EINSTEIN Y EL BIG BANG 

Guy F. de Téramond

Escuela de FísicaUniversidad de Costa Rica

9 de marzo 2005

“Lo mas incomprensible del Universo es que sea Comprensible”

                      A. Einstein

• VI s AC Filósofos Griegos: teorías tratan  de explicar los fenómenos naturales sin  recurso de mecanismos sobrenaturales  o deidades: cosmos vs. caos 

• Se mide los diámetros de la tierra, luna  y sol y sus distancias!

• Eratóstenes (250 AC)  Tierra:  7.2/360 = 1/50       1 estadio = 185 m  50 x 5000 est = 250,000 est = 46,250 km !    Eclipse lunar: D_T = 4 D_L   D_T = 12,700 km, D_L = 3,200 km

  Dist_L = 3200 km x 100 = 320.000 km !

Solsticio de verano: 21 junio

Aswan

         32001

100

● Aristarco (n 320 AC) : la tierra se mueve alrededor del sol, la tierra gira sobre su eje en 24 h, y las estrellas forman un fondo estático al universo

● Filósofos abandonan el modelo de Aristarco y la idea heliocéntrica desaparece por los próximos 1700 años!  Se impone el sistema de Tolomeo ( II s AC) con ciclos y epiciclos (movimiento retrogrado de planetas)

● N. Copérnico   (1543) ‘Sobre La revolución de las Esferas Celestes’● T. Brahe: mediciones cinco veces más precisas, las mejores en la historia de la 

astronomía ● J. Kepler rompe el ‘dogma circular’  ­ elipses ­ 

     Modelo mas simple y preciso que Tolomeo.

● Galileo: Uso del telescopio: planetas de Júpiter, fases de Venus, “imperfecciones” de la Luna y el Sol.

    ‘Diálogo Sobre los Dos Máximos Sistemas del Mundo’

Copérnico 1473­1543   Tycho Brahe 1546­1601

Kepler 1571­1630 Galileo 1564­1642

Aristarco 310 ­230 BC

Newton 1643­1727

hipérbola

parábola

elipse

•Newton establece las leyes de la mecánica F = m a y la ley de la gravitación  universal: cada objeto en el universo atrae a todos los otros objetos                             2                                                   ­11             2         ­ 2      F = G m M / r                G = 6.67 x 10      N m  / kg     (Cavendish)

•Leyes de la mecánica terrestre extendidas a la mecánica celeste: explicación dinámica de las orbitas planetarias!

•Cavendish con las leyes de Newton pudo ‘pesar’ la tierra

•Hasta finales del siglo XIX queda la gran pregunta: Es el universo eterno y estático o bien tuvo un inicio? Los cosmólogos del siglo XX debían contestar 

• Einstein 1905 ‘Sobre la Electrodinamica de los Cuerpos en Movimiento’  termina con el ‘ether’ (Michelson­Morley 1880), doscientos años   de supremacía de las leyes de Newton y  mas importante: la concepción  de espacio y tiempo como dos entidades independientes y absolutas

• Velocidad de la luz es constante relativa al observador y es la velocidad   máxima (dilación intervalos de tiempo, contracción de longitudes)

• Nueva entidad: espacio­tiempo

• Relatividad Especial: descripción movimiento en sistemas de referencia  inerciales

• 1915 Teoría General de la Relatividad, valida en cualquier sistema de   referencia, es una nueva teoría de la gravedad.    Einstein sospecha que la teoría de Newton   podría fallar en situaciones de gravedad extrema.

• Espacio­tiempo curvo! Materia curva el espacio y el  espacio determina como se mueve la materia!

Espacio curvo en Relatividad General

Avance del perihelio de Mercurio43 segundos de arco por siglo inexplicables(Le Verrier 1856)

Desviación de la luz por el campo gravitacionaldel sol     (Eclipse 1919)

• Einstein 1917 ‘Consideraciones Cosmológicas de la Relatividad General’,  rol de la gravedad a la escala cósmica

• Einstein asume que a grandes escalas el universo es isotrópico y   homogéneo (Principio Cosmológico)

• Solución inestable: la gravitación a escala cósmica hace colapsar el   universo 

• Introduce ad hoc una constante cosmológica  (importante solo a distancias cósmicas)   y selecciona su valor para balancear   exactamente la gravitación y  y evitar un colapso para obtener  un universo estático y eterno 

Friedmann 1888­1925

• A. Friedmann estudia las soluciones de RelatividadGeneral sin la constante cosmológica. Que tipo de universo emerge lógicamente de la teoría?

• Friedmann 1922 ‘Zeitschrift fur Physik’: universodinámico que evoluciona a la escala cósmica vs. eternamente estático. Condiciones iniciales: 

      a) expansión y contracción      b) expansión permanente      c) expansión se detiene

• Einstein escribe al Zeitschrift pero debe retractarse! Acepta finalmenteque las soluciones dinámicas de Friedmann son matemáticamente correctas, pero las considera físicamente irrelevantes.      

Lemaitre 1894­1966 

Einstein a Lemaitre: ‘ Sus calculos soncorrectos, pero su física es abominable’

• G. Lemaitre redescubre las soluciones dinámicasde la Relatividad General (RG) de Einstein

• Lemaitre 1927 ‘Hypotesis del Atomo Primario’. RGimplica un inicio del universo en una región reduciday compacta, que explota y evoluciona al universoactual y continuara evolucionado

• Galaxias deben alejarse con velocidadesproporcionales a la distancia

Conferencia Solvay   Bruselas 1927

• En ausencia de evidencia experimental el universo estático permanececomo la ortodoxia

Telescopio de 100 pulgadasObservatorio Monte Wilson

• 1912 H. Leavitt: estrellas variables cefeidas, indicador de distancias

• 1923 E. Hubble  identifica una cefeida en Andrómeda

• 1926 E. Hubble velocidad de recesión de las galaxias

• 1931 Einstein anuncia públicamente que renuncia a suModelo estático y endorsa el modelo dinámico delBig Bang de un universo en expansión

Andromeda M 31

NGC 1300

Supernova Cluster de Virgo

• F. Hoyle, T. Gold, H Bondi: Teoria del Estado Continuo,  universo eterno con elemento de creación continua  (distribución de quasares ?)

• G. Gamow, R. Alpher, R. Herman: Big Bang

   a) Predicen abundancia de hidrogeno 90% y helio 9%      b) Transición del universo 300.000 años: recombinación 3000 C.        Formación de átomos , la luz (radiación) se desacopla de        la materia y el universo se vuelve         transparente! 

        De acuerdo al Big Bang el universo         se ha expandido 1000 veces, por        consiguiente temperatura actual         de la radiación: 3 K

Herman, Alpher y Gamow

• 1964 R. Wilson y A. Penzias (Laboratorios Bell) detectan la radiaciónde microondas de origen cósmico que permea el espacio en todas lasDirecciones: CMB: Cosmic Microwave Backgrond radiation.

T = 2.7 K, longitud de onda = 2 cm

Origen de estructura en el universo: variaciones de temperatura

• 1989­1992 COBE  (Cosmic Background Explorer)• 2001  WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

El Big Bang no es una explosión en elEspacio, pero una explosión del espacio

Galaxias en formación al bordedel universo conocido

Hubble Deep Field Telescope