Según la teoría del Big Bang, el Universo se originó
en una singularidad espaciotemporal de densidad infinita matemáticamente
paradójica. El espacio se ha expandido desde entonces, por lo que los objetos
astrofísicos se han alejado unos respecto de los otros.
En cosmología
física, la teoría del Big Bang o teoría de la gran explosión es
un modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y su
desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal.
Técnicamente, este modelo se basa en una colección de soluciones de las
ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann- Lemaître -
Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para
referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión
observable del Universo (cuantificada en la ley de Hubble), como en un sentido
más general para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución
del mismo.
Curiosamente, la
expresión Big Bang proviene 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.
La idea central
del Big Bang es que la teoría de la relatividad general puede combinarse con
las observaciones de isotropía y homogeneidad a gran escala de la distribución
de galaxias y los cambios de posición entre ellas, permitiendo extrapolar las
condiciones del Universo antes o después en el tiempo.
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 más tarde
sería bautizado como radiación de fondo de microondas.
Basándose en
medidas de la expansión del Universo utilizando observaciones de las supernovas
tipo 1a, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en
la radiación de fondo de microondas y en función de la correlación de las
galaxias, la edad del Universo es de aproximadamente 13,7 ± 0,2 miles de millones de
años. Es notable el hecho de que tres mediciones independientes sean
consistentes, por lo que se consideran una fuerte evidencia del llamado modelo
de concordancia que describe la naturaleza detallada del Universo.
El universo en sus
primeros momentos estaba lleno homogénea e isótropamente de una energía muy
densa y tenía una temperatura y presión concomitantes. Se expandió y se enfrió,
experimentando cambios de fase análogos a la condensación del vapor o a la
congelación del agua, pero relacionados con las partículas elementales.
Aproximadamente 10-35
segundos después del tiempo de Planck un cambio de fase causó que el Universo
se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación
cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del Universo
quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes
que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento
en tamaño del Universo, la temperatura descendió, y debido a un cambio aún
desconocido denominado bariogénesis, los quarks y los gluones se combinaron en
bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la
asimetría observada actualmente entre la materia y la antimateria. Las
temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron
la simetría, así que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de
la física y a las partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se
combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso
llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse
el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su
densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación.
Pasados 300.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar
los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). Por eso, la radiación se desacopló
de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es
la radiación de fondo de microondas.
Al pasar el
tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi
uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas,
formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas
que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la
cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se
denominan materia oscura fría, materia oscura caliente y materia bariónica. Las
mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más
común de materia en el universo es la materia oscura fría. Los otros dos tipos
de materia sólo representarían el 20 por ciento de la materia del Universo.
El Universo actual
parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía
oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo
actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente
del universo es el hecho de que provoca que la expansión del universo varíe de
una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo
se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía
oscura toma la forma de una constante cosmológica en las ecuaciones de campo de
Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta ecuación de
estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas
continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por
medio de observaciones.
Más misterios
aparecen cuando se investiga más cerca del principio, cuando las energías de
las partículas eran más altas de lo que ahora se puede estudiar mediante
experimentos. No hay ningún modelo físico convincente para el primer 10-33
segundo del universo, antes del cambio de fase que forma parte de la teoría de
la gran unificación. En el "primer instante", la teoría gravitacional
de Einstein predice una singularidad gravitacional en donde las densidades son
infinitas. Para resolver esta paradoja física, hace falta una teoría de la gravedad
cuántica. La comprensión de este período de la historia del universo figura
entre los mayores problemas no resueltos de la física.
Base teórica
En su forma
actual, la teoría del Big Bang depende de tres suposiciones:
- La universalidad de las leyes de la física, en particular de la teoría de la relatividad general
- El principio cosmológico
- El principio de Copérnico
Inicialmente, estas tres ideas fueron tomadas como
postulados, pero actualmente se intenta verificar cada una de ellas. La
universalidad de las leyes de la física ha sido verificada al nivel de las más
grandes constantes físicas, llevando su margen de error hasta el orden de 10-5.
La isotropía del universo que define el principio cosmológico ha sido
verificada hasta un orden de 10-5
El Big Bang no
es una explosión de materia que se aleja para llenar un universo vacío; es el
espacio-tiempo el que se extiende. Y, es
su expansión la que causa el incremento de la distancia física entre dos puntos
fijos en nuestro universo. Cuando los objetos están ligados entre ellos (por
ejemplo, por una galaxia), no se alejan con la expansión del espacio-tiempo,
debido a que se asume que las leyes de la física que los gobiernan son
uniformes e independientes del espacio métrico. Más aún, la expansión del
universo en las escalas actuales locales es tan pequeña que cualquier
dependencia de las leyes de la física en la expansión no sería medible con las
técnicas actuales
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