5. EL UNIVERSO PRIMITIVO

Todo lo que ha sucedido en el universo desde el big bang (formación de partículas, aparición de las fuerzas elementales, átomos, estrellas, galaxias, …), es consecuencia de su expansión y, por tanto, de su enfriamiento. Para estudiar la evolución del universo se ha dividido su historia en una serie de etapas:

5.1. ERA DE PLANK: ORIGEN DEL TIEMPO

La era de Plank es la que va desde el big bang hasta los 10 -43  segundos. En esa diminuta fracción de segundo el universo era increíblemente denso y caliente, las cuatro fuerzas fundamentales  estaban unidas en una sola (electronuclear gravitatoria) y toda la materia era pura energía. La física actual está basada en dos teorías básicas: El modelo estándar, basado en la mecánica cuántica, que explica el mundo subatómico y tres de las fuerzas fundamentales: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. La relatividad general, que explica la gravedad, el espacio-tiempo y el movimiento de los grandes cuerpos, como objetos cotidianos, planetas, estrellas, galaxias,… El problema es que ambas teorías tienen principios distintos y sólo funcionan en su campo de aplicación. Ninguna de ellas puede explicar la era de Plank. Haría falta una nueva teoría física que unificase las dos actuales, una teoría cuántica de la gravitación. Actualmente hay varias candidatas  a ser esa teoría única (la teoría de cuerdas, la teoría M, etc), pero ninguna ha sido verificada del todo.

5.2. ERA DE LA GRAN UNIFICACIÓN

Entre los 10 -43  y 10 -35  segundos. La fuerza gravitatoria se separó de las otras tres.

5.3. ERA DE LA INFLACIÓN

Entre 10 -36  y 10 -12  segundos. La fuerza nuclear fuerte se separó de la electrodébil. La energía ocasionada provocó una etapa de inflación, en el que el universo se expandió en un factor de 10 26  en sólo una fracción de segundo. El crecimiento tan rápido provocó que no todas las regiones lo hicieran al mismo ritmo. Ello provocó fluctuaciones del espacio-tiempo, que dieron lugar a irregularidades o “arrugas” en el cosmos. De esta forma, la energía se distribuyó de una forma no totalmente uniforme, lo que permitiría en el futuro la formación de estrellas y galaxias.

5.4. ERA DE LOS QUARKS: LA MATERIA

Entre 10 -12  y 10 -6  segundos tras el big bang. La inmensa energía liberada en este tiempo por la separación de las fuerzas fundamentales provocó que la energía “cristalizase” en formas que conocemos como materia. Así aparecieron las partículas más elementales, como fotones, quarks, antiquarks y el bósón de Higgs, que otorga masa a las partículas que la poseen. Según la famosa ecuación de Einstein, E=m · c 2 , es decir, materia y energía son equivalentes. A la temperatura que tenía el universo, unos 10 27  K, los fotones se materializaban espontáneamente y daban lugar a partículas y antipartículas, las cuales colisionaban y se aniquilaban mutuamente, dando lugar a nuevos fotones. Había así un equilibrio entre materia y radiación. Sin embargo, en sólo una fracción de segundo, la temperatura disminuyó tanto que ya no se podían formar nuevas parejas de quarks-antiquarks a partir de los fotones. Los ya formados seguían aniquilándose y toda la materia debería haber desaparecido. Pero, por razones desconocidas, había una partícula de más por cada 1.000 millones de antipartículas. Así, cuando todos los pares partícula-antipartícula se hubieron convertido en radiación, quedó un remanente de partículas que forma toda la materia existente hoy día.

5.5.ERA HADRÓNICA

Entre 10 -6  y 1 segundo tras el big bang. El enfriamiento permite que los quarks se unan mediante la fuerza nuclear fuerte, formando los hadrones: protones y neutrones. Éstos serán los núcleos de los primeros elementos químicos.

5.6. ERA LEPTÓNICA

Entre 1 segundo y 3 minutos tras el big bang. La energía presente ya no permite la aparición de parejas quarks-antiquarks, pero sí de leptones- antileptones. Estas partículas se aniquilaban entre sí hasta que toda la antimateria desapareció y sólo quedó la materia. La aniquilación formó una gran cantidad de fotones (partículas de luz) que son por ello las más abundantes en el universo actual.

5.7. ERA DE LA NUCLEOSÍNTESIS

Entre 3 y 20 minutos tras el big bang. La temperatura desciende lo suficiente para que los protones y neutrones se unan formando núcleos atómicos de hidrógeno, helio y algo de litio.

5.7. ERA DE LOS ÁTOMOS Y LA RADIACIÓN

Entre 20 minutos y 380.000 años tras el big bang. Aunque había núcleos atómicos, no había átomos, pues los electrones estaban disociados y toda la materia formaba un plasma. La enorme cantidad de electrones impedía que los fotones de luz escapasen, pues chocaban constantemente con otras partículas. A los 380.000 años la temperatura era de unos 2.700 ºC y por fin pudo actuar la fuerza electromagnética. Los electrones fueron atraídos por los protones de los núcleos atómicos y se forman los primeros átomos auténticos (H, He, Li). Esto “liberó” a los fotones, que escaparon por fin. Se dice que el universo se hizo transparente. Desde entonces se expande a la velocidad de la luz.

5.9. ERA OSCURA. ESTRELLAS Y GALAXIAS

Entre 380.000 y 150·10 6  años tras el big bang. Se denomina era oscura por que aún no existían estrellas. Entre 150·10 6  y 300·10 6  se forman los cuásares, agujeros negros radiantes, los objetos más brillantes y lejanos del universo observable. Entre 300·10 6  y 500·10 6  años se forman las primeras estrellas y galaxias, proceso que continúa en la actualidad. La gravedad hizo que las galaxias se acumulasen en cúmulos, supercúmulos y filamentos.

5.10. ENERGÍA OSCURA

Las últimas observaciones indican que el universo no sólo se está expandiendo, sino que lo hace de forma cada vez más rápida: se está acelerando. Dado que la gravedad sólo actúa en forma de atracción, debe haber una fuerza de repulsión desconocida actuando. A esa energía se le llama energía oscura y representa un 73% de la energía del universo observable. Para algunos astrónomos podría ser algo similar a la constante cosmológica que Einstein introdujo en sus ecuaciones. O bien podría ser energía del vacío.

5.11. MATERIA OSCURA

El movimiento observado de las galaxias y cúmulos no puede explicarse con la masa que poseen. Debe haber más materia en medio de dichas galaxias. Pero esa materia no emite radiación y por eso no puede observarse. Debido a ello se denomina materia oscura y representa un 23% del universo.

5.12. EL FUTURO DEL UNIVERSO

El futuro del universo depende, básicamente, del equilibrio entre la materia-energía y la gravedad. Así, habría 3 posibilidades: BIG FREEZE O GRAN ENFRIAMIENTO La gravedad no es suficiente para detener la expansión del universo, por lo que este seguirá expandiéndose y enfriándose indefinidamente, aunque de forma cada vez más lenta. Con el tiempo, el universo será totalmente oscuro y frío. BIG CRUNCH O GRAN COLAPSO No hay suficiente materia-energía en el universo para compensar la gravedad, por tanto, la expansión se irá ralentizando, se detendrá y, finalmente, el universo comenzará a contraerse hasta alcanzar una nueva singularidad como la que dio lugar al big bang. Esta situación podría llevar a un universo pulsante, con sucesivos big bangs y big crunchs. BIG RIP O GRAN DESGARRAMIENTO La posible existencia de la energía oscura, una fuerza que estaría acelerando la expansión del universo, llevaría a una tercera opción. El universo seguiría expandiéndose, pero de forma cada vez más acelerada, hasta que todo el espacio-tiempo se desgarrase y desapareciese la materia-energía.
BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA
“Para ir a donde no se sabe hay que ir por donde no se sabe.” San Juan de la Cruz “It must be a strange world not being a scientist, going through life not knowing--or maybe not caring about where the air came from, where the stars at night came from or how far they are from us. I WANT TO KNOW” Michio Kaku
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ORIGEN DEL UNIVERSO