Estructura e Evolução do Universo

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD LA REPUBLICA 
INGENIERIA CIVIL EN MINAS 
CERTAMEN FINAL FISICA MODERNA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Profesora: María Cristina Fariña Ojeda. 
Alumno: Freddy E. Faúndez Díaz. 
 
 
1. Cómo se imagina el universo, su estructura y su devenir. 
Cuando pensamos en el Universo por lo menos nos asaltan 4 preguntas al instante, ¿Qué es el 
Universo?, ¿Tuvo un inicio el Universo?, ¿De qué tamaño es el Universo?, ¿Tendrá el Universo un 
final, o cuál es su devenir? 
_ El universo lo podríamos definir como “TODO”, todo sin excepciones. Según el principio 
cosmológico el universo es homogéneo e isotópico 
Materia, energía, espacio y tiempo, todo lo que existe forma parte del Universo. Es muy grande, 
pero no infinito. Si lo fuera, habría infinita materia en infinitas estrellas, y no es así. En cuanto a la 
materia, el universo es, sobre todo, espacio vacío. 
El Universo contiene astros, galaxias, cúmulos de galaxias y estructuras de mayor tamaño 
llamadas supercúmulos, además de materia intergaláctica. Todavía no sabemos con exactitud la 
magnitud del Universo, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad. 
La materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos: 
galaxias, estrellas, planetas, etc. Sin embargo, el 90% del Universo es una masa oscura, que no 
podemos observar. Por cada millón de átomos de hidrógeno los 10 elementos más abundantes 
son: 
Símbolo Elemento químico Átomos 
H Hidrógeno 1.000.000 
He Helio 63.000 
O Oxígeno 690 
C Carbono 420 
N Nitrógeno 87 
Si Silicio 45 
Mg Magnesio 40 
Ne Neón 37 
Fe Hierro 32 
S Azufre 16 
 
_ Ahora si nos ponemos a pensar en el origen del universo se nos viene a la mente el “Big Bang”. 
Desde siempre hemos pensado que existen tres dimensiones: anchura, altura y profundidad. Con 
el tiempo aprendimos que existe una cuarta dimensión: el tiempo, pero ahora, muchos físicos están 
aceptando la idea de que existen unas once dimensiones. 
Basándose en esta idea, podría ocurrir que un universo saliera de otro, formando un llamado 
“multiverso” en el que existe un número infinito de universos paralelos que estarían unidos y 
podrían tener otras formas de materia. Otra posibilidad sería la existencia de un “multiverso” 
formado por infinitos universos que no se tocan. Si dos universos se tocaran, ocurriría lo que se 
conoce como un Big Bang, por lo que nuestro universo no tendría por qué ser el primero. La 
existencia de varios universos en un mismo espacio recibe el nombre de Teoría de Multi 
explosiones. Esta teoría no tiene aún la importancia de la del Big Bang. 
Al principio no existía nada, o por lo menos no se sabe el que, pero hace unos 13.000 millones de 
años, una partícula infinitamente densa, más pequeña que un átomo, explosionó en un cataclismo 
denominado Big Bang. En ese momento nació el tiempo y el espacio. A medida que la energía 
producida iba enfriándose, se convertía en materia. Entonces, las partículas subatómicas se 
unieron y formaron los primeros átomos como el hidrógeno. Este elemento fue el que se formó en 
mayor cantidad. También se formó el helio y el litio, que era el material más denso que existía. Los 
electrones que formaron parte de los átomos, dejaron de impedir el paso de la luz unos 400.000 
años después del Big Bang, entonces la luz pudo recorrer por primera vez el espacio. El hidrógeno 
en un 90%, y el helio en un 9%, debido a la gravedad fueron acumulándose, haciendo que la masa 
y la temperatura de esas “bolas” que se habían formado aumentara. Entonces comienza la fusión 
nuclear y se crean las primeras estrellas. Más tarde, estas formarían cúmulos estelares y galaxias. 
Se cree que las primeras galaxias se formaron unos 600 millones de años después del Big Bang. 
Estas galaxias fueron formando filamentos y entre ellos el espacio crecía. El universo se había 
vuelto mucho más frío: unos 3 K = -270ºC. El universo se enfría a medida que transcurre el tiempo. 
 
 
 
Las estrellas, durante una reacción nuclear continua, transforman hidrógeno en helio. Cuando 
consumen todo el hidrógeno, aumentan su tamaño y comienzan a transformar el helio en carbono 
y después en otros elementos más pesados como el hierro. Las estrellas más masivas, al formarse 
el hierro colapsan sus núcleos y explosionan. Esta explosión se le conoce como supernova y 
esparce por el espacio nuevos elementos creados en la estrella o en la propia explosión. Esta 
materia, agrupada en nebulosas, más adelante creará nuevas estrellas o incluso sistemas 
planetarios como el nuestro. 
 
 
 
 
 
Esta teoría explica el por qué todas las galaxias se alejen. Esto fue descubierto por Edwin Hubble, 
que noto el desplazamiento al rojo en el espectro de la luz emitida por las galaxias, debido a que al 
alejarse, alargan la longitud de onda de esta. Cuanto más lejano sea un objeto, más rápido se aleja 
de nosotros. 
 
 
 
La teoría del Big Bang también explicaría por qué el espacio está lleno de una radiación conocida 
como fondo cósmico de microondas. Esta radiación se cree que es un residuo de la explosión. 
Estudiando esta radiación, se puede saber donde se produjeron las primeras acumulaciones de 
materia, ya que se notan pequeñas diferencias de temperatura. 
Esta radiación, remanente del Big Bang, fue detectada en 1964 (Penzias & Wilson), se observó en 
detalle por los satélite COBE en 1990, Boomerang y Máxima en 1999, WMAP en 2002, y por 
Planck en 2010. 
En los 70, observando las galaxias y su movimiento, se descubrió que no había suficiente materia 
como para crear fuerzas gravitatorias tan grandes, por lo que se creyó que un 90% de la materia 
era la que se conocería como materia oscura. Más tarde se descubrió que debería existir otro tipo 
de energía, llamada energía oscura, que ocuparía más de un 70% del Universo. De esta parte del 
Universo no conseguimos captar nada. Se cree que esto fue lo que determinó al principio del 
tiempo la posición en la que quedaría distribuida la materia. 
 
 
 
 
Hay más teorías que afirman que el Big Bang haya sido el principio de todo. Entre ellas están los 
tamaños y formas de las galaxias y la cantidad de ciertos elementos en el Universo. 
 
 
 
_ Respecto al tamaño del Universo, se cree que el Universo mide más de 90.000 millones de años 
luz, pero en constante expansión. Esto puede parecer imposible dado que la materia no pude ir a 
una velocidad mayor que la de la luz, y para que pudiera haber conseguido el tamaño que se cree 
que tiene el Universo, la materia tendría que haber ido varias veces más rápido, suponiendo que el 
Universo fue creado hace 13.000 millones de años. Pero lo que aumentó tan rápido fue el espacio, 
no la materia, que simplemente se mueve con el espacio. Por ello, dos objetos pueden separarse a 
mayor velocidad que la de la luz si el espacio entre los objetos aumenta. Esto también corrobora 
la teoría del Big Bang, que dice que desde la explosión, el espacio está aumentando. 
El límite del Universo visible desde la Tierra está a 46.500 millones de años luz, en todas las 
direcciones. Es decir, un diámetro de 93.000 millones de años luz. Un año luz son 9'46 billones de 
kilómetros. El cálculo es enorme, y aun así, es sólo la parte del Universo que podemos ver. Tras el 
Big Bang, el Universo se expandió tan rápidamente que parte de su luz aún no ha llegado hasta 
nosotros y, por eso, no podemos verlo. 
Pero si el Universo sólo tiene 13.700 millones de años, ¿cómo puede haber objetos más alejados? 
No es posible que se hayan alejado más rápidamente que la velocidad de la luz. La respuesta es 
la inflación del Universo. 
La inflación es el origen de todo: del propio espacio, del tiempo, y de todas las leyes físicas, 
incluido el límite de la velocidad de la luz. Todo se crea en la propia inflación. Así que la inflación 
del Universo no está sometida al límite de la velocidad de la luz. La inflación crea nuevo espacio 
entrelos objetos y los aleja. 
La inflación cósmica es un conjunto de propuestas en el marco de la física teórica para explicar la 
expansión ultrarrápida del universo en los instantes iniciales y resolver el llamado problema del 
horizonte. 
La inflación sugiere que hubo un periodo de expansión exponencial en el Universo muy pre-
primigenio. La expansión es exponencial porque la distancia entre dos observadores fijos se 
incrementa exponencialmente, debido a la métrica de expansión del Universo (un espacio-tiempo 
con esta propiedad es llamado un espacio de Sitter). Las condiciones físicas desde un momento 
hasta el siguiente son estables: la tasa de expansión, dada por la constante de Hubble, es casi 
constante, lo que lleva a altos niveles de simetría. La inflación es a menudo conocida como un 
periodo de expansión acelerada porque la distancia entre dos observadores fijos se incrementa a 
una tasa acelerante cuando se mueven alejándose. (Sin embargo, esto no significa que el 
parámetro de Hubble se esté incrementando). 
_ Para nuestra cuarta pregunta ¿Tendrá el Universo un final, o cuál es su devenir?, podemos decir 
que existen algunas teorías. Según la teoría del Big Crunch (Gran Implosión), el Universo, por 
acción de la gravedad volverá a juntarse y a desparecer. Las teorías del Big Bang y el Big Crunch 
están íntimamente relacionadas, ya que la segunda surge como consecuencia de la primera. 
Según la teoría del Big Bang, el universo está en constante expansión gracias a la gran explosión y 
a la fuerza gravitacional de atracción entre las galaxias, pero lo cierto es que esto no puede 
continuar siempre, ya que luego de la explosión el universo comienza a enfriarse y hacerse menos 
denso. 
Cuando el universo deje de expandirse, colapsará, y eso es a lo que se llama Big Crunch. ¿Qué 
sucederá? Una especie de agujero negro muy denso y caliente que absorberá todo lo que 
encuentre a su paso, apretándolo en su interior. El universo parecerá una especie de soufflé, que 
cuando comienza a enfriarse se va deshinchando. 
Esto parece lógico, teniendo en cuenta que la fuerza de gravedad hace que los objetos caigan, si 
ninguna otra fuerza los atrae hacia ellos. Por eso, se cree que llegará un momento en que la 
gravedad ganará la partida a la expansión del universo, tras una lucha constante entre las dos 
fuerzas desde hace millones de años. 
Para que un científico pueda predecir el fin del universo, será necesario determinar algunas 
propiedades del mismo, como la densidad –si llegáramos a la llamada densidad crítica estaremos 
en peligro–. Esto se debe a que, a mayor densidad, mayor es la fuerza de gravedad, y por ende, 
más posibilidades existen que se genere el Big Crunch. 
Pero, ¿es posible esta teoría? Mientras que los científicos creían que esto sucedería en poco 
tiempo –ten en cuenta que hablamos del universo, y poco tiempo no significan ni cincuenta años ni 
tres o cuatro siglos–, lo cierto es que han descubierto que el universo ha aumentado su ritmo de 
expansión en los últimos años.. 
Aunque no se sabe a ciencia cierta por qué, se cree que esto se debe a una entidad invisible 
llamada energía oscura, que hace que las galaxias se separen cada vez más una de la otra, 
acelerando haciendo crecer al universo rápidamente. Esto reduciría las posibilidades de un Big 
Crunch, y la teoría podría ser descartada si las cosas siguen así. 
Lo cierto es que el Big Crunch sería como rebobinar un casette: todo lo que se ha construido se va 
deshaciendo poco a poco, hasta volver al punto inicial. De esa semilla podría surgir una nueva 
explosión, y por ende, un universo se volvería a construir 
Otra teoría, dice que al juntarse toda la materia, volvería a producirse un Big Bang. Pero estudios 
recientes, han demostrado que el Universo está sufriendo una expansión cada vez más rápida. Por 
ello, la teoría más posible sea la de que el destino del Universo depende de la cantidad de la 
energía oscura, que si formara realmente la mayor parte del Universo, produciría el llamado Big Rip 
(Gran Desgarramiento). Entonces, se perdería la fuerza de la gravedad entre las galaxias, y las 
estrellas desaparecerían, finalmente los átomos se destruirían. La fuerza de la energía oscura en el 
universo es constante, sin embargo, si creciera en exceso podría llevar a un fin del universo 
totalmente distinto: el Big Rip, en el que todos los elementos del universo se romperían. 
Otra teoría dice que el Universo seguirá en expansión. Que en un principio era la más aceptada, 
hoy por hoy, es la que menos seguidores tiene en el concierto científico. 
 
2. Qué semejanzas y diferencias encuentra usted entre el comportamiento del Universo y 
el comportamiento del átomo. 
En el colegio, hace algunos años, se explicaba la composición de la materia haciendo el símil entre 
un átomo con su núcleo en el centro, y los electrones “orbitando” a su alrededor, como en el 
sistema solar, con el sol en el centro y los planetas orbitando a su alrededor a modo de electrones. 
Es por esto, que incluso se ha fantaseado con la posibilidad de que este paralelismo se presente 
a niveles muy superiores o muy inferiores. Así, el electrón estaría compuesto de algún tipo de 
elementos con la misma estructura orbital. De forma análoga, los sistemas solares formarían 
“macromoléculas planetarias” que darían lugar a estructuras mucho más complejas de las que 
conocemos en el universo y así escalando en tamaño podríamos divagar hasta el infinito. Incluso 
nos podríamos imaginar un ser a una escala extraordinariamente grande. 
Realmente existen ciertas similitudes entre átomo y el Universo con sus sistemas solares, galaxias, 
cúmulos de galaxias y supercúmulos. Aunque los más puristas esgrimirían que las órbitas que 
describen los electrones al girar alrededor del núcleo del átomo son completamente diferentes a la 
de los planetas girando alrededor de una estrella, o las órbitas de los sistemas, o de las orbitas 
galácticas, etc. 
El movimiento de los electrones del átomo no se debe a la fuerza gravitatoria como en el caso de 
los planetas sino que se debe a la atracción de las fuerzas electromagnéticas de protones y 
electrones. Así mismo, la velocidad de giro de los electrones se debe a la escasa masa de estas 
partículas que lo posibilita. Extrapolando, en una escala muy superior, en la que los sistemas 
solares forman macroestructuras, el movimiento de un cuerpo de tales dimensiones nos sería 
prácticamente imperceptible. Al contrario, si disminuimos de escala, la velocidad a la que girarían 
estas partículas (unido a su escaso tamaño) las harían indetectables para nosotros (al menos con 
la tecnología que poseemos) 
A medida que avanzamos o disminuimos nuestra escala, vamos viendo que las sinergias que 
hacen perpetuar el movimiento de los movimientos orbitales, vienen dadas por fuerzas diferentes; 
electricidad, magnetismo, gravedad (hasta donde nos alcanza el conocimiento). 
Parecería también lógico que esa megaestructura a la que puede pertenecer el Universo tenga sus 
propias fuerzas cósmicas, esas mismas que hasta ahora no se han descubierto y que hacen por 
ejemplo que el universo acelere su expansión. 
Al tratarse de fuerzas de diferente naturaleza, el comportamiento de los cuerpos sería diferente, e 
incluso bajo el prisma de algunas teorías, quizás en dimensiones diferente. 
Por un lado, incluso ahora que se cree que estamos tan cerca del conocimiento absoluto se siguen 
descubriendo fuerzas de naturaleza hasta ahora desconocíamos como el gravitomagnetismo que 
es producido por los planetas y estrellas cuando giran, similar al electromagnetismo producido por 
los electrones al girar. 
Por otro lado ya nadie se atreve a cuestionar la cuarta dimensión de Einstein e incluso hay quien 
se ha atrevido a pensar en un prototipo de máquina del tiempo según sus postulados. 
Así mismo desde la aparición de la física cuántica se ha especuladocon la posibilidad de la 
existencia de universos paralelos en dimensiones diferentes. ¿Por qué no pueden existir universos 
contenidos unos dentro de otros en dimensiones diferentes? 
Algunas de las diferencias importantes que se pueden observar entre el átomo y el Universo, 
según lo que los puristas esgrimen están, entre otras, las diferencias en las orbitas de los 
electrones y los planetas (o sistemas, galaxias, etc.) o que los átomos reaccionan entre sí para 
formar moléculas y los sistemas en el Universo no. 
Pero también podemos mencionar que si bien los sistemas solares de una sola estrella son los 
más comunes, existen galaxias en las que lo más normal es encontrar sistemas de 2 estrellas o 
incluso más. 
No se conoce de ninguna “reacción planetaria”, pero bien es cierto que en los sistemas 
moleculares estables tampoco se dan reacciones. ¿Podríamos considerar el universo un sistema 
básicamente estable? 
A un nivel inferior podría pasar que el “Universo” del átomo se mueve en más de 4 dimensiones y 
dependiendo de esto la misma partícula se materializa en forma de electrón, fotón o quark por 
ejemplo. 
Esta teoría se denomina “teoría de cuerdas” y aunque carece de base empírica cada día cuenta 
con más adeptos. Esta teoría pretende dar una explicación global al comportamiento de todos los 
cuerpos y las fuerzas que actúan sobre ellos. Quien sabe, quizás algún día, esta teoría, llegue a 
explicar la naturaleza del Universo y todos sus misterios. 
Lo que es cierto, es que las primeras bacterias que dan lugar a vida que conocemos aparecieron 
hace unos 4.000.000.000 años y el homo sapiens apareció en la tierra hace aproximadamente 
30.000 años. Sin embargo hasta Pitágoras (siglo VI a.c) se creía que la tierra era plana. Con esto 
quiero decir que apenas acabamos de empezar a conocer los misterios del cosmos y el 
microcosmos y lo que nos queda por descubrir es infinito.