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ORIGEN DEL UNIVERSO |
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La ciencia sin la religión es coja, la religión sin la ciencia es ciega. “Einstein”
La Ciencia trata de explicar cómo probablemente se ha desarrollado el universo, utilizando o extrapolando conocimientos de la Física pero en el fondo subyace la impresión de existencia de un plan, un diseño, un diseñador.
La observación de Hubble de un Universo en rápida expansión con las galaxias separándose unas de otras así como la detección de una radiación térmica uniforme de fondo( 3ºK) sugiere el desarrollo del universo a partir de un estado inicial compacto y muy caliente. La hipótesis más reciente fija el momento en que ocurrió el big bang , como nacimiento del universo, en una perspectiva de 13.700 millones de años
Esta imagen publicada en Feb.2003 por los científicos de la Nasa de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) fue montada barriendo el firmamento completo durante 12 meses. La luz que se ve como fondo de microondas se emitió hace más de 13.000 millones de años, unos 380.000 años después del big bang.
El procedimiento para definir las condiciones físicas iniciales del universo se basa en la aplicación de un modelo matemático, interpretación de la información recibida en los observatorios astronómicos tratando de encontrar huellas del pasado o la utilización de aceleradores de partículas simulando las interacciones entre las mismas con energías equivalentes a las originales a temperaturas del orden de 1*10^10ºC y buenas dosis de elucubración.
El modelo matemático incluirá las leyes de la física aplicable a partículas elementales para las condiciones extremas iniciales que se presentan.
Los observatorios reciben radiaciones electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz, 300.000 Km/s, con lo que la información recibida actualmente por nuestros telescopios habría sido en algunos casos emitida, incluso antes de la formación de la Tierra.
Las leyes de la Física aplicables serían inicialmente las de la Física Cuántica, y más adelante para el espacio-tiempo la de la Relatividad de Einstein.
Con la intención de poder englobar las 2 teorías en una única y tratar de explicar tanto la fuerza de la gravedad como la variedad de distintas partículas elementales generadas en los aceleradores de partículas con la aplicación de energías crecientes, se desarrolló la teoría de las supercuerdas o “Theory of everything” que exige la utilización de un espacio de 11 dimensiones de los que al final quedarían 4.
La Física Cuántica que ha tenido un éxito esencial en la interpretación y cuantificación del comportamiento de partículas elementales nos da herramientas utilizables.
La energía de una partícula subatómica puede aparecer y desaparecer durante momentos infinitesimales de tiempo, de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg. Sea cual sea la cantidad de información disponible, el comportamiento futuro solo se puede definir dentro de un rango de probabilidad. Una partícula subatómica puede literalmente desaparecer del universo y aparecer un momento después.
ETAPAS
Por extensión de aplicación de la Física Cuántica se ha sugerido la posibilidad de un comienzo provocado por una fluctuación cuántica de la nada.
Lo malo es que si ha ocurrido una vez no hay ninguna razón científica para que no haya ocurrido más veces y se podría deducir que pudiera haber otros universos por ahí a la vuelta de la esquina.
Se analizan distintas épocas de actividad parecida en períodos de tiempo cada vez más infinitesimales a medida que nos acercamos al origen Cuántica desde 10^(-43) seg Hadrónica desde 10^(-24) seg Leptónica desde 10^(-6) seg a 1 seg Plasma desde 1 seg a 100.000 años
La era cuántica empezaría con el tiempo que la luz tarda en recorrer una longitud de 1.10^(-20) del tamaño de un núcleo de hidrógeno o un agujero negro de tamaño tan pequeño que obedezca a las leyes del azar . El calor creó materia y cantidad equivalente de antimateria suavizando el movimiento caótico del espacio, dejando sólo el movimiento regular de expansión observable.
Al final de la era hadrónica el universo contenía aproximadamente la misma cantidad de materia y antimateria, predominando ligeramente la materia por alguna rotura de simetría, la temperatura bajó de 10^12ºC a 10^10ºC y toda la antimateria se aniquiló con la mayor parte de materia dejando solo una parte residual de materia que prevaleció. La aniquilación produjo una gran cantidad de fotones.
En esta época los quarks moviéndose a la velocidad de la luz podrían haber formado arrugas en el espacio (gravitones, si existen). En la era leptónica habría en equilibrio un conjunto de electrones, muones y positrones con protones y neutrones por interacciones de emisiones y absorciones de neutrinos. Tan pronto como bajó algo la temperatura desaparecieron los muones y positrones dejando libres los neutrinos que fueron despedidos.
Al comienzo de la era de plasma, 1 seg. después del big bang, con una temperatura de 10^10 ºC y densidad de 10^4 g/cm3, la proporción de neutrones y protones quedó fijada, siendo los primeros el 15% del total.
El plasma es un estado de la materia en que los átomos están ionizados, separados en protones, neutrones y electrones, que es lo que había. Solo después de acabar la era del plasma sería en principio visible la luz emitida pero la radiación luminosa está fuera del espectro visible, el desplazamiento hacia el rojo, descubierto por Hubble la ha convertido en radiación infrarroja, pasados unos 300.000 años habría transparencia a la luz y radiaciones Al bajar la temperatura a 1*10^9 ºC los protones y neutrones empezaron a combinarse sin ser separados por los impactos de alta energía para formar núcleos de Helio y el resto de los protones para dar núcleos de hidrógeno. Se atenuó la formación global de elementos más pesados debido a que bajó rápidamente la temperatura.
Después de algunos minutos, cuando la temperatura había bajado a unos pocos millones de grados dejó de funcionar la reacción de fusión.
Los resultados de cálculos predicen que alrededor del 7% de los átomos estabilizados eran de helio y, la mayor parte del resto, de hidrógeno datos que coinciden con los observables de la materia visible pudiendo considerarse este helio primordial así como la radiación de fondo detectada con una temperatura de 3 º K. vestigios cosmológicos del big bang.
Como sabemos, actualmente existen 4 fuerzas conocidas, la de gravedad, electromagnética, fuerza nuclear débil y la fuerte. Con 10^(15)ºC la fuerza nuclear débil y la electromagnética estaban unificadas, a 10^(27)ºC las 2 fuerzas nucleares estarían unificadas y a 10^(32)ºC la gravedad estaría también unificada habiendo una sola superfuerza.
GALAXIAS
Se acepta que hay unos 10.000 millones de galaxias, cada una con un número equivalente de estrellas. En los observatorios astronómicos se pueden presenciar nacimientos de estrellas
COMPOSICIÓN DEL COSMOS
Hay un tema importante por resolver que es el que la materia visible sea sólo del orden del 5 % del total. Un 65 % es energía oscura que se ha definido para explicar el efecto antigravitatorio afectando al movimiento de las galaxias acelerándolas en su separación relativa muy por encima de lo que sería esperable por la aplicación de la fuerza de la gravedad, según el conocimiento actual, a la materia visible
Como se aprecia en el gráfico de la Nasa, sólo está contenido en lo que se ve el 5 % del total o mejor dicho el 4.7% descontando los neutrinos.
Finalmente ha habido que definir la materia oscura como necesaria para explicar las velocidades de las órbitas de estrellas y nubes de gas respecto a las galaxias. Esta materia podría estar formada por un conjunto de partículas subatómicas que se hubieran formado poco después del big bang.
La alternativa a la definición de esta energía y materia oscura es que la teoría de la gravedad aplicada a grandes distancias no es correcta , lo cual escuece bastante.
De todas formas hace no tanto tiempo se hablaba del “éter”, ya olvidado, como necesario para transmitir la acción de la gravedad a distancia y como vehículo de transmisión de la luz
GENERACION DE CALOR Y ELEMENTOS LIGEROS Y PESADOS
Inicialmente se trató de explicar la producción de todos los núcleos a través del big bang (Gamow, Alpher, Herrman) intentando resolver el problema real de falta de núcleos estables de pesos atómicos 5 a 8, como puente para producir elementos más pesados pero se ha concluído que sólo se pudo producir núcleos de H y He.
Los núcleos del C y más pesados se produjeron y se producen en las estrellas donde la densidad y el tiempo son mayores.
Antes de 1 seg. después del big bang se mantienen las proporciones en equilibrio de protones y neutrones y alrededor de 1seg . la proporción de neutrones a protones se congela a 1/6. p+e- ↔n+ν n+e+↔ p+¯ν
La reacción de un neutrón con un protón para dar un deuterón no se empieza hasta alrededor de 120seg del big bang cuando la temperatura es de 10^9ºK.
La reacción completa utiliza 2 deuterones que dan 1 núcleo de He4 + γ dejando también deuterones sin reaccionar
p+n↔d+γ
Con una relación de neutrones/protones de 1/7 la formación de He es del 25 % en peso que es la que se observa
d+n→H3+γ H3+p→He4+γ d+p →He3+γ He3+n→He4+γ
También se producen:
d+d →He3+n d+d →H3 +p H3+d →He4+n He3+d →He4+p El efecto neto es d+d →He4+γ
En el interior del sol la acción de la gravedad produce presión en el núcleo aumentando la temperatura hasta hacer posible también las reacciones nucleares.
El mecanismo dominante es el de la reacción protón-protón, para dar el núcleo de deuterio, 1 positrón y 1 neutrino, resultado del decaimiento β de un protón al convertirse en neutrón
d + p→ He3 + γ 2 He3 → He4+ 2 p
La reacción conjunta serían de 4 protones dando He4, 2 positrones, 2 neutrinos y 2 fotones de rayos γ . El déficit de masa resultante de la reacción produce a través de su equivalente en energía (E=m.c2) la energía cinética de los productos y contribuye a mantener la radiación de calor al espacio. Otra ruta que se realiza en un 9% se cataliza a través del He4:
He 3 +He 4 → Be 7 + γ. Be 7 → Li 7 +1e+ (positrón) +1ν (neutrino Li 7+ p → He 4 + He 4.
Este último volvería a actuar de catalizador. La temperatura generada en estas reacciones es de 10^7 ºK
El C12 inicial se formaría por la reacción de 3 núcleos de He4 C12+ p→ N13+ γ N13→ C13 +e+ + 1ν por decaimiento β emitiendo un positrón +1 neutrino C13 + p→ N14+ γ N14+p →O15+ γ O15→N15+e+ + 1ν por decaimiento β N15+p→C12+He4 El C12 vuelve a ser utilizado y la reacción completa es la de 4 protones dando el núcleo de Helio 4 (partícula α )
En el sol estamos en esta 1ª fase en la que se utilizan los protones, (núcleos de Hidrógeno) para producir núcleos de He.
Las estrellas más grandes que el sol tienen una duración mucho más corta por la mayor radiación de energía por unidad de masa.
Cuando han consumido la mayor parte de los protones para producir núcleos de helio, como hemos dicho, se pasa a consumir He con temperaturas de 10^8 ºK, produciéndose carbono que a su vez a 5*10^8ºK pasa a producir Oxígeno.
A la temperatura de 1.5*10^9ºK se consume el Oxígeno.
En todas estas reacciones siempre queda parte de los núcleos que se están consumiendo en el ciclo correspondiente, se aumenta la temperatura y se producen elementos cada vez más pesados hasta llegar al Hierro en que la energía de enlace de un nucleón medio es máxima, empezando posteriormente a disminuir por efecto de la fuerza electromagnética entre protones.
Estos metales pesados producidos en las estrellas se envían al espacio durante la destrucción de las mismas.
Hemos dicho que en el caso del sol estamos en la 1ª fase , a la mitad del consumo de núcleos de hidrógeno.
La futura desaparición de vida sobre la Tierra puede estar ligada al agotamiento de los núcleos de Hidrógeno y aumento de la temperatura interior para dar comienzo al ciclo del helio en el sol.
Javier
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Recogemos
aquí el modelo del origen y desarrollo del universo más comúnmente
aceptado por científicos. 
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Al
final de la era cuántica todo el universo ocupaba un espacio menor
que el equivalente a un núcleo atómico del hidrógeno con una
densidad de 10^93.
A medida que
con el tiempo se iba expansionando el universo y se enfriaba, los
materiales solidificables lo hacían en partículas, esparcidas en el
volumen de gases, la gravedad actuaba agrupando la materia en
conglomerados formándose estrellas , galaxias, cúmulos..etc.
En
las estrellas más grandes que el sol, la presión sería mayor en el
centro con lo que la temperatura se eleva y la reacción viene
catalizada por el Carbono 12 según la ruta CNO pudiendo aumentar los
pesos de los núcleos por procesos de absorción de protones y
decaimientos β.
Desde
ese momento los núcleos mayores ya no se producen por adición de
protones sino por neutrones .