En busca de los orígenes del Big Bang

Investigadores del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid están dedicando sus esfuerzos al desarrollo de un modelo que permita la comprensión del fenómeno que dio lugar al Big Bang.

La teoría del Big Bang describe correctamente la evolución del Universo desde una pequeña fracción de segundo hasta la actualidad. Sin embargo, no es capaz en sí misma de explicar el propio Big Bang, el origen de toda la radiación y la materia que permean el Universo. Las modernas teorías cosmológicas proponen que el Universo primitivo se expandió aceleradamente gracias a un proceso conocido como inflación cósmica, un período en el que una enorme densidad de energía actuó como motor de la expansión.

Al finalizar el proceso inflacionario, el Universo quedó vacío de partículas, y la única energía remanente era la del campo responsable de la propia inflación. Pues bien, se denomina recalentamiento al proceso que ocurre justo al finalizar la etapa inflacionaria, en el que la energía responsable de la inflación se convierte en toda clase de partículas elementales, las cuales constituyen la materia y la radiación que observamos en el Universo. El problema es que aún se desconoce la naturaleza del inflatón – el campo responsable del proceso inflacionario – y, desafortunadamente, el recalentamiento depende crucialmente de conocer los detalles de dicho campo.

Aunque se desconocen las características del inflatón, se supone que su dinámica está determinada por procesos de altas energías descritos por la física de partículas. En estos momentos se están realizando experimentos de colisiones de partículas a altas energías en grandes aceleradores como el LHC en el CERN (Ginebra), en búsqueda de los constituyentes fundamentales de la naturaleza y, en particular, del último eslabón del Modelo Estándar de Partículas, el bosón de Higgs.

El Higgs es un campo escalar cuya existencia es una suposición de la teoría que aún no ha sido confirmada y, en particular, se desconoce si su interacción gravitacional es igual a la del resto de las partículas. Utilizando dicha libertad, recientemente un grupo de la Universidad de Lausanne (Suiza) propuso un modelo en el que el Higgs podría ser responsable de generar la Inflación cósmica, siempre que éste poseyera un acoplo gravitacional no estándar. De esta manera, encontraron una correspondencia entre las recientes observaciones cosmológicas y los inminentes experimentos del CERN. En concreto, las propiedades estadísticas de las anisotropías observadas en el fondo de radiación imponen restricciones sobre la masa del bosón de Higgs, lo que podría ser testado en el LHC. Las conexiones entre el Universo primitivo y los experimentos de partículas son muy valiosas pues permiten acotar mejor las teorías físicas sobre el origen del Universo.

En un trabajo reciente, publicado en la revista americana Physical Review D, el grupo de investigación compuesto por Daniel G. Figueroa, Javier Rubio y Juan García-Bellido, del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, estudió las consecuencias que dicho modelo tendría para el origen de la radiación y la materia en el Big Bang. Al final del proceso inflacionario, el campo del Inflatón – el Higgs en este caso -, terminaría convirtiendo su enorme densidad de energía en radiación y materia, la cuál alcanzaría más tarde el equilibrio térmico. Dicho proceso de creación de partículas, es muy complejo de tratar matemáticamente y, a partir de un cierto momento, el problema debe ser introducido en un ordenador.

La investigación llevada a cabo por este grupo ha consistido precisamente en desarrollar el formalismo matemático y la fenomenología física del proceso, hasta el momento, en el cuál la evolución del plasma de partículas creado se vuelve demasiado complicada como para seguir tratándola analíticamente. Estos investigadores han sido capaces de calcular cuál es la distribución de energía de todas las partículas del Modelo Estándar creadas en este proceso. Pero aún queda por saber cómo ese plasma de partículas, que está fuera del equilibrio, evoluciona en el tiempo hasta que las distribuciones de todas las partículas adquieren una temperatura común. Cuando se alcanzase dicha temperatura, ese momento representaría el comienzo de la evolución térmica del Universo descrita por la teoría del Big Bang.

Puesto que se conocen todas las interacciones del Higgs con el resto de partículas elementales, en principio se debería ser capaz de entender dicho fenómeno de termalización, y predecir así el instante en la evolución del Universo en el que éste adquirió una temperatura común por primera vez. Si se consigue entender dicho proceso, se habrá comprendido de dónde ha salido toda la materia y la radiación del Universo. Lo impresionante de este nuevo modelo es que, al proponer que el campo del inflatón es el bosón de Higgs, se pueden contrastar las predicciones que hace el modelo sobre el recalentamiento del Universo primitivo, con las observaciones cosmológicas y los datos de los aceleradores de partículas.


Fecha Original: 21 de septiembre de 2009
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Comments (10)

  1. [...] un período en el que una enorme densidad de energía actuó como motor de la expansión. Visto en: http://www.cienciakanija.com/2009/09/22/en-busca-de-los-origenes-del-big-bang/ 4 comentarios en: cultura, ciencia karma: 49 etiquetas: ciencia, astrofísica, astronomía [...]

  2. La Teoría M de Edward Witten, un paso más allá de la teoría de Supercuerdas que unificaba las 5 versiones existentes, explica el origen del Big Bang como un momento de colisión entre Membranas (branas multidimensionales formadas por cuerdas). Vean el documental El Universo Elegante y comprobarán que esta es una de las teorías más capaces de demostrar lo que sucedió en aquel instante, antes y después.
    Fantástico vuestro blog, un saludo.

  3. El tema es más que apasionante, y, aquí nos hablan de un modelo (¿otró?) que trata de saber -mejor dilucidar- sobre ese espacio de tiempo en blanco del que no tenemos ni la menor idea al principio de big bang, cuando nacieron el espacio y el tiempo (espacio-tiempo) y comenzó la aventura que aún, no ha terminado.

    Para el próximo año nos seguiremos preguntando por los procesos que condujeron a la inflación y que podrían ser los responsables, también, de la producción de la materia que forman las estrellas, los planetas y a nosotros mismos en el Universo de hoy día. La mayoría de la masa de este material cotidiano es presentada en forma de protones y neutrones y que colectivamente llamamos Hadrones: Bariones y Mesones que, conformados por quarks constituyen los núcleos de los átomos que se completan con los elestrones que rodean a ese núcleo, y de esa manera, toda la materia “que conocemos” está hecha de quarks y leptones.

    Ese otro componente importante de la materia cotidiana -aunque antes nombré al electrón- es la familia de los Leptones, dominada por electrones y neutrinos. Debido a la aplastante contribución de los bariones a la masa del Universo visible nos referimos de manera cotidiana a la materia del Universo como bariónica.

    La semilla desde la que se desarrolló nuestro Universo fue una Bola de fuego de pura energía inmensamente densa e inmensamente caliente. ¿Una singularidad? ¿Una fluctuación de vacío? ¡Vaya usted a saber!

    La pregunta es, ¿cómo llegó esta bola de fuego hasta el tipo de materia bariónica que podemos ver alrededor de todos nosotros, mientras el Universo se expandía y se enfriaba? O, si se prefiere ¿de donde salieron los quarks y los leptones?

    Creemos que conocemos la respuesta, aunque, en realidad, lo que sí tenemos es un modelo de que cómo creemos que sucedió, ya que, como a menudo es el caso de las historias, la explicación es más especulativa cuanto más atrás en el tiempo miremos y, en el caso del Universo, esto también corresponde a las energías más altas que se tienen que considerar.

    Nos vamos hacia atrás en el tiempo y ponemos señales y nombres como los del límite y tiempo de Planck, era hadrónica (quarks: protones y neutrones, etc.) y era leptónicas (electrones, muones y partícula tau con sus neutrinos asociados). Ahí amigos, está toda la materia que podemos ver.

    La otra, esa que no genera radiación electromagnética, la que no se deja ver y sólo nos envía las señales de su presencia en forma de gravitones, esa, la seguiremos buscando el próximo año que, os aseguró será de rechupete, nos esperan grandes sorpresas y, algunas de las más sonadas vendrán de la mano del LHC, con su Bosón de Higgs y otros descubrimientos e importantes indicios que, nos hablarán de esa materia esquiva de la que antes hablaba.

    ¡Es tanto lo que puede estar presente en los océanos de Higgs!

    Por ahí, en el artículo que nos ocupa he podido leer: “Lo impresionante de este nuevo Modelo es que, al proponer que el camp0o del inflatón es el Bosón de Higgs, se pueden contrastar las predicciones que hace el Modelo sobre el recalentamiento del Universo primitivo, con las observaciones cosmológicas y los datos de los aceleradores de partículas”.

    Nada nuevo nos dicen, y, me temo que el Modelo propuesto sea uno más, ya que, el Bosón de Higgs es uno de los muchos parámetros metidos con calzador en el Modelo Estándar para poder explicar la masa de las partículas, y, cuando el LHC comience de nuevo a funcionar, espero -tengo la esperanza- que el dichoso Bosón aparecerá, pués en algunos experimentos ya mostró su sombre y necesitamos ver el cuerpo al completo.

    Esperaremos a ver que pasa.

  4. ¿Cómo sabemos las cosas que pensamos que sabemos?

    ¿A qué se refieren los científicos cuando dicen que ellos “conocen” lo que hay dentro del un átomo, por ejemplo, o lo que pasó en los tres primeros minutos de vida del Universo?

    Se refieren a que tienen lo que ellos denominan un modelo del átomo, o del universo temprano, o lo que sea en que ellos estén interesados, y que este modelo encaja con el resultado de sus experimentos, o sus observaciones del mundo. Este tipo de modelo científico no es una representación física de la cosa real, del mismo modo que un modelo de avión representa un avión de tamaño natural, sino que es una imagen mental que se describe mediante un grupo de ecuaciones matemáticas.

    Los átomos y las moléculas que componen el aire que respiramos, por ejemplo, se pueden describir en términos de un modelo en el que imaginamos cada partícula como si fuera una pequeña esfera perfectamente elástica (una diminuta bola de billar), con todas las pequeñas esferas rebotando unas contra las otras y contra las paredes del recipiente.

    Ésa es la imagen mental, pero es sólo la mitad del modelo; lo que lo hace un modelo científico es describir el modo como se mueven las esferas y rebotan unas contra otras mediante un grupo de leyes físicas, escritas en términos de ecuaciones matemáticas. En este caso, estas son esencialmente las leyes del movimiento descubiertas por Isaac Newton hacen más de 300 años.

    Utilizando estas leyes matemáticas es posible predecir, por ejemplo, qué le pasará a la presión ejercida por un gas si se aplasta hasta la mitad de su volumen inicial. Si hacemos el experimento, el resultado que se obtiene encaja con la predicción del Modelo (en este caso la presión se doblará), lo que lo convierte en un buen modelo.

    Naturalmente, no deberíamos sorprendernos de que el modelo estándar de un gas que lo describe en términos de pequeñas bolas que rebotan unas contra otras de acuerdo con las leyes de Newton haga esta predicción en concreto correcta, porque los experimentos fueron hechos primero, y el modelo fue diseñado o construido, para hacer encajar los resultados de esos experimentos.

    El siguiente paso en el proceso científico es utilizar el modelo que se ha desarrollado desde las medidas efectuadas en un grupo de experimentos para hacer predicciones (predicciones precisas, matemáticas) sobre lo que le pasará al mismo sistema cuando se hacen experimentos diferentes. Si el modelo hacer predicciones “correctas” bajo nuevas circunstancias, demuestra que es un buen modelo; si fracasa al hacer las predicciones correctas, no se puede descartas completamente, porque todavía nos dice algo útil sobre los primeros experimentos; pero en el mejor de los casos tiene una aplicabilidad limitada.

    De hecho, todos los modelos científicos tienen aplicabilidad limitada. Ninguno de ellos es “la verdad”. El modelo de un átomo como una pequeña esfera perfectamente elástica funciona bien en cálculos de cambio de presión de un gas bajo circunstancias diferentes, pero si queremos describir el modo en que el átomo emite o absorbe luz, necesitamos un modelo de átomo que al menos tenga dos componentes, un núcleo central diminuto (que se puede considerar él mismo como una pequeña esfera perfectamente elástica para determinados fines) rodeado por una nube de electrones.

    Los modelos científicos son representaciones de la realidad, no la realidad en sí misma, y no importa lo bien que funcionen o lo precisas que sean sus predicciones bajo circunstancias apropiadas, siempre se considerarán aproximaciones y ayudas a la imaginación, más que la verdad absoluta. Cuando un científico afirma, por ejemplo, que el núcleo de un átomo está compuesto por partículas denominadas protones y neutrones (nucleones) lo que en realidad debería decir es que el núcleo de un átomo se comporta, bajo determinadas circunstancias, como si estuviera formado de protones y neutrones. Los mejores científicos toman el “como si” como se lee, pero entienden que sus modelos son, efectivamente, sólo modelos; científicos menores a menudo olvidan esta diferencia crucial.

    Los científicos menos y muchos no-científicos, tienen otra idea equivocada. A menudo piensan que el papel de los científicos hoy en día es llevar a cabo experimentos que probarán la exactitud de un modelo con una precisión cada vez mayor –hacia posiciones con más y más decimales- ¡En absoluto! La razón para llevar a cabo experimentos que demuestren predicciones previas no comprobadas es descubrir (como decía Feynman) donde fallan los modelos.

    Encontrar defectos en sus modelos es la esperanza abrigada por los mejores científicos, porque esos defectos –cosas que los modelos no pueden predecir o explicar en detalle- destacarán los lugares donde necesitamos una nueva comprensión, con modelos mejores, para progresar…

    El arquetipo ejemplo de esto es la Gravedad. La ley de la gravedad de Newton se consideró la pieza clave de la física durante más de doscientos años, desde la década de 1680 hasta comienzos del siglo XX. Pero había unas pocas, aparentemente insignificantes, cosas que el modelo newtoniano no podía explicar (o predecir), referente a la órbita del planeta Mercurio y al modo como la luz se curva cuando pasa cerca del Sol.

    El modelo de la Gravedad de Einstein, basado en su teoría general de la relatividad, explica lo mismo que el modelo de Newton, pero también explica los detalles sutiles de órbitas planetarias y curvatura de la luz. En ese sentido, es un modelo mejor y más completo que el anterior, y hace predicciones correctas (en particular, sobre el Universo en general) que el viejo modelo no hace. Pero el modelo de Newton todavía es todo lo que se necesita si se está calculando el vuelo de una sonda espacial desde la Tierra hasta la Luna. Se podrían hacer los mismos cálculos empleando la relatividad general, pero sería más tedioso por su complejidad y daría la misma respuesta, así que, en muchos casos donde no existe la complejidad, se utiliza el modelo más sencillo de Newton.

    Así que, amigos, los modelos (todos los modelos) han sido y serán buenos en su momento y, también, como ocurrió con el de la Gravedad, vendrán otros nuevos que los superarán y servirán mejor y de manera más profunda en el conocimiento de las cosas que traten, llegando así un poco más lejos en nuestros conocimientos sobre la Naturaleza, ya que, a medida que observamos el Universo, nuestras mentes se abren al saber del mundo que nos rodea y cada vez, podemos comprender mejor lo que realmente ocurre en él.

    Nuestras percepciones del Universo son, la mayoría de las veces, equivocadas, y nos formamos una idea de lo que allí está o de lo que allí ocurre que, en la realidad, es otra muy diferente. Y, eso, es así debido a que nuestros conocimientos son muy limitados sobre las cosas, y, está aconsejado por ideas preconcebidas que, muchas veces, entorpece la comprensión de esa realidad que incansables buscamos.

    Cuando se consiguen describir de manera exitosa las cosas que ocurren en la Naturaleza, como es el caso de la Relatividad, tanto especial como General, a los físicos, les encanta definirlos como “modelo estándar”. El modelo de los gases de las bolas de billar (que también es conocido como teoría cinética, ya que trata de partículas en movimiento) es un modelo estándar. Pero cuando los físicos hablan de “el modelo estándar”, se están refiriendo a uno de los grandes triunfos de la ciencia del siglo XX.

    Así ocurre con los modelos que describen la Mecánica Cuántica y la Relatividad, son Modelos Hitos en la Historia de la Ciencia de la Humanidad. Ambos modelos han sido explicado aquí, en mis comentarios muchas veces y, además, no es este el motivo del presente trabajo que, se circunscribe a explicar lo que es un modelo científico y como funciona, al mismo tiempo de cómo se valora su validez que, en realidad, nunca será definitiva, que es lo que ocurre con nuestros conocimientos.

    Así que, dicho todo lo anterior, podemos llegar a una conclusión que estaría bien y nos acercaría a la realidad: Lo que sabemos es lo que creemos saber del mundo que nos rodea, y, no es, de ninguna manera, lo que deberíamos saber si nos estamos refiriendo a la realidad de lo que es el Universo y de lo que su Naturaleza finalmente significa y nos quiere decir, para llegar a ese final de comprensión, se necesitarán muchos modelos que se irán desechando por otros que vendrán, y, de esa manera, la Humanidad se acercará a esa realidad que tanto persigue.

    emilio silvera

  5. Tenemos tanto camino por recorrer que el trabajo pendiente es grande.

    El Bosón de Higgs

    Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una vez potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

    La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron del “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

    Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

    La idea de que la masa no es intrinseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en laque los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

    ¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espin de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espin cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs da masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad. Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.

    De todas las maneras, de momento creo que, esos primeros momentos del B.B. quedarán en la oscuridad como uno de los mayores secretos del Universo en sus comienzos y que todavía permanece en la penunbra, junto con la materia oscura y algunas figuras y conceptos más que el universo mantiene en las zonas ignoradas de nuestra Ciencia.

  6. khinecapa

    Magnifico artículo y magnifico comentario por parte de Emilio Silvera. Estoy muy de acuerdo con todo lo que expones en tu comentario. Hay pocos comentaristas tan serios Sin desmerecer todo lo que se expone aquí. Mí pregunta es: ¿Y si al final no aparece la partícula de Dios? ¿Qué sería de nosotros, pobres mortales? Un abrazo a artículista y comentarista.

  7. Me parece estúpido que todavía se esten calentando la cabeza los cientificos en averiguar el principio del universo. Han dado por hecho que hubo un origen y ahora intentan que la naturaleza, el universo, se “adapte” a sus conjeturas, a sus análisis. Pienso que es absurdo pensar que hubo un origen, un día “cero”. Cada día que pongan un aparatito más potente dirán que el universo tienes más años, porque éste mira más lejos, y así seguirán toda la vida, dudo que un día vean el fin-origen de lo que pudo ser el inicio del universo. Es que es absurdo y es´tupido, perdonar por mis palabras.

  8. [...] está, ya no hace falta seguir buscando el mecanismo mediante el que se originó el Big Bang que según creemos dio lugar a nuestro [...]

  9. [...] está, ya no hace falta seguir buscando el mecanismo mediante el que se originó el Big Bang que según creemos dio lugar a nuestro [...]

  10. La ciencia cree en fantasmas

    El big bang solamente es una teoría, un solo fallo y la teoría se derrumba, para que exista una masa en movimiento acelerado se le debe aplicar una fuerza, si quitamos la fuerza la masa no acelera, en el mejor de los casos si no existe rozamiento mantiene su velocidad constante. Si calentamos un gas las moleculas rebotan entre sí con más fuerza y se expande y no es el caso de las galaxias. Conclusión a día de hoy no tenemos ni idea porque se expande el universo ni como funciona la fuerza gravitatoria, y por ello nos dedicamos a crear partículas fantasmas (gravitones y fotones), materia fantasma y energía fantasma. Hace un tiempo alguien se inventó la teoría de un dios fantasma, visto el resultado la ciencia se apunta.

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