Significado de big bang Definición, resumen, y principio cosmológico
Licenciada en Física
Definición formal
El Big Bang dicta que el universo nació de la expansión de un punto de tamaño infinitesimal (una singularidad), en el cual se encontraba toda la energía y la materia, en un estado sumamente denso y temperaturas de millones de kelvin. Este punto se expandió rápidamente, dando origen al tiempo, al espacio y a la materia que configuraron todo el universo. El evento ocurrió hace unos 13.800 millones de años y la expansión prosigue su curso actualmente, incluso con mayor rapidez, según algunos astrónomos.
Pese a que la teoría se llama la Gran Explosión, no se trata de una explosión convencional, de la cual salieron disparadas galaxias en todas direcciones. Es más bien una expansión que ocurre por igual en todos lados, es decir, no tiene un centro definido, por lo que no puede afirmarse que sucedió en este punto o en otro. En otras palabras, cualquier punto del universo puede ser el centro.
Analogía para explicar la expansión del universo
En este sentido, la analogía de la barra de pan con pasas a punto de entrar al horno es muy ilustrativa. En ese momento, las pasas están espaciadas entre sí, pero gracias a la levadura y al calor del horno, la masa del pan se expande uniformemente y las pasas se separan unas de otras.
Alguien sentado sobre una pasa ve que las demás se alejan de ella y las más lejanas parecen hacerlo más rápidamente, pero no se debe a que las pasas se muevan. Ocurre porque la masa se está expandiendo uniformemente y hay mayor cantidad de masa entre las pasas más alejadas.
¿Qué había antes del Big Bang? La teoría no dice nada acerca de esto, solo afirma que toda la energía del universo estaba contenida en la singularidad, que repentinamente comenzó a expandirse a una tasa increíblemente veloz. En realidad, el Big Bang trata acerca de lo que ocurrió durante el primer segundo de existencia del universo. Al cabo de este tiempo, el universo ya era unas mil veces más grande que el Sistema Solar y su evolución estaba completamente determinada.
Pero este único y primordial segundo fue tan decisivo, que es el objeto de estudio de la Cosmología, pues fue allí cuando surgieron las interacciones fundamentales de la naturaleza, las fuerzas que determinan el devenir del universo y todo lo que contiene: gravedad, electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil.
Resumen del origen de la teoría
Como muchas otras teorías, la del Big Bang ha ido evolucionando conforme aparece nueva evidencia experimental. Pero se puede decir que comenzó con las ecuaciones de la relatividad de Albert Einstein (1879-1955) y una idea.
A comienzos del siglo XX, al físico y sacerdote belga Georges Lemaitre (1894-1966), se le ocurrió la idea de que, si las ecuaciones de Einstein mostraban que el universo se estaba expandiendo, las galaxias debieron haber estado mucho más cercanas en el pasado, y por lo tanto el universo tenía un principio, al que llamó el “átomo primigenio”.
La confirmación de que el universo se expande llegó en 1929, cuando Edwin Hubble (1889-1953), al estudiar las galaxias desde el observatorio del Monte Wilson, en California, observó intrigado que cuanto más lejana está la galaxia, más larga es la longitud de onda de la luz que llega hasta nosotros. Los astrónomos lo llaman “desplazamiento hacia el rojo”.
Sucede que las ondas de luz se estiran al propagarse, por lo que su longitud de onda aumenta con la distancia. Algo parecido hacen las ondas sonoras de un tren que primero se acerca y luego se aleja. Al acercarse, el silbato del tren es más agudo (la longitud de onda se acorta), pero cuando se aleja, el tono se vuelve más bajo (la longitud de onda se estira). A esto se le conoce como efecto Doppler.
Las ondas luminosas también experimentan el efecto Doppler. En la luz visible, la longitud de onda del rojo es mayor que la del azul. Entonces, cuanto más lejana la galaxia, más roja llega su luz, porque su longitud de onda se alargó al recorrer una mayor distancia.
Hubble encontró que todas las galaxias, con pocas excepciones, presentan un desplazamiento hacia el rojo. Por lo tanto, es muy probable que, en un principio, las galaxias estuvieran más cercanas, y este es el primer indicio de que ocurrió el big bang.
Durante la primera mitad del siglo XX había muchos científicos muy respetados que no compartían las ideas de Lemaitre y creían en un universo eterno y estacionario. Uno de ellos era el astrónomo británico Fred Hoyle (1915-2001), quien sostenía que el elemento más simple, el hidrógeno, surgía de la nada, y a partir de él, las estrellas en sus núcleos podían sintetizar todos los demás.
Por eso, en una entrevista concedida en 1949, Hoyle llamó despectivamente “big bang” o “gran estallido”, a la supuesta explosión que da origen al universo, y el nombre perduró pese al sarcasmo del científico.
El principio cosmológico y la radiación de fondo cósmico
El hecho de que las galaxias se alejen no es suficiente para asegurar que el universo comenzó con el big bang, pero llama mucho la atención el hecho de que, visto a gran escala, el universo parece sorprendentemente homogéneo.
Cuando se observa más y más lejos, lo que equivale a mirar cada vez más en el pasado, porque la velocidad de la luz es finita, se ven galaxias repartidas uniformemente por todas partes. Cabe destacar que esta escala es muchísimo mayor que la Vía Láctea y el Grupo Local de galaxias al que ella pertenece.
No existe algo como un centro o un lugar preferencial en el universo, como se dijo al comienzo. Además, todo apunta a que las leyes físicas se cumplen de igual forma en cualquier parte, y por tanto, las propiedades del universo son las mismas.
A esta homogeneidad los científicos la llaman “el principio cosmológico” y están convencidos de que la radiación de fondo cósmico (cosmic microwave background o CMB) es la evidencia tangible de ello.
George Gamow (1904-1968) fue el primero en sugerir que, si el universo surgió de un estado caliente y denso que se expandió velozmente, debió dejar una huella aún detectable. Y en efecto, gracias a un accidente afortunado, durante la década de los 60’, dos científicos de ATT, Arno Penzias y Robert Wilson, quienes por entonces buscaban comunicarse con antiguos satélites, descubrieron una peculiar radiación en el rango de microondas que parecía llegar de todas partes. Al comienzo creyeron que se trataba de ruido, pero pronto llegaron a la conclusión de que esta radiación era la que había previsto George Gamow tiempo atrás.
Esta traza fue lo que quedó como evidencia del ambiente extremadamente caliente que dejó el big bang, y que pronto comenzó a enfriarse lentamente.
¿Cómo surge la materia?
No hay problema en imaginar a toda la materia del universo comprimida en una singularidad. Al fin y al cabo, la famosa ecuación de Einstein E = m∙c2 asegura que la materia y la energía son equivalentes. La materia ocupa volumen, pero la energía no, y en sus comienzos, el universo debió ser solo energía.
Transcurrido el primer segundo pasado el big bang, estaban listos los elementos necesarios para la formación de los átomos y por consiguiente, de la masa. Pero la materia y la radiación no lograron separarse completamente sino unos 300000 años después del big bang.
Aunque se sabe que masa y energía son equivalentes, aún se desconoce cómo la energía contenida en la singularidad del big bang se convirtió en masa.
Para explicarlo existe una teoría, propuesta por el físico Peter Higgs (1929-presente), que establece la existencia de un campo en todo el universo, a cuyo contacto y mediante una partícula llamada bosón de Higgs, la radiación se convierte en masa.
Es así como se habría creado la masa en el universo.
Trabajo publicado en: Jun., 2021.
