viernes, 10 de febrero de 2012

Singularidad

Hola a todos. Somos Jose y Valeria, dos alumnos de 1º de Bachillerato del IES Monte Castelo haciendo un trabajo para CMC (Ciencias para el Mundo Contemporáneo). A medida que vayamos avanzando en él, iremos actualizando esta entrada hasta que esté completa. 

El trabajo que se nos ha encargado tiene como tema "La Singularidad", es decir, el momento que la ciencia denomina "t = 0", previo a la existencia del Universo en el que se supone que existía un agujero negro que más tarde se expandió (Big Bang) para dar lugar a toda la materia que compone las cosas que nos rodean.


Una singularidad, de modo informal y desde un punto de vista físico, puede definirse como una zona del espacio-tiempo donde no se puede definir alguna magnitud física relacionada con los campos gravitatorios, tales como la curvatura, u otras. Las singularidades pueden ser, en sus aspectos más generales:
  • Singularidades temporales, en la que una partícula deja de existir por cierto instante de tiempo; dependiendo de su velocidad, las partículas rápidas tardan más en alcanzar la singularidad mientras que las más lentas desaparecen antes. Este tipo de singularidad son inevitables, ya que tarde o temprano todas las partículas deben atravesar la hipersuperficie temporal singular.
     
  • Singularidades espaciales, al ser hipersuperficies espaciales una partícula puede escapar de ellas y por tanto se trata de singularidades evitables.
Las singularidades se emplean en diversos teoremas, como el de la conservación del área -no estrictamente un teorema de singularidad- o los de agujeros negros. Nosotros nos centraremos en el teorema del Big Bang. Para no extendernos explicando las bases del teorema, os remitimos a este blog que las explica de un modo informal y fácilmente comprensible:

Curiosamente, la expresión Big Bang proviene -a su pesar- del astrofísico inglés Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría y, a su vez, uno de los principales defensores de la teoría del estado estacionario, quien en 1949 durante una intervención en la BBC dijo, para mofarse, que el modelo descrito era sólo un big bang (gran explosión). No obstante, hay que tener en cuenta que en el inicio del Universo ni hubo explosión ni fue grande, pues en rigor surgió de una singularidad infinitamente pequeña, seguida de la expansión del propio espacio.


Una consecuencia de todos los modelos de Big Bang es que, en el pasado, el Universo tenía una temperatura más alta y mayor densidad y, por tanto, las condiciones del Universo actual son muy diferentes de las condiciones del Universo pasado. A partir de este modelo, George Gamow en 1948 pudo predecir que debería de haber evidencias de un fenómeno que sería bautizado como radiación de fondo de microondas y del que hablaremos más adelante.


Así, el universo es el resultado de una expansión del Espacio-Tiempo a partir de una singularidad.
Tal expansión se hizo a una velocidad situada entre la velocidad de la luz (c) y 1000c, es decir 1000 veces la velocidad de la luz.


De esta velocidad inicial depende el futuro de nuestro universo :
  • Si la energía cinética domina, el universo al refriarse conocerá una expansión sin fin.               
  • Si la energía potencial domina, la atracción gravitacional llevará el universo hacia un Big Crunch. Una vuelta hacia la singularidad inicial.  
En los pocos segundos que siguieron al Big Bang, las reacciones nucleares sintetizaron practicamente la totalidad del helio y del hidrógeno del universo. La energía que dio lugar a estos procesos provocó lo que se conoce como radiación cósmica de fondo o radiación de microondas y que aún a día de hoy es detectada por los aparatos. La siguiente página muestra un mapa de la radiación cósmica de fondo, además de una gráfica de su espectro:

http://astroverada.com/_/Main/T_cmb.html


¿Qué pasó en concreto en esos segundos después del Big Bang?


    Era de Planck
  • ~10-43 segundos después del Big Bang (Tiempo de Planck). En ese momento todo el universo observable hoy en día tendría en aquel entonces unos 10-33 cm (es decir, sería unas 100 trillones de veces más pequeño que un átomo), aunque ¡el Universo entero bien podría ser infinito! La temperatura característica sería de unos 1032 grados. La física de estos instantes es altamente especulativa. La gravedad empieza a ser una fuerza relevante en las interacciones cuánticas y una descripción de lo sucedido antes de esos instantes (cualquier cosa que eso significque) necesita de una teoría cuántica de la gravedad.
     
  • ~10-36 segundos después del Big Bang. Ruptura espontánea de la simetría donde las interacción nuclear fuerte y la interacción electrodébil dejan de ser una sóla interacción.
    Era GUT (Gran Unificación)
  • ~10-35 segundos después del Big Bang. Comienza un periodo de expansión exponencial conocido como periodo inflacionario. La temperatura característica es de unos 1027 grados.
  • ~10-33 segundos después del Big Bang. Termina el periodo inflacionario. La energía de vacío que impulsa la expansión acelerada del universo es materializada en partículas subatómicas. Cada región del universo del tamaño de Planck ha aumentado vertiginosamente rápido hasta alcanzar un tamaño de unos 100 cm. Las fluctuaciones cuánticas aleatorias producidas durante el periodo inflacionario se amplifican por la tremenda expansión creando las irregularidades inciales que que terminarán por condersar materia y formar las semillas que darían origen a las estructuras galácticas. La tremenda energía liberada por el cambio de estado del universo convierte la energía almacenada en el inflatón (campo cuántico que impulsa la expasión exponencial) en partículas subatómicas (proceso conocido como recalentamiento).
     
  • ~10-32  s después del Big Bang. Bariogénesis o creación de bariones. Las reacciones de protones y antiprotones están descompensadas a favor de los protones de tal manera que hay 100,000,001 protones por cada 100,000,000 antiprotones (y 100,000,000 fotones). La temperatura característica es del orden de 1026 K
    Era Electrodébil
  • ~10-11  s después del Big Bang. Tiene lugar una transición de fase donde la interacción electrodébil se desacopla en las interacciones nuclear débil e interacción electromagnética por un proceso de ruptura espontánea de la simetría. La temperatura característica es de unos 1015 K. Podemos decir que a partir de este momento se puede describir el estado del universo utilizando física estándar relativamente bien conocida. El tamaño del universo observable es entonces del tamaño del Sistema Solar hoy.

    Era Hadrónica
  • ~10-6  s. Empieza la aniquilación de electrones y positrones.
  • ~10-5  s. Recombinación de los hadrones. Se forman protones y neutrones a partir del plasma original de quarks y gluones.
  • ~10-4 s. Los neutrinos empiezan a viajar libremente.
    ~0.0001 segundos después del Big Bang. El universo se ha enfriado hasta 1013 grados. Los antiprotones aniquilan los protones produciendo una gran cantidad de fotones por cada protón y neutrón superviviente. Podemos decir que a partir de este momento el escenario está perfectamente descrito por física estándar.
    Era Leptónica
  • ~1 segundo después del Big Bang la temperatura desciende hasta los 1010 grados. La proporción protones/neutrones es de 6 a 1. El universo ha crecido hasta algunas decenas de años luz.
    Nucleosíntesis
  • ~100 segundos después del Big Bang. La temperatura es de mil millones de grados. Los electrones y positrones se aniquilan mutuamente para crear más fotones, mientras protones y neutrones se combinan formando deuterones. Casi todo los deuterones se combinan para producir núcleos de helio. El resultado final es un fracción en masa de 3/4 de núcleos de hidrógeno y 1/4 de helio, quedando sólo una fracción deuterio/hidrógeno de 30 partes por millón. La cantidad de fotones por nucleón es de unos dos mil millones.
  • ~Un mes después del Big Bang los procesos que convierten la radiación en perfectamente térmica con un espectro de cuerpo negro se producen más lentamente que la propia expansión del universo. El fondo cósmico de microondas mantiene información de esta época.
  • ~10,000 años después del Big Bang la temperatura ha caído hasta unos 25,000 grados. Las irregularidades producidas por la materia oscura pueden empezar a colapsar para formar las semillas gravitatorias de las estructuras galácticas.
  • Unos 300,000 años después del Big Bang la temperatura cae hasta unos 3500 grados. Los electrones y protones se combinan formando átomos de hidrógenos y la radiación se va poco a poco desacoplando de la materia hasta que ésta puede viajar libremente cuando la temperatura cae hasta unos 3000 grados. La materia bariónica ordinaria (formada por protones y neutrones) puede caer hacia los cúmulos de materia oscura. Estas irregularidades quederán plasmadas en el fondo cósmico de microondas. Era de las galaxias
  • ~100-200 millones de años después del Big Bang  se forman las primeras estrellas. Se sintetizan los primeros elementos pesados (carbono, oxígeno, nitrógeno, silicio, magnesio y hierro) que son esparcidos por el espacio por las explosiones de estas estrellas moribundas en forma de supernovas.
  • Se empiezan a formar las galaxias como agrupamientos de materia oscura. Estrellas y gas se acumulan en estos agrupamientos.
  • Se forman los cúmulos de galaxias.
  • Hace 4600 millones de años se forman el Sistema Solar y el Sol.
     
  • Hace 3500 millones de años, aparecen las primeras formas de vida de las que se tiene noticia.
  • Hoy en día: 12-15 mil millones de años después del Big Bang. La temperatura típica es de 2.725 grados por encima del cero absoluto. La esfera de 10-33 cm en el tiempo de Planck se ha convertido en una esfera que abarca unos 1029 cm (unos 100,000 millones de años luz), mayor que el universo observable .

De la singularidad inicial también se desprendieron todas las dimensiones que componen el universo actual y que en apariencia no se limitan a las cuatro observables que conocemos (alto, largo, ancho y tiempo). Como su explicación es muy compleja, consideramos más conveniente ejemplificarla con un par de vídeos que lo reflejan de forma muy sencilla: 

 
Si se desea una explicación escrita, en la siguiente página un usuario hace una exposición clara y cercana acerca de las once dimensiones:

http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20090713172606AABYkQQ


En resumen, cada dimensión sería el resultado de hacer un nuevo movimiento, o de "subir un nivel" en la escala de materia.

Para finalizar y agradeciendo a los lectores el haberse tomado la molestia de consultar nuestro trabajo, os presentamos otra visión "literaria" de las once dimensiones del Universo:


¡Y eso es todo! Una vez más, gracias por leer el trabajo. Esperamos haber aclarado las posibles dudas sobre el tema sin resultar aburridos. 

BIBLIOGRAFÍA


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