El nacimiento y el crecimiento del universo

Si vamos a empezar por algún sitio, podemos empezar por el principio. Rebobinemos nuestros relojes hasta lo que los científicos creen que es el evento más temprano en la historia de nuestro universo: el Big Bang. Vamos a ver si somos capaces de entender el comienzo del tiempo, y luego vamos a recorrer algunos de los principales acontecimientos que han ocurrido en el espacio exterior desde entonces.

La mayoría de la gente ha oído hablar del Big Bang, ya que es nuestra mejor explicación de cómo el universo llegó a ser la forma en que observamos que es hoy. Las palabras «Big Bang» son un poco engañosas, porque este acontecimiento tuvo lugar de forma microscópica y puede no haber producido ningún sonido. El sonido requiere un medio, como el aire, para viajar. Pero aún no había ningún medio, por lo que el acontecimiento fue probablemente silencioso. El nombre ‘El Big Bang’ en realidad vino de un oponente de la teoría del Big Bang, Fred Hoyle, pero sin embargo se mantuvo.

¿Entonces qué fue el Big Bang? Imagina que todo en el universo se condensó en un pequeño punto de materia y energía. Este minúsculo y denso objeto no sólo contenía la energía y los átomos de todo lo que jamás existirá, sino que también contenía el espacio y el tiempo mismos. Los científicos se refieren a este punto como «la singularidad del Big Bang». Es un esfuerzo de la imaginación tratar de imaginar este objeto que lo abarca todo, porque nuestras mentes quieren situarlo en alguna región del espacio en algún instante concreto del tiempo. Pero el espacio y el tiempo nacieron de esta singularidad con todo lo demás del universo. No podemos definir la ubicación de la singularidad, porque todavía no había espacio en el que situarla. No podemos hablar de lo que ocurrió antes de que surgiera porque todavía no existía el tiempo. No existía el concepto de «antes». El tiempo comenzó en el Big Bang, el principio.

Para argumentar, consideremos la posibilidad de que el universo sea infinitamente antiguo. Si esto fuera cierto, entonces un número infinito de eventos ya habrían ocurrido antes de que llegáramos a existir. Mirando hacia atrás en el tiempo, veríamos el día de ayer seguido por el de antes de ayer, y luego el de antes de eso, y luego el de antes de eso… para siempre. Esto significa que, si el universo fuera infinitamente antiguo, el momento presente nunca podría llegar a existir. Un número infinito de eventos tendría que ocurrir antes de él, lo cual es imposible. Pues bien, está claro que el momento presente se ha alcanzado, ya que usted está leyendo estas palabras ahora mismo. Dado que la cadena de acontecimientos de la historia fue capaz de llegar al momento presente, entonces tuvo que haber un comienzo del tiempo. El Big Bang es lo que puso en marcha el reloj de nuestro universo.

Tenga en cuenta que estoy hablando de espacio y tiempo en nuestro universo. Tal vez existió algo desconocido para nosotros, y de ese desconocimiento brotó nuestro universo. Es muy posible que así sea, pero no podemos pensar en ese desconocimiento de la misma manera que pensamos en el espacio y el tiempo de nuestro universo. Tal vez hubiera otro espacio y tiempo fuera de nuestro espacio y tiempo, o tal vez existiera algo muy diferente del espacio y el tiempo y diera lugar al Big Bang. Realmente no lo sabemos. Para nuestros propósitos aquí, mantendremos nuestra discusión centrada en el espacio, el tiempo, la materia y la energía en nuestro universo.

De acuerdo, así que volvamos al Big Bang. La teoría del Big Bang no puede describir exactamente lo que ocurrió en el instante en que ocurrió el Big Bang, pero se acerca bastante. En la primera fracción de segundo (menos de una trillonésima de trillonésima de segundo) la singularidad del Big Bang contenía la misma cantidad de materia y energía que tenemos hoy, pero en una forma diferente. Se sabe poco sobre el estado de la materia en esta época. Lo que sí sabemos es que el universo se expandió increíblemente rápido y se enfrió en un periodo conocido como «inflación». El universo continúa expandiéndose hoy en día, pero la expansión fue mucho más rápida durante la inflación.

Al final de este período inflacionario, había partículas elementales, luz y energía. Cuando digo «partículas elementales» me refiero a partículas aún más pequeñas que los átomos: partículas que no podemos descomponer en trozos más pequeños, por lo que sabemos. Además, es posible que también haya existido algo misterioso que llamamos «materia oscura». Dejaremos la discusión sobre las partículas elementales y la materia oscura para capítulos posteriores.

Todas estas partículas se movían a velocidades increíblemente rápidas en un entorno increíblemente caliente. Algunas de las partículas elementales se unieron para formar protones y neutrones. Los protones y los neutrones son las partículas que forman el núcleo de un átomo. Diferentes cantidades de protones y neutrones formarán los núcleos de diferentes átomos. (Los núcleos más pequeños son los de los átomos de hidrógeno y helio. Sólo contienen unos pocos protones y neutrones. Así, mientras el universo seguía expandiéndose y enfriándose, los protones y neutrones pudieron combinarse para formar los núcleos de los átomos de helio en los primeros 20 minutos. Mientras tanto, los electrones seguían flotando libremente. No fue hasta unos 379 000 años más tarde cuando los electrones empezaron a orbitar los núcleos para formar los átomos de hidrógeno y helio, los primeros átomos del universo (figura 1.1).

Acercar zoom Reajustar tamaño de la imagen

Figura 1.1. Estas son las formas comunes de los átomos de hidrógeno y helio. Los círculos morados representan protones, los amarillos son neutrones y los verdes son electrones. (No están dibujados a escala. En realidad, puedes suponer que todas las imágenes no estarán dibujadas a escala.)

Descarga la figura:

Imagen estándar Imagen de alta resolución

Las partículas de luz, llamadas «fotones», seguían viajando por su cuenta. Estos fotones viajaban en forma de radiación de microondas (hablaremos de las diferentes formas que puede adoptar la luz en el capítulo 5). Se convirtieron en lo que se conoce como «la radiación cósmica de fondo de microondas». Esta radiación cósmica sigue siendo detectable hoy en día. De hecho, es una de las principales pruebas que apoyan la teoría del Big Bang para la historia del universo.

Una vez que se formaron los átomos de hidrógeno y helio, el universo continuó expandiéndose y enfriándose. Cuando pasaron 200 millones de años después del Big Bang, la temperatura descendió considerablemente y las partículas se volvieron menos energéticas. En las regiones densas, la atracción gravitatoria de la materia fue capaz de reunir los átomos de hidrógeno y helio en grupos. Estos cúmulos de materia se distribuyeron de forma bastante uniforme por todo el universo. Fueron el comienzo de galaxias como la Vía Láctea en la que vivimos. Dentro de las galaxias, la materia de las regiones densas más pequeñas siguió juntándose por atracción gravitatoria. Los átomos se acercaron lo suficiente para que se produjera la fusión nuclear. Es entonces cuando los núcleos de los átomos más pequeños se fusionaron en núcleos de átomos más grandes, liberando energía. Estos grupos de átomos calientes y energéticos fueron las primeras estrellas del universo.

En el interior de las estrellas, los átomos de hidrógeno continuaron fusionándose en átomos de helio, emitiendo luz y calor en el proceso. Algunas de estas estrellas fusionaron todo su hidrógeno en helio y luego continuaron fusionando el helio en elementos más pesados como el carbono y el oxígeno. Pero al formar los elementos más pesados, no se desprendía tanto calor. Así, la presión de la atracción gravitatoria hacia el interior empezó a superar la presión del calentamiento termonuclear que empujaba hacia el exterior. En las estrellas masivas, esto provocó el colapso del núcleo de la estrella. Una estrella masiva en esta etapa final implosiona fantásticamente. El núcleo colapsa en un objeto superdenso, y el exterior lo sigue hacia dentro. La mayor parte de la estrella rebota entonces en el denso núcleo, saliendo volando hacia el universo. Esta explosión de una estrella se llama supernova. Las supernovas liberan sus elementos más pesados en el universo.

Los elementos más pesados quedan entonces atrapados en las galaxias por la atracción gravitatoria. Esos elementos forman nuevos cuerpos como los planetas. La propia Tierra se hizo a partir de elementos que se formaron dentro de las estrellas del universo primitivo. Y unos 8.000 millones de años después del Big Bang, la Tierra y varios otros planetas de nuestra Vía Láctea comenzaron a orbitar alrededor del Sol. Así se formó nuestro sistema solar.

Los elementos que se originaron en las estrellas hicieron que se formara la vida en la Tierra. La estrella que hoy orbitamos (el sol) sigue proporcionando la luz y la energía necesarias para que podamos sobrevivir. Así que, literalmente, debemos nuestra existencia a las estrellas. Y como los elementos que componen nuestro cuerpo proceden de las estrellas, en cierto sentido somos polvo de estrellas.

Aunque he omitido muchos de los detalles, este resumen nos pone al corriente del nacimiento y crecimiento del universo en los últimos 14.000 millones de años aproximadamente. La figura 1.2 resume estos acontecimientos. En los siguientes capítulos analizaremos cómo funciona este asombroso universo y exploraremos algunas de sus características más misteriosas. Desvelaremos las fuerzas que subyacen a toda la naturaleza. Al comprender el espacio, el tiempo, las partículas y las fuerzas, podremos adentrarnos en las revolucionarias teorías de la relatividad de Einstein, así como en la alucinante naturaleza de la mecánica cuántica. Exploraremos algunas cuestiones interesantes desde el punto de vista físico, como si es posible viajar en el tiempo. Y discutiremos algunos de los descubrimientos físicos más esclarecedores de la actualidad.

Ampliar Alejar Reajustar tamaño de la imagen

Figura 1.2. Línea de tiempo de los principales acontecimientos desde el Big Bang.

Descargar figura:

Imagen estándar Imagen de alta resolución

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.