2007/05/15

Los tres primeros minutos del universo

Este es el título de un clásico de la divulgación científica. El Premio Nobel de Física de 1979 y profesor de la Universidad de Harvard Steven Weinberg nos explica en unos cuantos "fotogramas" la evolución de los tres primeros minutos del universo, previa introducción sobre la expansión del universo y sobre el fondo de radiación. Sus conocimientos sobre el microcosmos, sobre las partículas más pequeñas que forman la materia, nos abren las puertas a un espectáculo grandioso y único. Admite que no se puede empezar la "película" en el tiempo cero y con temperatura infinita, pero las cosas parecen bastante claras ya en el:

Primer fotograma: Cuando apenas ha transcurrido una centésima de segundo y la temperatura se ha enfriado hasta unos cien mil millones de grados Kelvin o absolutos ( el cero está sobre los -273 ºC), el universo está lleno de una sopa indiferenciada de materia y radiación, en estado de casi perfecto equilibrio térmico. Las partículas que más abundan son el electrón y su antipartícula, el positrón, fotones, neutrinos y antineutrinos. El universo es tan denso que incluso los huidizos neutrinos, que apenas interactúan con la materia, se mantienen en equilibrio térmico con el resto de la materia y radiación debido a sus rápidas colisiones. La densidad de la masa-energía en ese momento es del orden de 3,8 mil millones de veces la densidad del agua en condiciones terrestres normales. El tiempo característico de expansión del universo es de 0,02 segundos y el número de partículas nucleares (protones y neutrones) es del orden de un nucleón por 1000 millones de fotones, electrones o neutrinos. Las reacciones más importantes son: (a)Un antineutrino más un protón dan un positrón más un neutrón y viceversa.(b) Un neutrino más un neutrón dan un electrón más un protón y a la inversa.

Segundo fotograma: La temperatura ahora es de 30.000 millones de grados Kelvin y desde el primer fotograma han pasado 0,11 segundos. Nada ha cambiado cualitativamente, aunque la densidad de la energía ha disminuido con la cuarta potencia de la temperatura y el ritmo de expansión ha disminuido con su cuadrado. El tiempo característico de expansión es ahora de 0,2 segundos y las partículas nucleares todavía no se hallan ligadas a núcleos, aunque con la caída de la temperatura es ahora más fácil que los neutrones, más pesados, se conviertan en protones que al revés. Su balance es del 38% de neutrones por el 62% de protones.

Tercer fotograma: La temperatura del universo es de 10.000 millones de grados Kelvin. desde el primer fotograma han pasado 1,09 segundos y la densidad y la temperatura han aumentado el tiempo libre medio de los neutrinos y antineutrinos que empiezan a desacoplarse de la radiación, electrones y positrones y a comportarse como partículas libres. La densidad total de la energía es menor que en el fotograma anterior en la cuarta potencia de la razón de las temperaturas, por lo que viene a ser unas 380.000 veces mayor que la del agua. El tiempo característico de expansión es ahora de unos 2 segundos y los positrones y electrones comienzan a aniquilarse con mayor rapidez de la que pueden ser recreados a partir de la radiación. Todavía no se pueden formar núcleos estables, y la proporción neutrón-protón es ahora 24-76 %.

Cuarto fotograma: La temperatura es ahora de 3.000 millones de grados Kelvin, han pasado 13,82 segundos del primer fotograma y los electrones y positrones empiezan a desaparecer como componentes destacados del universo. El universo está lo bastante frío para que se formen diversos núcleos estables, como el helio común formado por dos protones y dos neutrones (He4). Los neutrones aún se convierten en protones, aunque más lentamente. La proporción de nucleones es ahora del 17% de nuetrones y del 83% de protones.

Quinto fotograma: La temperatura es de 1.000 millones de grados, sólo 70 veces más caliente que el Sol.Desde la primera imagen han pasado tres minutos y dos segundos. Los electrones y positrones han desaparecido, en su mayor parte, y los principales componentes del universo son ahora fotones, neutrinos y antineutrinos. Ahora el universo está lo suficientemente frío para que se mantengan unidos los núcleos del tritio y helio tres, así como los del helio ordinario, pero no se pueden formar, todavía, cantidades apreciables de núcleos más pesados. El balance neutrón-protón es ahora del 14-86 %.

Un poco más tarde: A los tres minutos y cuarenta y seis segundos del primer fotograma, la temperatura es de 900 millones de grados Kelvin y comienza la nucleosíntesis, la proporción en peso de helio es ya el doble de la proporción de neutrones entre las partículas nucleares, es decir del orden del 26%. A los 34 minutos y cuarenta segundos del primer fotograma (300 millones de grados) los procesos nucleares se han detenido y las partículas nucleares están ahora en su mayoría ligadas a núcleos de helio o son protones libres. hay un electrón por cada protón libre o ligado, pero la temperatura es todavía alta para que formen átomos estables.

Durante 700.000 años más el universo seguirá expandiendose y enfriándose, pero no ocurrirá nada de interés.Después podrán formarse núcleos y átomos estables y la falta de electrones libres hará que el contenido del universo sea transparente a la radiación. El desacoplamento de la materia y la radiación permitirá a la materia comenzar a crear galaxias y estrellas."Después de otros 10.000 millones de años, aproximadamente, los seres vivos comenzarán a reconstruir esta historia".

El primer fotograma podría resumirse como:" Al principio fue la luz". La radiación (luz) y la materia en equilibrio térmico y estado indiferenciado. Es la impresión más fuerte que guardo de cuando leí el libro la primera vez.


Libro:
"Los tres primeros minutos del universo". Steven Weinberg. Madrid 1980. Alianza Universidad.
Nota: La segunda figura es el mapa de las anisotropías del fondo de radiación cósmica.

14 comentarios:

mimetist dijo...

Muy interesante, como siempre :) Otro libro que añadir a mi lista de obligatorios :)

Voy a hacerte, si me lo permites, una pregunta que muy posiblemente te pueda parecer estúpida... pero al leer el artículo me ha intrigado sumamente y creo que es mejor deshacerme de las dudas cuanto antes :)

¿Está descartada la existencia de partículas "más grandes" en éstos primeros momentos?.

Mientras leía sobre los enormes descensos de temperatura y sobre la densidad masa-energía, me surge la duda de ¿a dónde va esa enorme cantidad de energía? ¿no podría haberse "almacenado" formando partículas de masa superior a las citadas?

Como digo, quizá resulte una estupidez para los versados... en cualquier caso, gracias por la ayuda y por artículos tan buenos como éste!!

Salu2!!

Sergio L. Palacios dijo...

Un resumen muy bueno de un libro también muy bueno. Enhorabuena.

Una pregunta muy interesante que puede surgir al leer el libro de Weinberg y que está de moda actualmente es la cuestión de la antimateria. ¿Por qué parece ser que la cantidad de materia es abrumadoramente mayor que la cantidad de materia que podemos observar en el Universo? ¿En qué momento del Big Bang sucedió esto y cuáles fueron las razones?

Por último (y fuera de tema). Creo que en el lenguaje de la Física no está permitido decir " 20.000 grados Kelvin", sino que se dice simplemente "20.000 kelvin (y con minúscula)".

Sergio L. Palacios dijo...

Pido perdón por la errata de mi comentario anterior. Cuando hago la primera pregunta he puesto dos veces la palabra "materia". Evidentemente, la primera debe ser "materia" y la segunda "antimateria".

Salvador dijo...

Entonces, Sergio, tendremos que corregir lo de los grados Kelvin un centenar de veces, también, en el libro.

Un saludo.

Sergio L. Palacios dijo...

El libro de Weinberg fue publicado por primera vez en 1977. Sin embargo, la 13 Conferencia General de Pesos y Medidas del año 1968 derogaba el término "grados Kelvin", sustituyéndolo por "kelvin (en minúscula)". A pesar de ello, permitieron el empleo de la terminología antigua. Sin embargo, en el año 1980 la Conferencia Internacional de Pesos y Medidas decidió eliminar definitivamente los "grados Kelvin" y adoptar los "kelvin" a secas. Quizá esta sea la razón de por qué el libro de Weinberg aún emplea la terminología antigua. De todas formas, las ediciones en español posteriores a 1980 deberían de estar al tanto de estos hechos. Por lo visto, esto no es así. Si hay que corregir cientos de veces el libro, se hace. Habrá que escribirle al traductor y al editor ;-)

Anónimo dijo...

ralmente cosas como esta me interesa mucho, pero me doy cuenta que aun me falta mucho por aprender, seria genial poder recibir mas de sus comentarios de este tipo , me gustaria hacer una pregunta espero no sonor estupido ¿cabe la posibilidad de que exista un ente inteligente capaz de accionar todo este movimiento cosmico? jorge flores

jorge2d25@hotmail.com

Anónimo dijo...

muy interesante.los tres primeros minutos del universo... pero y antes .... -tres minutos.. que era?

Anónimo dijo...

he perdido el libro, pero lo tenia hace años.

Recuerdo ua cosa que venia, que me llamo poderosamente la atencion.

Cuando empezo la nucelosintesis, cuando empezo a formarse helio tras el hidrogeno, se hubieran seguido agrupando los nucleos y creando atomos de mas nivel, sodio, carbono, etc.

Pues bien ¿Que detuvo eso?.

¿Que podia detener ese proceso, y permitir que el 30% de materia formada fuera helio, y el 70%, hidrogeno?.

¿Y, gracias a eso, permitir un unvierso donde surgieran estrellas, y por tanto, vida, y no un universo oscuro lleno de sodio, carbono, etc?.

Steven calculó que cantidad de radiacion deberia haber hecho falta, justo en ese momento, para detener el proceso de 'cocion nuclear'.

Y el 'resto' que debia de quedar de esa 'radaicion salvadora'.

Coindidia con el fondo de microondas medido hoy dia.

La radiacion que vemos hoy dia NO es de 'la explosion original', sino de la que de pronto, aparecio, justo en el preciso momento (Cuando ya habia helio e hidrogeno), para hacer posible un universo con vida, y no un universo lleno de materia (Carbono, hierro, sodio, cobre, etc), pero muerto.

¿De donde salio esa radiacion que salvo al universo?. Misterio.

Esto lo descubri gracias a este libro.

Gracias, Don Steven W.

Saludos

(Javier, ajmm@arrakis.es)

Anónimo dijo...

Hola, me interesa mucho este tema, quiero saber si este libro es divulgativo para todos los publicos o es por el contrario demasiado tecnico

Salvador dijo...

Se puede leer bien sin ser ningún especialista. Un saludo.

a.st.sup@gmail.com dijo...

El libro es muy interesante, sin duda, porque además su autor es un físico, premio Nobel de gran prestigio merecido y de él se pueden entresacar conclusiones didácticas importantes... No obstante, debe tenerse en cuenta que la física es una ciencia muy especulativa en la que los nuevos descubrimientos sugieren nuevas teorías... y esto no acabará nunca... No creo que se pueda uno ni aproximar nunca al conocimiento del principio del universo... El "tiempo", como medio de entendimiento divulgativo, está bien aplicado pero en la teorías físicas, ese concepto en si no existe, salvo que esté asociado al espacio o a otro conceptos mucho mas abstractos... Los conceptos de dimensiones no son los percibidos por nuestros sentidos.... y podríamos decir que seguramente existen muchas dimensiones... lo que daría lugar a otras tantas teorías modernas de las partículas elementales, como la de las supercuerdas. Mi conclusión es que el libro descubre al lector menos versado unos fenómenos espectaculares... pero nada mas... Es demasiado arriesgado afirmar que así ocurrieron las cosas....

l rashel dijo...

bellisimo estuve tomando ayahuazca en la selva asi me entere que provenia de alnilam (cinturon de perlas)estrella media de orion y ahora me intereso por saberlo todo sobre el universo y como llegue hasta aqui somos polvo de estrella es cierto...buscando buscando di con esta informacion este mundo es maravilloso solo el amor y la armonia y la felicidad son la estratejia..jay lemuria..gracias

l rashel loor rodriguez
ecuador.

raul dijo...

En respuesta a mimetist Pues la fisica moderna tiene un modelo estandar de particulas, donde se encuentran los quarks y los leptones cada una de estas particulas cumpl e una funcion, y hasta hace poco estaba incompleto, pero ya se encontro el boson de higgs, el suponer la esxistencia de otras particulas supondria que el modelo estandar y las bases de la fisica moderna estem erroneas.

Anónimo dijo...

muy bien