Universo | todo el tiempo y el espacio y su contenido

Historia

La gente ha tenido durante mucho tiempo ideas para explicar el Universo. La mayoría de los primeros modelos tenían a la Tierra en el centro del Universo. Esto se conoce como geocentrismo. Algunos antiguos griegos pensaban que el Universo tenía un espacio infinito y que había existido siempre. Pensaban que tenía un conjunto de esferas celestes que correspondían a las estrellas fijas, el Sol y varios planetas. Las esferas giraban en torno a una Tierra redonda pero inmóvil.

A lo largo de cientos de años, las mejores observaciones condujeron al modelo centrado en el Sol de Copérnico, conocido como heliocentrismo. Esto fue muy controvertido en su momento, y fue combatido por las autoridades religiosas, sobre todo por la iglesia cristiana (véase Giordano Bruno y Galileo).

La invención del telescopio en los Países Bajos, en 1608, fue un momento muy importante para la astronomía. A mediados del siglo XIX, los telescopios eran lo suficientemente buenos como para poder ver otras galaxias. El telescopio óptico moderno (que utiliza luz visible) está aún más avanzado. Mientras tanto, Isaac Newton mejoró las ideas sobre la gravedad y la dinámica (ecuaciones) y mostró cómo funcionaba el Sistema Solar.

En la década de 1900, unos telescopios aún mejores llevaron a los astrónomos a darse cuenta de que el Sistema Solar se encuentra en una galaxia formada por miles de millones de estrellas, que llamamos Vía Láctea. También se dieron cuenta de que existen otras galaxias fuera de ella, hasta donde podemos ver. Esto dio comienzo a un nuevo tipo de astronomía llamada cosmología, en la que los astrónomos estudian de qué están hechas estas galaxias y cómo se extienden a través de ellas para poder aprender más sobre la historia del Universo y su funcionamiento. Al medir el desplazamiento al rojo de las galaxias, los cosmólogos pronto descubrieron que el Universo se está expandiendo (véase: Hubble).

Big Bang

El modelo científico más utilizado del Universo se conoce como la teoría del Big Bang, que dice que el Universo se expandió a partir de un único punto que contenía toda la materia y la energía del Universo. Hay muchos tipos de pruebas científicas que apoyan la idea del Big Bang. Los astrónomos creen que el Big Bang ocurrió hace unos 13.730 millones de años, lo que hace que el Universo tenga 13.730 millones de años. Desde entonces, el universo se ha expandido hasta tener un diámetro de al menos 93.000 millones de años luz, o 8,80 ×10 ²⁶metros. En la actualidad sigue expandiéndose, y la expansión es cada vez más rápida.

Sin embargo, los astrónomos aún no están seguros de cuál es la causa de la expansión del universo. Por ello, los astrónomos llaman energía oscura a la misteriosa energía que causa la expansión. Al estudiar la expansión del Universo, los astrónomos también se han dado cuenta de que la mayor parte de la materia del Universo puede tener una forma que no puede ser observada por ningún equipo científico que tengamos. Esta materia ha sido denominada materia oscura. Para que quede claro, la materia y la energía oscuras no se han observado directamente (por eso se llaman "oscuras"). Sin embargo, muchos astrónomos piensan que deben existir, porque muchas observaciones astronómicas serían difíciles de explicar si no existieran.

Algunas partes del universo se expanden incluso más rápido que la velocidad de la luz. Esto significa que la luz nunca podrá alcanzarnos aquí en la Tierra, por lo que nunca podremos ver estas partes del universo. Llamamos universo observable a la parte del universo que podemos ver.

 

Imagen de alta resolución del campo ultra profundo del Hubble. Muestra una variedad de galaxias, cada una de ellas formada por miles de millones de estrellas. El área equivalente del cielo que ocupa la imagen se muestra en la esquina inferior izquierda (recuadro rojo). Las galaxias más pequeñas y rojas, unas 100, son algunas de las más lejanas que se han fotografiado. Se formaron poco después del Big Bang.  

Mitos

La palabra Universo proviene del francés antiguo Univers, que a su vez procede del latín universum. La palabra latina fue utilizada por Cicerón y autores latinos posteriores en muchos de los mismos sentidos en los que se utiliza la palabra inglesa moderna.

Una interpretación diferente (forma de interpretar) de unvorsum es "todo gira como uno" o "todo gira por uno". Esto se refiere a un antiguo modelo griego del Universo. En ese modelo, toda la materia estaba en esferas giratorias centradas en la Tierra; según Aristóteles, la rotación de la esfera más externa era responsable del movimiento y el cambio de todo lo que había dentro. Para los griegos era natural suponer que la Tierra estaba inmóvil y que los cielos giraban en torno a la Tierra, ya que se requieren cuidadosas mediciones astronómicas y físicas (como el péndulo de Foucault) para demostrar lo contrario.

El término más común para "Universo" entre los antiguos filósofos griegos desde Pitágoras en adelante era το παν (El Todo), definido como toda la materia (το ολον) y todo el espacio (το κενον).

Significado más amplio

El significado más amplio del Universo se encuentra en De divisione naturae del filósofo medieval Johannes Scotus Eriugena, que lo definió simplemente como todo: todo lo que existe y todo lo que no existe.

El tiempo no se tiene en cuenta en la definición de Eriúgena; así, su definición incluye todo lo que existe, ha existido y existirá, así como todo lo que no existe, nunca ha existido y nunca existirá. Esta definición omnicomprensiva no fue adoptada por la mayoría de los filósofos posteriores, pero algo similar existe en la física cuántica.

La definición como realidad

Normalmente se piensa que el Universo es todo lo que existe, ha existido y existirá. Esta definición dice que el Universo está formado por dos elementos: el espacio y el tiempo, conocidos conjuntamente como espacio-tiempo o el vacío; y la materia y las diferentes formas de energía y momento que ocupan el espacio-tiempo. Los dos tipos de elementos se comportan según las leyes físicas, en las que se describe cómo interactúan los elementos.

Una definición similar del término universo es todo lo que existe en un solo momento del tiempo, como el presente o el principio del tiempo, como en la frase "El universo era de tamaño 0".

En el libro de Aristóteles La Física, Aristóteles dividió el το παν (todo) en tres elementos aproximadamente análogos: la materia (la materia de la que está hecho el Universo), la forma (la disposición de esa materia en el espacio) y el cambio (cómo se crea, se destruye o se alteran las propiedades de la materia y, del mismo modo, cómo se altera la forma). Las leyes físicas eran las reglas que regían las propiedades de la materia, la forma y sus cambios. Filósofos posteriores como Lucrecio, Averroes, Avicena y Baruch Spinoza alteraron o refinaron estas divisiones. Por ejemplo, Averroes y Spinoza tienen principios activos que gobiernan el Universo y que actúan sobre elementos pasivos.

Definiciones espacio-temporales

Es posible formar espacios-tiempo, cada uno de los cuales existe pero no puede tocarse, moverse o cambiar (interactuar con los demás). Una forma fácil de pensar en esto es un grupo de burbujas de jabón separadas, en las que las personas que viven en una burbuja de jabón no pueden interactuar con las de otras burbujas de jabón. Según una terminología común, cada "burbuja de jabón" del espacio-tiempo se denota como un universo, mientras que nuestro espacio-tiempo particular se denota como el Universo, al igual que llamamos a nuestra luna la Luna. El conjunto de estos espacio-tiempos separados se denota como el multiverso. En principio, los otros universos no conectados pueden tener diferentes dimensionalidades y topologías del espacio-tiempo, diferentes formas de materia y energía, y diferentes leyes físicas y constantes físicas, aunque estas posibilidades son especulaciones.

La realidad observable

Según una definición aún más restrictiva, el Universo es todo lo que se encuentra dentro de nuestro espacio-tiempo conectado y que podría tener la posibilidad de interactuar con nosotros y viceversa.

Según la idea general de la relatividad, es posible que algunas regiones del espacio no interactúen nunca con la nuestra ni siquiera durante la vida del Universo, debido a la velocidad finita de la luz y a la continua expansión del espacio. Por ejemplo, los mensajes de radio enviados desde la Tierra podrían no llegar nunca a algunas regiones del espacio, aunque el Universo existiera eternamente; el espacio podría expandirse más rápido de lo que la luz puede atravesarlo.

Merece la pena subrayar que se considera que esas regiones distantes del espacio existen y forman parte de la realidad tanto como nosotros; sin embargo, nunca podemos interactuar con ellas, ni siquiera en principio. La región espacial dentro de la cual podemos afectar y ser afectados se denota como el universo observable.

En sentido estricto, el Universo observable depende de la ubicación del observador. Al viajar, un observador puede entrar en contacto con una región mayor del espacio-tiempo que un observador que permanece quieto, de modo que el Universo observable para el primero es mayor que para el segundo. Sin embargo, incluso el viajero más rápido puede no ser capaz de interactuar con todo el espacio. Normalmente, el "Universo observable" es el Universo visto desde nuestro punto de vista en la Vía Láctea.

 

Datos básicos sobre el Universo

El Universo es enorme y posiblemente de volumen infinito. La materia que se puede ver está repartida en un espacio de al menos 93.000 millones de años luz. A modo de comparación, el diámetro de una galaxia típica es de sólo 30.000 años luz, y la distancia típica entre dos galaxias vecinas es de sólo 3 millones de años luz. Como ejemplo, nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene un diámetro de unos 100.000 años luz, y nuestra galaxia hermana más cercana, la galaxia de Andrómeda, se encuentra a unos 2,5 millones de años luz. El Universo observable contiene más de 2 billones (10¹² ) de galaxias y, en conjunto, hasta un número estimado de 1×10²⁴ estrellas (más estrellas que todos los granos de arena del planeta Tierra).

Las galaxias típicas van desde galaxias enanas con tan sólo diez millones (10⁷ ) de estrellas hasta gigantes con un billón (10¹² ) de estrellas, todas ellas orbitando el centro de masa de la galaxia. Así, una estimación muy aproximada a partir de estas cifras sugeriría que hay alrededor de un sextillón (10²¹ ) de estrellas en el Universo observable; aunque un estudio realizado en 2003 por astrónomos de la Universidad Nacional de Australia dio como resultado una cifra de 70 sextillones (7 x 10²² ).

La materia que se puede ver está repartida por todo el Universo cuando se promedia en distancias superiores a los 300 millones de años luz. Sin embargo, en escalas de longitud más pequeñas, se observa que la materia forma "cúmulos", muchos átomos se condensan en estrellas, la mayoría de las estrellas en galaxias, la mayoría de las galaxias en grupos y cúmulos de galaxias y, por último, las estructuras de mayor escala, como la Gran Muralla de galaxias.

La densidad global actual del Universo es muy baja, aproximadamente 9,9 × 10⁻³⁰ gramos por centímetro cúbico. Esta masa-energía parece estar formada por un 73% de energía oscura, un 23% de materia oscura fría y un 4% de materia ordinaria. La densidad de los átomos es de aproximadamente un átomo de hidrógeno por cada cuatro metros cúbicos de volumen. Se desconocen las propiedades de la energía oscura y de la materia oscura. La materia oscura ralentiza la expansión del Universo. La energía oscura acelera su expansión.

El Universo es viejo, y está cambiando. La mejor estimación de la edad del Universo es de 13.798±0.037 mil millones de años, basada en lo que se ha visto de la radiación cósmica de fondo de microondas. Las estimaciones independientes (basadas en mediciones como la datación radiactiva) coinciden, aunque son menos precisas, y oscilan entre 11 y 20 mil millones de años. y 13-15 mil millones de años.

El Universo no ha sido el mismo en todo momento de su historia. Este aumento de tamaño explica que los habitantes de la Tierra puedan ver la luz de una galaxia situada a 30.000 millones de años luz, aunque esa luz haya viajado sólo 13.000 millones de años; el propio espacio entre ellas se ha expandido. Esta expansión es coherente con la observación de que la luz de las galaxias lejanas se ha desplazado al rojo; los fotones emitidos se han estirado hasta alcanzar longitudes de onda más largas y una frecuencia más baja durante su viaje. El ritmo de esta expansión espacial se está acelerando, según los estudios de las supernovas de tipo Ia y otros datos.

Las cantidades relativas de los distintos elementos químicos -especialmente los átomos más ligeros como el hidrógeno, el deuterio y el helio- parecen ser idénticas en todo el Universo y a lo largo de toda su historia que conocemos. El Universo parece tener mucha más materia que antimateria. El Universo parece no tener carga eléctrica neta. La gravedad es la interacción dominante en las distancias cosmológicas. El Universo tampoco parece tener momento neto ni momento angular. La ausencia de carga y momento netos es esperable si el Universo es finito.

El Universo parece tener un continuo espacio-tiempo liso formado por tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal (tiempo). Por término medio, el espacio es muy casi plano (cercano a la curvatura cero), lo que significa que la geometría euclidiana es experimentalmente cierta con gran precisión en la mayor parte del Universo. Sin embargo, el Universo puede tener más dimensiones, y su espaciotiempo puede tener una topología global de múltiples conexiones.

El Universo tiene las mismas leyes físicas y constantes físicas en todo momento. Según el Modelo Estándar de la física imperante, toda la materia está compuesta por tres generaciones de leptones y quarks, ambos fermiones. Estas partículas elementales interactúan a través de un máximo de tres interacciones fundamentales: la interacción electrodébil, que incluye el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil; la fuerza nuclear fuerte, descrita por la cromodinámica cuántica; y la gravedad, que se describe mejor en la actualidad mediante la relatividad general.

La relatividad especial se mantiene en todo el Universo en el espacio y tiempo locales. En caso contrario, se sostiene la relatividad general. No hay explicación para los valores particulares que parecen tener las constantes físicas en todo nuestro Universo, como la constante de Planck h o la constante gravitatoria G. Se han identificado varias leyes de conservación, como la conservación de la carga, la conservación del momento, la conservación del momento angular y la conservación de la energía.

 

Se cree que el Universo está formado en su mayor parte por energía y materia oscura, ninguna de las cuales se comprende ahora mismo. Menos del 5% del Universo es materia ordinaria.  


Las partículas elementales a partir de las cuales se construye el Universo. Seis leptones y seis quarks componen la mayor parte de la materia; por ejemplo, los protones y neutrones de los núcleos atómicos están compuestos de quarks, y el omnipresente electrón es un leptón. Estas partículas interactúan a través de los bosones gauge mostrados en la fila central, cada uno de los cuales corresponde a un tipo particular de simetría gauge. Se cree que el bosón de Higgs confiere masa a las partículas con las que está conectado. El gravitón, un supuesto bosón gauge para la gravedad, no se muestra.  

Modelos teóricos

Teoría general de la relatividad

Las predicciones precisas sobre el pasado y el futuro del Universo requieren una teoría exacta de la gravitación. La mejor teoría disponible es la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que ha superado todas las pruebas experimentales hasta ahora. Sin embargo, dado que no se han llevado a cabo experimentos rigurosos en escalas de longitud cosmológicas, es posible que la relatividad general sea inexacta. No obstante, sus predicciones parecen ser coherentes con las observaciones, por lo que no hay razón para adoptar otra teoría.

La relatividad general proporciona un conjunto de diez ecuaciones diferenciales parciales no lineales para la métrica del espacio-tiempo (las ecuaciones de campo de Einstein) que deben resolverse a partir de la distribución de masa-energía y momento en todo el Universo. Dado que se desconocen los detalles exactos, los modelos cosmológicos se han basado en el principio cosmológico, que afirma que el Universo es homogéneo e isótropo. En efecto, este principio afirma que los efectos gravitatorios de las distintas galaxias que componen el Universo son equivalentes a los de un fino polvo distribuido uniformemente por todo el Universo con la misma densidad media. La suposición de un polvo uniforme facilita la resolución de las ecuaciones de campo de Einstein y la predicción del pasado y el futuro del Universo en escalas de tiempo cosmológicas.

Las ecuaciones de campo de Einstein incluyen una constante cosmológica (Lamda: Λ), que está relacionada con una densidad de energía del espacio vacío. Según su signo, la constante cosmológica puede ralentizar (Λ negativa) o acelerar (Λ positiva) la expansión del Universo. Aunque muchos científicos, incluido Einstein, habían especulado que la Λ era nula, recientes observaciones astronómicas de supernovas de tipo Ia han detectado una gran cantidad de energía oscura que acelera la expansión del Universo. Los estudios preliminares sugieren que esta energía oscura está relacionada con un Λ positivo, aunque todavía no se pueden descartar teorías alternativas.

El modelo del Big Bang

El modelo del Big Bang que prevalece explica muchas de las observaciones experimentales descritas anteriormente, como la correlación de la distancia y el corrimiento al rojo de las galaxias, la proporción universal de átomos de hidrógeno:helio y el fondo de radiación de microondas ubicuo e isotrópico. Como se ha señalado anteriormente, el corrimiento al rojo surge de la expansión métrica del espacio; a medida que el propio espacio se expande, la longitud de onda de un fotón que viaja por el espacio también aumenta, disminuyendo su energía. Cuanto más tiempo lleva viajando un fotón, más expansión ha sufrido; por ello, los fotones más antiguos procedentes de galaxias más lejanas son los más desplazados al rojo. Determinar la correlación entre la distancia y el corrimiento al rojo es un problema importante en la cosmología física experimental.

Otras observaciones experimentales pueden explicarse combinando la expansión global del espacio con la física nuclear y la física atómica. A medida que el Universo se expande, la densidad energética de la radiación electromagnética disminuye más rápidamente que la de la materia, ya que la energía de un fotón disminuye con su longitud de onda. Así, aunque la densidad de energía del Universo está ahora dominada por la materia, antes estaba dominada por la radiación; poéticamente hablando, todo era luz. A medida que el Universo se expandía, su densidad energética disminuía y se enfriaba; al hacerlo, las partículas elementales de la materia podían asociarse de forma estable en combinaciones cada vez más grandes. Así, en la primera parte de la era dominada por la materia, se formaron protones y neutrones estables, que luego se asociaron en núcleos atómicos. En esta etapa, la materia del Universo era principalmente un plasma caliente y denso de electrones negativos, neutrinos neutros y núcleos positivos. Las reacciones nucleares entre los núcleos condujeron a las actuales abundancias de los núcleos más ligeros, en particular el hidrógeno, el deuterio y el helio. Finalmente, los electrones y los núcleos se combinaron para formar átomos estables, que son transparentes a la mayoría de las longitudes de onda de la radiación; en este punto, la radiación se desacopló de la materia, formando el fondo ubicuo e isotrópico de la radiación de microondas que se observa hoy en día.

Otras observaciones no encuentran una respuesta clara en la física conocida. Según la teoría predominante, un ligero desequilibrio de materia sobre antimateria estaba presente en la creación del Universo, o se desarrolló muy poco después. Aunque la materia y la antimateria se aniquilaron en su mayoría, produciendo fotones, un pequeño residuo de materia sobrevivió, dando lugar al actual Universo dominado por la materia.

Varias líneas de evidencia también sugieren que una rápida inflación cósmica del Universo ocurrió muy temprano en su historia (aproximadamente 10⁻³⁵ segundos después de su creación). Las observaciones recientes también sugieren que la constante cosmológica (Λ) no es cero, y que el contenido neto de masa-energía del Universo está dominado por una energía y una materia oscuras que no han sido caracterizadas científicamente. Se diferencian por sus efectos gravitatorios. La materia oscura gravita como la materia ordinaria y, por tanto, ralentiza la expansión del Universo; por el contrario, la energía oscura sirve para acelerar la expansión del Universo.

La hipótesis del multiverso

Algunas personas piensan que hay más de un universo. Piensan que existe un conjunto de universos llamado multiverso. Por definición, no hay forma de que algo en un universo afecte a algo en otro. El multiverso no es todavía una idea científica porque no hay forma de probarla. Una idea que no se puede probar o que no se basa en la lógica no es ciencia. Así que no se sabe si el multiverso es una idea científica.

 

Principales reacciones nucleares responsables de las cantidades relativas de núcleos atómicos ligeros observados en el Universo.  

Futuro

Este es un tema científico llamado "El destino final del universo". Es un tema de cosmología. Existen posibles escenarios para su evolución. La cuestión básica es si su existencia es finita o infinita.

El futuro del Universo es un misterio. Sin embargo, hay un par de teorías basadas en las posibles formas del Universo:

• Si el Universo es una esfera cerrada, dejará de expandirse. El Universo hará lo contrario y se convertirá en una singularidad para otro Big Bang. Esta es la teoría del Big Crunch o Gran Rebote.
• Si el Universo es una esfera abierta, se acelerará la expansión. Después de 22.000.000.000 (22.000 millones) de años, el Universo se desgarrará con la fuerza. Esta es la teoría del Big Rip.
• Si el Universo es plano, se expandirá para siempre. Todas las estrellas perderán su energía.
• Después de un googol de años, los agujeros negros también desaparecerán. Esta es la teoría de la muerte por calor del Universo, o Big Freeze.
• Podría aparecer un "cerebro de Boltzmann" fortuito, y las fluctuaciones cuánticas aleatorias y la tunelización cuántica podrían generar un nuevo Big Bang después de un tiempo increíble. A lo largo de un tiempo infinito también podría producirse una disminución de la entropía por el teorema de recurrencia de Poincaré o por fluctuaciones térmicas.

Existe un fuerte consenso entre los cosmólogos de que la forma del universo se considera "plana" (las líneas paralelas permanecen paralelas) y seguirá expandiéndose para siempre.

 

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