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UN VIAJE POR EL UNIVERSO

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NINGÚN SER HUMANO

HA LLEGADO ANTES

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Preámbulo – la NADA

Una hipótesis es que el cosmos se originó de la “nada”, o más extraordinario aún, puede que sea uno de los incontables universos que se han materializado del espacio “vacío”. La clave de todas las afirmaciones reside en la naturaleza de la “nada”. Como la entendemos actualmente, es el vacío absoluto, pero en la física cuántica, un vacío es mucho más, es una condición inherentemente inestable, en la que no existen ni el espacio ni el tiempo en el sentido clásico.

Según algunos teóricos, la nada precedió al espacio y al tiempo, el trabajo preliminar dependerá en entender de si el universo tiene más de cuatro dimensiones. Es posible que en la Era de Planck, la gravedad cuántica y el universo pudieran ser una única cosa, un objeto cuántico infinitésimamente diminuto. A esta escala, el propio espaciotiempo estaría sometido a impredecibles fluctuaciones análogas a las que causan las partículas al nacer y desaparecer de la existencia en el espaciotiempo ordinario.

Existe la teoría según la cual las partículas subatómicas tienen extensión a lo largo de un eje, y sus propiedades están determinadas por el ordenamiento y la vibración de las cuerdas; postula que existe y ha existido una sola variedad de partícula, pero que esta partícula tiene un número infinito de manifestaciones, como las innumerables melodías que pueden componerse en una sola cuerda de la lira de Pitágoras. Así una sola variedad supersimétrica de partícula aparece en diversos armónicos como gravitones y gravitinos, quarks y squarks, fotones y fotinos, etc. Murray Gell-Mann, físico de Caltech, ha dicho: “todas estas infinitas partículas obedecen a una sola ecuación básica muy bella; la teoría sugiere que la máxima complejidad puede haber surgido de la máxima simplicidad”.

Recreación de una cuerda cósmica

Las eventuales protopartículas se les ha llamado supercuerdas. Una de las teorías más intrigantes en física atribuye la estructura a gran escala observada del universo a la influencia de las cuerdas cósmicas, restos en forma de bucle del cosmos primitivo, tan masivas, que un trocito de un centímetro de largo y una trillonésima del grueso de un protón pesaría tanto como una montañosa cordillera. Se cree que estos hipotéticos objetos fueron creados durante las llamadas transiciones de fase, períodos críticos en los cuales el universo sufrió un cambio análogo a la forma en que el agua se convierte en hielo o vapor.

La primera transición de fase ocurrió una minúscula fracción de segundo después de la Gran Explosión. Cuando el universo niño se enfrió, pasó de un estado de pura energía a uno de energía y materia: La materia se condensó y nació a la existencia, y durante otras transiciones posteriores, procesos similares separaron fuerzas como la nuclear fuerte y la nuclear débil una de otra. A cada estadio, transiciones irregulares pudieron haber criado fallos en el espaciotiempo. Dentro de estos defectos, el espaciotiempo retuvo las fuerzas y la materia de la fase anterior.

Si existen las cuerdas cósmicas, no tendrán ni principio ni fin. Formarán bucles o se extenderán hasta el infinito, vibrando con un ritmo que enviará ondulando olas de gravedad a través del espacio. Puesto que las cuerdas cortas oscilarán rápidamente, disipando su energía en unos cuantos millones de años, sólo las cuerdas más largas, con poderosos índices de oscilación, seguirán todavía a nuestro alrededor. Pero las hace tiempo desaparecidas cuerdas cortas pudieron ser la razón primaria de la creación de los cúmulos de galaxias que vemos hoy.

Los astrónomos que buscan signos de las cuerdas cósmicas, observan las dobles imágenes producidas por un efecto conocido como lentes gravitatorias. La gravedad de un objeto masivo---un agujero negro, una galaxia supermasiva o una cuerda---puede doblar los rayos de luz de los cuerpos más distantes como los quásares, proyectando la fuente de luz como una doble imagen. Una indicación de que este fenómeno lenticular es el resultado de una cuerda y no algo distinto podría ser una hilera de imágenes gemelas causadas por una cuerda existente entre la Tierra y varios quásares. Con un agujero negro, por ejemplo, sólo aparecería un juego de gemelas.

La Teoría de Cuerdas tiene una curiosa historia. En el siglo XX, a fines de la década de los años 60, fue planteada en un intento de encontrar una teoría para describir la interacción fuerte. La idea consistía en que partículas como el protón y el neutrón podrían ser consideradas como ondas en una cuerda. La interacción fuerte entre las partículas correspondería a fragmentos de cuerda que se extenderían entre otros trozos de cuerda, como en una tela de araña. Para que esta teoría proporcionase el valor observado para la interacción fuerte entre partículas, las cuerdas tenían que ser como tiras de goma con una tensión de alrededor de diez toneladas. Este planteamiento no logró mantenerse, por cuanto en la década de los años 70 el interés se desplazó a favor de la teoría basada en los quarks y los gluones que parecía ajustarse mucho mejor a las observaciones. En 1984 el interés se reactivó al poder concretarse que podría explicar la existencia de partículas que tienen incorporado un carácter levógiro. Esto hizo que muchas personas comenzaran a trabajar en la teoría de cuerdas, y se desarrolló una nueva versión, las llamadas cuerdas “heteróticas”, que parecía poder explicar las partículas que observamos. De todas maneras, sin embargo, la teoría de cuerdas presenta un problema mayor: parecen ser consistentes sólo si el espaciotiempo tiene diez o veinte y seis dimensiones en vez de las cuatro usuales.

Esperemos que a lo largo del presente siglo XXI se logre una teoría unificada completa y consistente, que permita la comprensión de lo que sucede a nuestro alrededor.

La Gran Explosión – Big Bang – Una singularidad

El Comienzo En el principio no hay nada, ni tiempo, ni espacio, ni siquiera

vacío, porque no hay espacio para estar vacío, no esta “fuera” ni está “antes”.

De pronto, de este vacío, de esta nada absoluta inimaginable, no podemos llamarlo de otra forma, según todos los mejores cálculos, el universo comenzó. Reconocidos teóricos, confirman que fue hace unos 13.700 a 14 mil millones de años antes del presente, espacio y tiempo se expandieron a partir de un único punto en un indescriptible estallido de energía, se produce una explosión, es la Gran Explosión (En inglés Big Bang), brota... ¡ un universo!

Nace repentinamente ahí, más pequeño que la más pequeña concepción de algo pequeño, con un tamaño muy inferior a un núcleo atómico, es la semilla del todo que existirá, contiene toda la creación.

Esta singularidad ¿En qué lugar estaba? Para nuestra mente, es inconcebible, no hay otra palabra para describirlo.

No es que toda la materia y la energía del universo estuvieran apretadas en un pequeño rincón del universo actual, sino que el universo entero, materia, energía, el espacio y el tiempo que lo llenan, ocupaban un volumen muy pequeño. Toda la materia y la energía presentes actualmente en el universo, estaban concentradas con una densidad muy elevada en un punto matemático sin ninguna dimensión. Nace, y es el tiempo 0 (cero)

La Gran Explosión (Big Bang) – Cronología del Universo NASAEsta preciosa cronología del universo condensa unos 13.700 millones de años desde el Big Bang hasta la actualidad, intentando aproximar lo que

sería su tamaño en las diversas épocas

Tiempo 0 Gran Explosión (Big Bang). Origen del tiempo, el

espacio y la energía del universo que conocemos. En física cuántica se le llama Época, Tiempo o Era de

Planck. En este primer instante después de la Gran Explosión,

la mayoría de las fuerzas eran indistinguibles, todo está mezclado. No hay un modelo físico que lo explique

10-43 de segundo DCT (Diezmillonésimas de una trillonésima de una

trillonésima de segundo) Fin de la Era de Planck; la radiación gravitatoria sale del

equilibrio térmico con el resto del universo. El universo es una caótica sopa de materia-energía 10

cuatrillones de veces más ardiente que el núcleo de una estrella media.

Era de Planck

DCT = Después del Comienzo del Tiempo

Los avances de la física de partículas han

permitido seguir el rastro del universo desde que han transcurrido 10-43 segundos después del comienzo del tiempo, o de la Gran Explosión; en física se le conoce como el Momento de Planck.( marca el fin de la época de Planck).

A los 10-43 segundos, el universo es una caótica sopa de materia-energía diez cuatrillones de veces más ardiente (1032°K) que el núcleo de una estrella media, son fuerzas no diferenciadas.

Y comienza a expandirse.

Partículas Elementales

Era GUT (Great Unification Theory)

Tan denso era el caldo cósmico al final de esa era, que la masa de un cúmulo de galaxias hubiera cabido fácilmente en un volumen más pequeño que el de un átomo de hidrógeno.

Los acontecimientos después de la Gran Explosión implicaron una gran cantidad de partículas elementales que los físicos dividen en dos categorías: Fermiones, partículas de espín semientero, que portan típicamente materia. Son tan pequeños que había que situar más de un billón de ellos en fila para que ocuparan el grosor de un cabello humano; y los Bosones, partículas elementales de espín entero, que generalmente trasmiten fuerza.

Los fermiones incluyen Quarks (hay seis tipos de quarks: up, down, strange, charmed, botton y top) y Leptones (neutrino, electrón, muón y tau), y sus contrapartidas en antimateria. Los quarks son entidades que se combinan en protones y neutrones. Los leptones evolucionaron más tarde en distintas formas que incluían electrones y neutrinos.

También este grupo incluye a los bariones (protón, neutron, lambda, sigma, xi, omega y lambda encantada).

Recreación de fotones

En cuanto a los bosones, entre ellos se cuentan los fotones y las partículas W y Z portadoras de la fuerza electromagnética y electrodébil, respectivamente.

También son bosones los gluones y los gravitones. La fuerza nuclear fuerte, que aglutina a todos los efectos

los quarks, es trasmitida por los gluones; la fuerza débil, responsable de la descomposición radioactiva, es trasmitida por los bosones de vector intermedio.

La fuerza electromagnética es transportada por los fotones, mientras que la gravedad, según la mayoría de los físicos, puede actuar a través de unas escurridizas partículas que reciben el nombre de gravitones.

Las fuerzas se fueron separando, cada una adquirió su propia identidad como un bosón portador.

Este breve y energético periodo recibe el nombre de Era GUT, debido a las varias Teorías de la Gran Unificación planteadas por los físicos que sugieren que tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas de la naturaleza, electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil, eran indistinguibles o se hallaban unificadas a todos los efectos en la fuerza electronuclear

Era GUT 10-35 de segundo DCT Las partículas de materia y sus contrapartidas de antimateria

nacen fugazmente a la existencia, sólo para desvanecerse de nuevo en aniquilantes colisiones que dieron nacimiento a todavía más partículas. Otros encuentros produjeron entidades mucho más masivas que cualquiera conocida hoy en día, incluidas algunas que permitieron a las partículas intercambiar sus propias identidades.

Para los cosmólogos, la unificación electrodébil significaba que el reloj podía retroceder hasta un tiempo justo una billonésima de segundo después del inicio de la expansión, cuando la bola de fuego tenía una temperatura de 1016° K (millones de veces más ardiente que el centro del Sol) y era todavía tan densa que un dedal de ella pesaría aproximadamente 100 millones de toneladas. El siguiente desafío resultaba claro. Ahora que los teóricos comprendían las interacciones de las partículas y fuerzas de ese momento, se enfocaron en un período aún más anterior. El objeto de su búsqueda era hallar una fuerza que uniera la interacción fuerte y la electrodébil, lo que llevó a los físicos a hipotetizar que, a energías más elevadas aún, del orden de 1026°K, ambas interacciones deberían unirse en una nueva «fuerza unificada». Hay diferentes variantes para construir teorías de esta fuerza y sus propiedades.

Estas variantes han alcanzado tan alto grado de desarrollo que a su conjunto se le conoce con el nombre de «Grandes Teorías Unificadas» GTU o «Teorías de la Gran Unificación», conocida más simplemente con la sigla GUTs que uniría todas las fuerzas excepto la de la gravedad.

A temperaturas aún mayores, sobre los 1032°K, se especula que la fuerza gravitacional y la gran fuerza unificada se juntan en una única fuerza. Hay varias hipótesis propuestas que se conocen como Supergravedad, Súper Unificación, teoría de las supercuerdas, entre otras más. Este proceso de superunificación se produciría alrededor de la era de Planck.

Los físicos teóricos, en la década de 1970, llegaron a comprender que principios similares a la electrodinámica cuántica gobernaban la interacción de quarks y nucleones, mediada por la fuerza fuerte. El nombre de la teoría de la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica o QCD (quantum chromodynamics), era un reflejo consciente de la QED. Sin embargo, era mucho más compleja. Mientras que el electromagnetismo era transportado por un único fotón, la cromodinámica cuántica necesitaba no menos de ocho gluones, como se llama a los bosones que transportan la fuerza fuerte, Y esos ocho bosones prometían llevar las matemáticas de la GUT's a una categoría completamente nueva de dificultad.

Era Inflacionaria

Gracias a la gran energía del campo escalar, el universo ha seguido expandiéndose a una velocidad mayor que las que se predijeron en muchísimas teorías cosmológicas anteriores al acontecimiento de considerar a los escalares como agentes de ese efecto. En ese escenario, el tamaño del universo ha crecido exponencialmente.

En esta auto sostenida etapa, la expansión exponencialmente rápida que se le denomina como inflación del universo, no duró mucho tiempo. Su período se calcula que fue, no más allá, de 10-34 segundo. Una vez que disminuyó la energía del campo, la viscosidad casi desapareció, y la inflación terminó. Como el campo escalar osciló, éste perdió la energía, lo que permitió su transformación en partículas elementales. Estas partículas actuaron recíprocamente entre sí y eventualmente se instalaron a alguna temperatura de equilibrio. Es, desde este tiempo primigenio, que la teoría del Big Bang puede describir la evolución del universo

A los 10-34 de segundo, el universo en un estado de vacío, inicia su expansión a una tasa exponencial de unas 1050 veces la tasa actual de expansión, es el de la Era Inflacionaria.

Al terminar la Era GUT, cuando la temperatura cósmica cayó bruscamente más allá de la marca crítica de aproximadamente 1027 grados Kelvin; tan rápido fue este superenfriamiento que la fuerza electronuclear en vez de descomponerse, permaneció unificada. El resultado fue un estado inestable conocido como falso vacío. Atrapado en este extraño estado de falso vacío, el universo parecía destinado a expandirse para siempre a un ritmo creciente exponencial. Que no lo hiciera, se debe en parte a la tendencia de todos los sistemas físicos de buscar el estado de energía más bajo disponible. Para el cosmos se define como un estado en el que la fuerza electronuclear se rompe.

La transición coincidió con la aparición de las partículas llamadas bosones Higgs X e Higgs H, los cuales tuvieron significativos papeles en los períodos que vinieron inmediatamente después de la Era GUT. La interacción entre estos bosones y el falso vacío condujo a un declive en la energía latente del vacío y a un incremento en la masa de las partículas.

Las partículas ganaron masa lentamente al principio y luego con más rapidez hasta que se materializaron explosivamente fuera del vacío. Esto recalentó el universo a temperaturas alrededor de las existentes en la Era GUT e hizo que la expansión adoptara un ritmo más normal.

Durante este cambio algunos de los bosones Higgs X fueron absorbidos por bosones de la fuerza electromagnética unificada, cediendo gluones y la fuerza electro débil. Este romperse de la fuerza electronuclear compensó la transición pasada por alto que había causado el falso vacío.

En una colisión típica de la energética Era Inflacionaria, un quark y un leptón producen en este caso un gluón, gravitones y un portador de la fuerza electrodébil, un quark y un antiquark, un leptón y un antileptón y los originales quark y leptón

Otros Higgs X simplemente se descompusieron en un estallido de partículas cuando el universo salió de la fase inflacionaria.

Un bosón Higgs se descompone en un surtido de partículas que incluye quarks, leptones, antiquarks y antileptones. El proceso dio como resultado más materia que antimateria, produciendo aproximadamente mil millones y una partícula de materia por cada mil millones de antimateria, una diferencia que tuvo importantes consecuencias en la Era del Confinamiento del Quark.

A los 10-33 de segundo termina la época inflacionaria, las partículas se arrojan fuera del vacío.

Recreación de Partículas

10-33 de segundo DCT Termina la Era inflacionaria; las partículas se

arrojan fuera del vacío. La gravedad empieza a frenar la expansión del

universo, la temperatura se mantiene a 1026 grados Kelvin; las densidades cósmicas, aunque descendiendo, todavía eran suficientemente grandes como para que una masa equivalente a la de la Tierra pudiera caber en un dedal.

El volumen del espacio se ha incrementado más de un cuatrillón de veces. Los detalles de cómo terminó la inflación son inciertos, pero finalmente el inestable falso vacío dejó paso al universo dominado por la materia de hoy.

Era Electrodébil.

10-32 de segundo DCT Se inicia la Era Electrodébil. Aparecen los bosones Higgs X; y se completa la separación

de las cuatro fuerzas fundamentales, dividiendo la fuerza electrodébil en las fuerzas electromagnética y nuclear débil. En el proceso, leptones y antileptones evolucionaron a variantes como electrones y positrones, que son sensibles al electromagnetismo, y neutrinos y antineutrinos, que responden a la fuerza nuclear débil.

Con la expansión y las temperaturas inferiores, las colisiones fueron mucho menos energéticas de lo que había sido durante la Era Inflacionaria, lo cual dio como resultado cada vez menos y menos masivas partículas. Los choques aniquiladores entre materia y antimateria produjeron fotones, portadores de fuerza electromagnética, que se descompusieron en parejas de electrón-positrón casi sin masa.

10-11 de segundo DCT La transición de fase de la ruptura de la simetría escinde la fuerza

electrodébil en la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear fuerte.

10-6 a 10-5 de segundo DCT Los quarks y antiquarks cesan su aniquilación mutua. Los

supervivientes se unen en tríos para formar protones y neutrones, los componentes de todos los futuros núcleos atómicos.

A este periodo se le ha llamado el Confinamiento de los Quarks.

Quark dos Down y un Up dentro de la estructura de un neutrón

Las piezas básicas del universo de hoy empezaron a reunirse, cuando las temperaturas descendieron a unos 1013 grados Kelvin

Aunque todavía más de un millón de veces más caliente que el núcleo del Sol, este relativamente bajo nivel de energía permitió a los gluones de la fuerza fuerte unir a los quarks en los bloques de construcción de los núcleos: protones, neutrones y sus antipartículas.

Quark dos Down y un Up dentro de la estructura de un neutrón

Los quarks permanecieron aprisionados en partículas nucleares por condiciones que eran más frías y menos energéticas que aquellas en las que se habían originado. Debido a que los neutrones se descomponían ocasionalmente en protones, los protones llegaron gradualmente a superar en número a los neutrones. Las aniquilaciones de materia y antimateria prosiguieron, pero en vez de producir más materia, mucho de estos acontecimientos produjeron fotones demasiado débiles para crear nueva materia. Sin embargo, estos fotones débiles todavía eran capaces de bloquear la información de los lazos protón-electrón que hubiera conducidos a la formación de átomos. El ligero exceso de materia procedente de la Era de la Inflación se convirtió ahora en crítico para el futuro universo. Con pocos pares de partículas nuevas en producción, toda la antimateria desapareció. Sin embargo, la aniquilación uno por uno de partículas de materia y antimateria dejó atrás un residuo de materia que es lo que llena el universo actual.

10-4 de segundo DCT El universo tiene 1/10.000 de segundo de

antigüedad. La constante captura de electrones y positrones convierte los neutrones en protones y a la inversa. Como se requiere un poco más de energía para hacer neutrones que protones, el proceso deja el universo con cinco veces más protones que neutrones.

10-2 de segundo DCT Partículas de materia y de energía interaccionan

en equilibrio térmico.Era del Neutrino

1 segundo a 1 minuto DCT Los neutrinos, antes enredados con otras

partículas, se desacoplan y siguen su propio camino.

Después del confinamiento de los Quarks, el universo entró en lo que se ha llamado la Era del Neutrino.

Primera observación de un neutrino

Era del Neutrino

La creación de electrones y positrones cesó por falta de energía y como los positrones, como la otra antimateria, fueron desapareciendo gradualmente, la única antipartícula que quedo fue el antineutrino. Tanto neutrinos como antineutrinos, que evolucionaron durante la Era Electrodébil, dejaron de interactuar con otras partículas de materia y así se hicieron casi imposibles de observar. Carentes de carga, quizás incluso de masa, siguen hoy en día cruzando el espacio, la Tierra e incluso los cuerpos humanos en hordas virtualmente indetectables que viajan a la velocidad de la luz.

Era de la Nucleosíntesis 1 minuto DCT Empieza la Era de la Nucleosíntesis que dura 4 minutos, las

condiciones fueron finalmente lo bastante maduras como para la creación de los primeros núcleos atómicos.

3 minutos 42 segundos DCT La densidad del universo se parecía a la densidad del agua y al

final de la era la temperatura había descendido a 600 millones de grados Kelvin.

En el desarrollo más crítico de la era, los fotones empezaron a perder más de su energía; así vaciados, ya no pudieron impedir que protones y neutrones se combinaran en núcleos atómicos. Incluso en este estado menos energizado, sin embargo, los fotones retenían todavía suficiente poder (dada la continuada expansión y enfriamiento) para impedir que los núcleos se combinaran con los electrones para formar átomos completos.

A medida que los protones y los neutrones se unen, iban emergiendo rastros de otros elementos, pero los agrupamientos más comunes eran variedades de hidrogeno y helio que forman la mayor parte de la materia conocida actualmente. El universo ahora está compuesto de un 20% de núcleos de helio y 80% de hidrógeno.

1 hora DCT El universo se ha enfriado hasta el punto de que se ha

detenido la mayoría de los procesos nucleares. 1 año DCT La temperatura ambiente del universo es

aproximadamente la del centro de una estrella. 106 años DCT (=1.000.000 de años) La temperatura ha descendido a 3.000 grados Kelvin;

dando origen a la radiación cósmica de fondo. Los fotones se desacoplan, dejando a los electrones libres para combinarse con núcleos y formar átomos estables. En lo sucesivo, la materia puede condensarse en galaxias y estrellas.

A medida que los electrones libres se unían a los núcleos, los fotones ya no eran dispersados por los encuentros al azar con electrones, y el espacio se volvió transparente. La energía de los fotones siguió declinando descendiendo a lo largo de los 15.000 a 20.000 millones de años hasta los 3 grados Kelvin de radiación que permea el universo de hoy.

Se inicia la Era de la Materia.