El Universo

Teorías actuales

Índice• Índice: Pag 2• El origen del universo: Página 3-9• --Teoría del Big Bang 1 : Pag 4• --Teoría del Big Bang 2: Pag 5• --Ley de Hubble: Pag 6• --Teoría del Estado Estacionario: Pag 7• --Teoría Inflacionaria: Pag 8• --Teoría del Universo Oscilante: Pag 9• La energía oscura: Página 10-13• --La energía oscura: Pag 11• --La energía y la materia oscura: Pag 12• --El Multiverso y la energía oscura: Pag 13• El destino del universo: Página 14-18• --Big Crunch: Pag 15• --Big Rip: Pag 16

• --Big Freeze: Pag 17• --Big Bounce y Falso Vacío: Pag 18• --La unificación: Pag 19-29• --La Gravedad: Pag 20• --Relatividad General: Pag 21• --Mecánica Cuántica: Pag 22• --Necesidad de Unificación: Pag 23• --Teoría de Cuerdas (Entrada):Pag 24• --Nacimiento de la Teoría: Pag 25-26• --SuperCuerdas : Pag 27• --Universos Paralelos: Pag 28• --Teoría Gravedad Cuántica: Pag: 29• Bibliografía: Página 30-31• Conclusión: Pag 32• Realizadores del trabajo: Pag 33

Origen y Expansión del

universo

Teoría Del Big Bang - Introducción

• El Big Bang, constituye el origen del Universo. La materia, hasta ese momento, es un punto de densidad infinita que en un momento dado "explota" generando la expansión de la materia en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo.

• Cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, expandiendo su superficie. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial está constituida exclusivamente por partículas elementales: Electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones y hasta más de 89 partículas conocidas

Teoría del Big Bang .– 2• En 1948 Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los

diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos.

• También proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble

Ley de Hubble• La ley de Hubble establece que las galaxias se alejan

unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia. Esta ley conduce al modelo del universo en expansión y a la teoría del Big Bang. Esta teoría, fue formulada por primera vez por Edwin Hubble en 1929.

• Hubble comparó las distancias a las galaxias con sus desplazamientos al rojo , encontrando entre ambas magnitudes una relación lineal y siendo el coeficiente de proporcionalidad la constante de Hubble.

• Además, esta se puede derivar de su observación inicial suponiendo que el universo es homogéneo (las observaciones realizadas desde todos los puntos son las mismas) y se expande (o contrae).

Teoría del Estado Estacionario• La teoría que se opone a la tesis de un universo evolucionario es conocida como "teoría del

estado estacionario" o "de creación continua" y nace a principios del siglo XX.

El impulsor de esta idea fue Edward Milne y según ella, los datos recabados por la observación de un objeto ubicado a millones de años luz, deben ser idénticos a los obtenidos en la observación de la Vía láctea desde la misma distancia. Milne llamó a su tesis "principio cosmológico".

En 1948 los astrónomos Herman Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle retomaron este pensamiento y le añadieron nuevos conceptos. Nace así el "principio cosmológico perfecto", que sostiene que para cualquier observador , el Universo debe parecer el mismo en cualquier lugar del espacio; como alternativa para quienes rechazaban de plano la teoría del Big Bang.

Este principio establece, en primer lugar, que el universo no tiene un génesis ni un final, ya que la materia interestelar siempre ha existido. También, sostiene que el aspecto general del universo, no sólo es idéntico en el espacio, sino también en el tiempo.

Teoría Inflacionaria • Teoría Inflacionaria (actualmente esta dentro de la teoría del Big Bang): En los instantes

iniciales el universo sufrio una fuertísima expansión (que llamamos inflación), mucho mas violenta que el propio Big Bang. La inflación desapareció rápidamente y el universo siguió expandiéndose a un ritmo mas lento.

• Es decir, esta teoría establece que en un momento muy cercano al Big Bang, cuando se separaron la fuerza fuerte de la electrodébil. se generó una cantidad de energía que el Universo creció de un diámetro de unos pocos centímetros, hasta prácticamente su tamaño actual.

Teoría del Universo Oscilante• Teoría oscilante El universo oscilante es una hipótesis propuesta por Richard Tolman, según la

cual, el universo sufre una serie infinita de oscilaciones, cada una de ellas iniciándose con un Big Bang y terminando con un Big Crunch. Después del Big Bang, el universo se expande por un tiempo antes de que la atracción gravitacional de la materia produzca un acercamiento hasta llegar a un colapso y sufrir seguidamente un Gran Rebote.

• Esta hipótesis fue bastante aceptada durante un tiempo, sin embargo, en los años 1960, Stephen Hawking, Roger Penrose y George Ellis mostraron que las singularidades son una característica universal de las cosmologías que incluyen el big bang sin que puedan ser evitadas con ninguno de los elementos de la relatividad general. Teóricamente, el universo oscilante no se compagina con la segunda ley de la termodinámica: la entropía aumentaría en cada oscilación de manera que no se regresaría a las condiciones anteriores.

• Estos argumentos hicieron que los cosmólogos abandonaran el modelo de universo oscilante.

La energía oscura

La energía oscura• La energía oscura es una forma de materia o energía que está presente en todo el

espacio, que produce una presión que acelera la expansión del universo, a la que denominamos: Fuerza Gravitacional repulsiva.

• La existencia de dicha materia , explicaría las recientes observaciones de que el universo acelera cada vez mas deprisa, y que aproximadamente, tres de las cuartas partes de la masa y energía total del universo, es materia oscura.

• ¿Y como surgió esta teoría? Los científicos, al descubrir que el universo se expandía, y porqué las galaxias tenían tendencia a huir de las demás, querían saber el porqué de esta expansión. La respuesta mas prometedora viene de la teoría de la relatividad de Einstein, que dice, que aunque la gravedad atraiga los cuerpos, también puede repeler. ¿Cómo? Según los cálculos de Einstein, si el espacio está ocupado uniformemente por una energía invisible, entonces , una especie de niebla uniforme e invisible, la gravedad generada por esa niebla sería repelente, a lo que se denomina: energía oscura

La energía oscura y la materia oscura.

• Los científicos no saben en realidad lo que es, pero la materia oscura y la energía oscura forman el 96% del Universo. Y tenemos muy pocas posibilidades, de descubrir algún día el sus secretos.

• La materia oscura está presente en todas partes. Atraviesa todo lo que conocemos en la Tierra a miles de millones de partículas por segundo; sin embargo, nadie ha conseguido detectar de forma directa esta misteriosa sustancia oscura.

• Asimismo, la Energía Oscura, que está separando rápidamente nuestro Universo, resulta incluso más desconcertante. Descubierta hace tan sólo diez años, los científicos se esfuerzan en comprender sus insólitas características y dar respuesta a la pregunta fundamental: ¿Cuál es el destino de nuestro Universo?.

El Multiverso en relación a la energía oscura

• Habla, de la posibilidad, de que mas allá de la tierra, de la Vía Láctea, y de otras galaxias lejanas, podríamos encontrar que nuestro universo, no es el único, sino que es parte de un vasto complejo de universos al que llamamos : Multiverso

• Pero el multiverso es una teoría extraña, ya que todos nos hemos criado diciendo: “El universo es todo”. Pero es raro imaginar otros reinos de universos con características fundamentales diferentes.

• Nuestro universo tiene un número relativamente pequeño de materia oscura, se supone , que los otros universos, tienen diferentes cantidades de materia oscura. Esto daría lugar, que cada universo sea diferente el uno del otro. Además los universos que tienen mucha más energía oscura que el nuestro, la materia que intenta agruparse en galaxias, el empuje sería tan fuerte, que no podría agruparse; y en los universos en los que hay muy poca, colapsarían sobre si mismos tan rapidamente, que tampoco se formarían las galaxias, que no daría lugar a la posibilidad de vida.

Destino Astrofísico Del universo

Big Crunch

• Actualmente, es una de las claves de la teoría del Universo Oscilante o pulsante.• Es una de las teorías del siglo XX sobre el destino último del universo, hoy descartada a favor

de un modelo de universo en expansión permanente. La teoría de la Gran Implosión propone un universo cerrado.

• La expansión del universo, producida en teoría por la Gran Explosión o Big Bang irá frenándose poco a poco hasta que finalmente comiencen nuevamente a acercarse todos los elementos que conforman el universo, volviendo al punto original en el que todo el universo se comprimirá y condensará destruyendo toda la materia en un único punto de energía como el anterior a la Teoría de la Gran Explosión

Big Rip • -Big Rip, Gran Desgarramiento o Teoría de la

Expansión Eterna : 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. Primero, las galaxias se separarían entre sí, luego la gravedad sería demasiado débil para mantener integrada cada galaxia.

• Aproximadamente tres meses antes del fin, los sistemas solares perderían su cohesión gravitatoria. En los últimos minutos, se desbaratarían estrellas y planetas, y los átomos serían destruidos en una fracción de segundo antes del fin del tiempo.

Muerte Térmica o Big Freeze• Una de las leyes más importantes de la ciencia es la Segunda Ley de la Termodinámica. Esta

no es más que una observación cotidiana elevada al rango de ley fundamental: el calor pasa de los cuerpos calientes a los fríos. Esta, en apariencia, inofensiva ley tiene como consecuencia la llamada muerte térmica, un estado final del universo predicho por primera vez por el alemán Hermann von Helmholtz en 1854 y avanzado por William Thomson dos años antes.

• Y dice lo siguiente: El destino final del universo es una situación donde la temperatura será la misma en todos los lugares. En estas condiciones toda la energía del universo estará en forma degradada, inútil, y el destino de toda forma de vida es la muerte sin posibilidad alguna de redención.

Big Bounce y Falso Vacio

Big Bounce: Según algunos teóricos del Universo oscilante, el Big Bang fue simplemente el comienzo de un período de expansión al que siguió un período de contracción. Desde este punto de vista, se podría hablar de un Big Crunch, seguido de un Big Bang, o, más sencillamente, un Gran Rebote.

• Falso vacío: Si el vacío (es decir, una completa ausencia de materia) no es el estado de energía más bajo, se podría colapsar en un estado de energía menor. Esto es llamado evento de metaestabilidad del vacío. Esto fundamentalmente alteraría el Universo, las constantes físicas podían tener valores diferentes, severamente afectando a los fundamentos de la materia.

La Unificación

El Inicio – La Gravedad

• Todo empieza con el accidente mas fortuito de la ciencia, en la que un día de 1665 estaba un joven sentado en un árbol cuando le calló una manzana, el desprendimiento de aquel fruto fue suficiente para que Isaac Newton cambiara nuestro concepto del universo; en la que aseguro que la fuerza que atraía a la manzana al suelo y la que mantenía a la luna en la orbita terrestre, era la misma… Así que en un solo paso, Newton unificó el cielo y la tierra en una teoría a la que llamó : Gravedad

• La Gravedad era una ley única capaz de unir lo terrestre, con lo celestial; una ley que regía el movimiento de los planetas, las mareas y la caída de la fruta. Y esta, fue la primera fuerza que llegamos a comprender científicamente.

• Esta teoría de Isaac, que tiene mas de 300 años daba lugar a unas predicciones tan exactas, que aún se sigue utilizando hoy en dia.

• Aunque Newton fue quien escribió la ley de la gravedad, había una cosa que nunca llego a demostrar , no sabía como funcionaba; y esto no cambiara hasta aproximadamente 250 años despues…

La Relatividad de Einstein• Einstein, un empleado de una oficina de patentes , descubrió algo muy interesante que

contradecía del todo a Newton. Decía que la luz era una especie de limite cósmico que nada en el universo podía superar, ni si quiera la gravedad. Newton, en cambio, decía que la gravedad era una fuerza que ocurría al instante, es decir, era instantánea.

• Tras años de estudio, Einstein consiguió averiguar el porque de su teoría; en la que unía las dimensiones espaciales y la dimensión temporal , en un solo tejido espacio temporal, que se comba o se estira debido a objetos pesados, como, por ejemplo, las estrellas; y esta curvatura provoca la gravedad. Lo que provocó en la sociedad una nueva forma de ver la gravedad ( curvaturas y pliegues en el espacio y el tiempo)

• A esto Einstein lo llamó : Relatividad General.

• Pero Einstein no estaba contento con eso, y se propuso a unificar la gravedad, con la otra fuerza conocida en aquella época : El electromagnetismo, una fuerza miles de millones de veces superior a la Gravedad ( Fuerza que había sido anteriormente unificada por Maxwell años atrás).

La Mecánica CuánticaAños después del éxito de la teoría de la relatividad, unos científicos descubrieron que lo mas

pequeño del universo no eran los átomos como entonces se creía, sino que ellos mismos, estaban formados por partículas mas pequeñas (protones, neutrones y electrones). Y posteriormente se formuló una nueva teoría : La mecánica cuántica, que explicaba con total precisión el funcionamiento del mundo atómico, y además, cambió por completo la forma de ver el universo, ya que contradecía en muchísimas cosas a la teoría de la relatividad de Einstein, es decir, la teoría de la relatividad formula que el universo es ordenado y predecible; todo lo contrario que la mecánica cuántica, ya que ella dice, que el mundo es un juego de azar, en la que reina la incertidumbre, en la que solo podemos predecir que pasara en un desenlace, u otro.

Es decir, la mecánica cuántica sugiere que cualquier posibilidad, como por ejemplo, el número que te saldrá al tirar un dado, podría darse, solamente que suceden en universos paralelos al nuestro, que sus habitantes consideran tan reales como nosotros el nuestro; y tambien dice, que pueden pasar acontecimientos que nosotros consideramos imposibles, simplemente suceden en un número mínimo de ocasiones. Pero Einstein seguía negándose a tales evidencias.

Necesidad de una unificación• Años después, se descubrieron dos fuerzas en el átomo nuevas : La energía nuclear fuerte (la

que mantiene el núcleo “pegado”) y la energía nuclear débil (produce la radiación). Y como siempre… la gravedad se mantenía al margen, que no encajaba en el mundo cuántico.

• Einstein, tras ya no poder ignorar mas la teoría cuántica, así que tras los últimos 20 o mas años de su vida, trató de hallar una fórmula que uniera las dos teorías (la de la relatividad, y la mecánica cuántica). Pero antes de lograrlo, murió en Abril de 1955.

• Pero hasta que no se halle una teoría conjunta, habrá partes del universo que no podremos descifrar. Porque un agujero negro, es una gran masa (como por ejemplo la de una estrella) comprimida en un cuerpo muy muy pequeño; y esto absorbería el tejido espacio-temporal, que nada podría evitar su atracción gravitacional. Resumiendo, entonces… ¿cuales de las dos teorías usamos? ¿La teoría de la relatividad de Einstein para cuerpos espaciales? ¿O la teoría cuántica debido al reducido tamaño? Si aplicamos las dos, nos salen resultados completamente distintos, así que se necesitaría una forma de unificarlas.

• Y aquí entra la teoría de cuerdas o la teoría de todo, que intenta unir dos teorías que son claramente opuestas en una misma formula que lo abarque todo, ya que no se puede tener una teoría para los átomos y otra para las estrellas, ya que todo esto, forma parte de un mismo universo.

La entrada de la Teoría de Cuerdas

• En lugar de partículas microscópicas, la teoría de cuerdas afirma, que todo en el universo, todas las fuerzas, toda la materia, etc.. Están compuestas por unos finos músculos de energía vibrantes llamados, cuerdas; ya que una cuerda puede vibrar de distintas maneras, y esos distintos serpenteos, forman las distintas partículas elementales. Con esta teoría de cuerdas se podrian responder a muchas preguntas, como la dudas sobre el origen del universo, o porque se comporta así.

• Pero hay un problema, ya que es posible, que nunca se pueda ver una cuerda, debido a su escaso tamaño, así que, actualmente, no hay forma de someterla a prueba; y si no hay forma, se puede considerar tanto una teoría, como un pensamiento filosófico

• Los átomos se descubrió que estaban formados por las partículas subatómicas, y que estas, están formadas por quarks . Pero la teoría de cuerdas afirma que el corazón de toda materia, son las cuerdas, algo muchísimo mas pequeño que los Quarks, que intenta unir la fuerza de la gravedad , con la energía nuclear fuerte y débil , y el electromagnetismo.

¿De donde salió esta Teoría?• La evolución de esta teoría estuvo plagada de giros, cambios y casualidades, la parecía

parecer algo inverosímil. El origen es así:• -En 1968, un científico italiano (Gabriele Veneziano) buscaba ecuaciones para explicar la

energía nuclear fuerte. Y un día, en un libro encontró una formula de un matemático suizo llamado (Leonard Oiler) explicaba esta energía, que en aquel momento se consideraba una simple curiosidad matemática.

• Un día esta teoría fue enseñada a Leonard Susskind , un simple estudiante. Este estudiando, analizó esta formula durante al menos 2 meses en su ático, y lo primero que descubrió, es que la formula describía unas especies de partículas con una estructura interna que vibraba, y que su forma era como la de una cuerda, que se estiraba, se contraía y también vibraba. Y redactó un artículo para que se lo publicaran, pero antes tenía que pasar por un grupo de expertos.

• Posteriormente, los científicos descubrieron, en la época en la que se empezó a descubrir cientos de particulas , que el intercambio de partículas mensajeras era lo responsable de la fuerza que sentimos (las partículas mensajeras del electromagnetismo, de la energía nuclear fuerte, y de la débil). Y los experimentos demuestran, que en las condiciones del Big bang , la fuerza electromagnética , la de la energía nuclear débil, y la fuerza, se unen en una gran Superfuerza (hecho aun no demostrado). Pero claro, esto solo explicaba 3 de las 4 fuerzas…no incluía la mas familiar de todas, la Gravedad.

¿De donde salió esta Teoría? 2.-• El modelo estándar eclipso a la teoría de cuerdas, que quedo marginada dentro del mundo

de la física , y se perdió el interés en ella porque decían que no tenía nada que ver con la naturaleza. Y esta teoría presentaba muchas lagunas, la principal era, que había una partícula sin masa, que jamás se había visto en la naturaleza. Y que por mucho que variaran en la fórmula, esta carecía de sentido.

• Pero 5 años después, se descubrió que podrían estar tratando con otra fuerza : La Gravedad; que la partícula sin masa, podría ser el gravitón, y que la cuerda era millones de veces mas pequeña que un átomo. Esta teoría volvió a enviarse para que se publicara, pero, otra vez, fue ignorada. Pero no se rindieron, porque si las cuerdas explicaban la gravedad en el universo cuántico, estaba claro que las cuerdas, eran la clave para la unificación.

• Y en 1984 , dos científicos (John H. Schwarz y Michael B. Green) lograron culminar su trabajo, eliminando todas las anomalías de la formula, todas las cifras concordaban , y disponía de las bases matemáticas para englobar las 4 fuerzas. Pero para cuadrar sus ecuaciones, requieren mas dimensiones espaciales. Así que para que a los defensores de la teoría de cuerdas , los tomaran enserio, tendrían que demostrarlo, porque según ella, deberían haber 10 dimensiones, algo que cuesta imaginar.

Teoría de la Supercuerdas• Con el tiempo, los seguidores eran tan eficientes, que no elaboraron una, sino 5 versiones de

la teoría de cuerdas, y cada una se centraba en las cuerdas, y en las dimensiones adicionales. Había quien aseguraba que las cuerdas eran hilos abiertos, otros que eran bucles cerrados, y incluso otras dos, que requerían 26 dimensiones, y todas, parecían igual de validad, pero no se sabía cual describía nuestro universo, y solo debería haber una teoría, no 5, y esto debía solucionarse.

• Hasta que pasó algo sorprenderte, uno de los mejores científicos actuales, Edward Witten, en 1995, los defensores de la teoría de cuerdas, celebraron su conferencia anual, dijo que en verdad no había 5 teorías diferenciadas, sino que estábamos observando 5 enfoques de un mismo concepto , al elaborar una nueva y espectacular forma de contemplar la teoría de cuerdas, y las unificó. Y la llamo la Teoría M, o teoría de todo. Pero un pequeño problema más, apareció una dimensión mas. Y esta dimensión que Edward Witten había añadido, permitía que las cuerdas se estiraran para formar una especie de membrana, que podían alcanzar un espacio gigantesco, tan grande como nuestro universo.

Universos paralelos según la Teoría M.

• La teoría M demostró que el universo constaba al menos de 11 dimensiones (1 de tiempo, 3 espaciales, y 7 invisibles), y que una de estas dimensiones, agrupaba a las cuerdas hasta formar membranas, algunas, tan grandes como nuestro propio universo.

• Además, esta teoría explicó la existencia de otros universos paralelos, formados por otras membranas, que están muy cerca de nosotros pero que no podemos ni ver, ni tocar.

• También se descubrió la existencia de dos tipos de cuerdas, una de ellas está sujeta a la membrana por sus dos extremos, es decir, no son circulares; y las otras, en cambio, no están sujetas al suelo, y si son circulares. Estás ultimas, son capaces de viajar a otros universos, debido a que no están sujetas al suelo, y se descubrió, que alguna de estas cuerdas, podrían contener dentro el gravitón (la causante de la gravedad) y que está podría trasladarse a otra membrana universo.

La Gravedad Cuántica de Bucles• Dice que el espacio no es suave y continuo sino que consta de trozos indivisibles ,

define el espacio-tiempo como una red de enlaces abstractos que son los que conectan estos volúmenes de espacio, estos enlaces se curvan sobre otros para formar estructuras similares a trenzas. También dice que en realidad las partículas elementales, están compuestas por entidades más fundamentales llamadas preones.Estos modelos basados en preones sugieren que los electrones, quarks, neutrinos y cualquier otra cosa, están hechos de unas partículas hipotéticas más pequeñas que portan la carga eléctrica e interactúan unas con otras, también logra explicar algunos casos en que la relatividad desaparece como es el caso de singularidades de agujeros negros.

• Actualmente Es la mayor competidora de la teoría de cuerdas, y al contrario que esta, no intenta ser una teoría del todo, ya que de momento solo se ocupa de la gravedad, no del resto de fuerzas.

Bibliografía