alta. Luego, este punto explotó y, a medida que su volumen se expandió, la temperatura siguió disminuyendo. Hasta el día de hoy, los rayos cósmicos conocidos como "radiación de fondo cósmico" todavía permanecen en el universo al comienzo del Big Bang.
Después de analizar la luz absorbida de los quásares por nubes de gas distantes en el universo hace miles de millones de años, los científicos descubrieron que sus temperaturas eran efectivamente más altas que las del universo actual. Descubrieron que la temperatura de fondo era de aproximadamente -263 grados. 89 grados Celsius, superior a la temperatura medida actualmente de -273,33 grados Celsius en "La Temperatura del Universo".
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Voces de los teóricos anti-Big Bang
El 22 de mayo de 2004, la revista británica "New Scientist" publicó una carta dirigida a la comunidad científica firmada por 34 científicos e ingenieros. . Lo tradujimos para darles a los lectores una idea de los argumentos de la gente de The Big Bang Theory. Después de que la carta abierta se publicara en línea, fue firmada por 185 científicos (ahora más de 400):
Hoy en día, la teoría del Big Bang se basa cada vez más en suposiciones y cosas que nunca se han observado empíricamente: inflación, La materia oscura y la energía oscura son algunos de los ejemplos más impactantes. Sin estas cosas, encontraremos que las observaciones astronómicas reales son directamente contradictorias con las predicciones de la teoría del Big Bang. Este recurso constante a nuevas hipótesis para cerrar la brecha entre la teoría y la realidad no sería aceptable en ningún otro campo de la física. Esto al menos refleja los serios problemas con la validez de esta teoría de origen desconocido.
Sin embargo, sin estos factores descabellados, la teoría del Big Bang no puede sobrevivir. Sin el supuesto de inflación, la teoría del Big Bang no puede explicar la radiación cósmica de fondo uniforme e isotrópica que se encuentra en las observaciones reales. Porque en ese caso, no explica por qué lugares distantes del universo tienen la misma humedad y emiten la misma cantidad de radiación de microondas. Si no existe la llamada materia oscura, que es incompatible con toda la materia que hemos intentado observar en la Tierra durante más de 20 años, entonces las predicciones de la teoría del Big Bang son completamente contradictorias con la densidad real de la materia en el universo. . La densidad necesaria para la inflación es 20 veces mayor que la necesaria para la fusión nuclear, lo que puede ser la explicación teórica del origen de los elementos más ligeros en la teoría del Big Bang. En ausencia de energía oscura, la edad del universo calculada según la teoría del Big Bang es de sólo 8 mil millones de años, lo que es incluso varios miles de millones de años más joven que la edad de muchas estrellas de nuestra galaxia.
Más importante aún, la teoría del Big Bang nunca ha sido verificada mediante predicciones cuantitativas. El éxito que afirman los defensores de esta teoría se debe todo a su capacidad para atender observaciones reales después del hecho, y está agregando constantemente parámetros ajustables, al igual que la teoría geocéntrica de Ptolomeo siempre necesitó la ayuda de esta y de ruedas pares para probar. Yo igual. De hecho, la teoría del Big Bang no es la única forma de entender la historia del universo. La "cosmología del plasma" y la "teoría del modelo de cosmología en estado estacionario" son ambas hipótesis sobre tal universo en evolución. Creen que el universo no tiene principio ni fin. Estos modelos, así como otras ideas, también pueden explicar fenómenos básicos del universo, como la proporción de elementos más ligeros en el universo, la radiación de fondo del universo y el corrimiento al rojo de las líneas espectrales en galaxias distantes a medida que aumenta la distancia. Algunas de sus predicciones incluso fueron verificadas mediante observaciones reales, algo que la teoría del Big Bang nunca había hecho. Los defensores del Big Bang sostienen que estas teorías no pueden explicar todos los fenómenos astronómicos observados. Pero esto no es sorprendente, ya que su desarrollo carece de fondos suficientes. De hecho, hasta el día de hoy, estas cuestiones y teorías alternativas no pueden debatirse ni probarse libremente. La mayoría de los seminarios siguen a la multitud y no permiten a los investigadores tener un intercambio de opiniones completamente abierto. Richard Feynman dijo una vez: "La ciencia es una cultura de la duda", pero en el campo actual de la cosmología, la duda y la disidencia no se toleran, y los jóvenes académicos no se atreven a expresar nada negativo sobre la idea del modelo estándar del Big Bang. Los académicos que dudan de la teoría del Big Bang corren el riesgo de perder financiación si expresan sus dudas. Incluso las observaciones reales deben examinarse en función de si respaldan la teoría del Big Bang. De esta manera, todos los datos deficientes, como el corrimiento al rojo de las líneas espectrales, la proporción de litio y helio en el universo y la distribución de las galaxias, se ignoran o incluso se distorsionan. Esto refleja un dogmatismo inflado que es completamente incompatible con el espíritu de la investigación científica libre. Hoy en día, en el campo de la investigación cosmológica, casi toda la financiación y los recursos experimentales se destinan a proyectos basados en la teoría del Big Bang. Las fuentes de financiación de la investigación son limitadas y todos los comités de revisión responsables de la asignación de fondos están controlados por partidarios de la teoría del Big Bang. El resultado es el dominio general de la teoría del Big Bang en este campo, que no tiene nada que ver con la validez científica de la teoría. Financiar sólo disciplinas subordinadas a la teoría del Big Bang destruye un principio básico del método científico: que las teorías deben ser probadas constantemente mediante observaciones reales. Esta limitación hace imposible cualquier discusión e investigación. Para tratar esta enfermedad persistente, pedimos a las instituciones que financian la investigación cosmológica que reserven una parte importante de sus fondos para la investigación de teorías alternativas y observaciones empíricas que contradicen la teoría del Big Bang. Para evitar una distribución injusta de los fondos, el jurado encargado de asignarlos podría estar compuesto por astrónomos y físicos de campos no cosmológicos.
Una asignación equitativa de financiación a proyectos de investigación destinados a probar la teoría del Big Bang y sus alternativas nos permitirá encontrar científicamente los modelos más creíbles de la evolución histórica del universo.