Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (1ª parte)

El Universo, tal y como lo conocemos hasta ahora posee una antigüedad de entre 13.600 y 13.700 millones de años (de acuerdo con la información proporcionada por la WMAP de la NASA) . No existe concenso entre la comunidad científica a la hora de determinar su tamaño; de hecho, al respecto existen teorías tan excentrincas (y no por ello descartables) como la de la presencia de Universos múltiples, o la de un Universo infinito. En lo que sí existe concenso es en la estimación del tamaño del Universo Observable, que consistiría en una esfera de radio 46.500 millones de años luz con la Tierra como centro. En este punto cabría todavía que aclarar qué es lo que hace visible a esa porción precisa del cielo; en relación a esto recuerdo una teoría expuesta en el libro El Universo de Isaac Asimov, según la cual, a determinada distancia espacial, la radiación no llegaría hasta nuestro planeta debido a que la expansión de esa franja en relación a nosotros supera la velocidad de la luz, lo que la convierte en un límite visual infranqueable. Lo cierto es que sobre esto no he vuelto a oír nada nuevo, y, en muchos aspectos, la obra del viejo Asimov está desfasada, así que no debería de ser tomada en principio como cierta. En lo relativo a la forma, existen muchas y muy complejas teorías sobre la geometría del Universo; algunas de ellas lo presentan como un espacio plano, y otras, como un conjunto sin cotas pero espacialmente finito, al igual que una esfera. Para hacernos una idea de las dimensiones de estas medidas, podemos compararlas con las conocidas respecto a nuestra galaxia, de “tan solo” 100.000 años luz de diámetro, o con el planeta Tierra, con una circunferencia media de 40.040 Km. (Nota: Año-luz = 9,46 billones de Km)

En el principio fue la denominada Época de Planck, periodo que duró 10 elevado a -43 segundos (menos de una septillonésima de segundo), en el cual las cuatro fuerzas fundamentales estaban unificadas y no existían partículas elementales. El tamaño del Universo en este periodo es de una longitud de Planck (1,6 x 10^ -35 metros; unas 16 sextillonésimas de metro). Tras las Época de Planck y hasta los 10^ -33 primeros segundos de Historia sucede la Era de la Gran Unificación, en el que la gravedad se desliga de las otras fuerzas fundamentales y el Universo se expande y se enfría de los 10^ 32º iniciales hasta los 10^ 27º. En relación a este tiempo, muchos científicos defienden la teoría ciertamente complicada de lo que se ha dado en llamar la inflación cósmica (a partir de los 10^ -35 segundos); durante la acción de este fenómeno, el espacio crecería de manera exponencial en un factor del orden de 10^ 30 (un quintillón de veces). Tras el periodo inflacionario, y en un nuevo periodo conocido como recalentamiento, surgen las partículas subatómicas (quarks, electrones y neutrinos). Por último, durante esta misma época y tras el recalentamiento, sucede la bariogénesis (10^ -32 seg.), en la que se produce la aparición de partículas más complejas (bariones).

Los protones y neutrones están formados por unas partículas mucho más simples llamadas quarks que, según la ciencia del momento, resultan ser elementales, es decir, irreductibles a un conjunto de partículas menores. Los electrones forman parte de otro tipo general de partículas también elementales llamadas leptones. Los quarks son las partículas de las que se componen los hadrones, es decir, los bariones (protones y neutrones, entre otros) y los mesones; tres quarks forman a los bariones y un quark y un antiquark a los mesones.  Existen seis tipos, o mejor dicho, sabores distintos de quarks (up, down, top, bottom, charm, strange), poseen carga (2/3 e ó –1/3 e, dependiendo del sabor), spin (1/2) y color (rojo, azul o verde). Los antiquarks se simbolizan con una raya encima de la letra que designa al correspondiente quark. Los leptones pueden ser del tipo electrón, muón, tau, neutrino de electrón, neutrino de muón y neutrino de tau, además de  sus correspondientes antipartículas. Tanto los neutrinos como sus antipartículas carecen de carga eléctrica, el resto sí la posee; negativa en el caso del electrón, el tau y el muón y positiva para sus partículas contrarias (-1e ó 1e). Todas poseen además espin –1/2, no experimentan interacción fuerte y se propagan a la velocidad de la luz. El conjunto de todas las partículas elementales de la materia forman el grupo de los fermiones.

Existe otro grupo de partículas elementales denominado bosones, y a diferencia de los fermiones, no son constitutivos de la materia (aunque existe materia compuesta que resultan ser bosones, como veremos); fermiones y bosones reunen a la totalidad de las partículas elementales conocidas hasta ahora. Los bosones se caracterizan por poseer espín entero y actuar como mediadores entre las partículas en las interacciones fundamentales (interacción nuclerar fuerte, interacción nuclear débil, electromagnetismo y, presumiblemente, fuerza gravitatoria); de hecho, citando el artículo sobre bosones en la Wikipedia:

“…la descripción cuántica de las interacciones fundamentales mencionadas consiste en el intercambio de una partícula que será siempre un bosón virtual.”

Los bosones que participan en estas interacciones se denominan bosones de gauge. Estos son los bosones W y Z para interacción nuclear débil, gluones para la fuerte, fotones en el electromagnetismo y el hipotético gravitón para la fuerza gravitatoria. Por otra parte, aquellas partículas en principio formada por fermiones que posean un espín total entero se consideran bosones, incluyendo los núcleos atómicos (el helio-4 o el nucleo de deuterio, por ejemplo); de esta forma, un conjunto de partículas constituyen un bosón.

Ver Cronología del Big Bang
¿Qué pasó antes del Big Bang? (Muy recomendado)
¿Que ocurrió durante el Big Bang?
¿Es el Universo finito o infinito? (Recomendado: contiene una breve explicación acerca de los límites del Universo Observable)
Youtube – El Espacio Ultraprofundo del Hubble en 3D
Elmundo.es – La estrella más lejana y antigua del Universo
Wikipedia – Forma del Universo
ElPaís.com – Un universo con forma de balón de fútbol
FYS – Física de lo pequeño para explicar el mundo
Un viaje por el microcosmos

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Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (4ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (5ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (6ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (7ª parte)
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Apuntes de Física: Teorías y leyes (1ª parte)

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