EINSTEIN Y EL BIG BANG

EINSTEIN Y EL BIG BANG

Guy F. de Téramond

Escuela de Física

Universidad de Costa Rica

9 de marzo 2005

“Lo mas incomprensible 

del Universo es que sea 

Comprensible”

• VI s AC Filósofos Griegos: teorías tratan   de explicar los fenómenos naturales sin   recurso de mecanismos sobrenaturales   o deidades: cosmos vs. caos  • Se mide los diámetros de la tierra, luna   y sol y sus distancias! • Eratóstenes (250 AC)  Tierra:   7.2/360 = 1/50       1 estadio = 185 m   50 x 5000 est = 250,000 est = 46,250 km !      Eclipse lunar: D_T = 4 D_L    D_T = 12,700 km, D_L = 3,200 km   Dist_L = 3200 km x 100 = 320.000 km ! Solsticio de verano: 21 junio Aswan          3200 1 100

● Aristarco (n 320 AC) : la tierra se mueve alrededor del sol, la tierra gira sobre su eje en  24 h, y las estrellas forman un fondo estático al universo ● Filósofos abandonan el modelo de Aristarco y la idea heliocéntrica desaparece por los  próximos 1700 años!  Se impone el sistema de Tolomeo ( II s AC) con ciclos y epiciclos  (movimiento retrogrado de planetas) ● N. Copérnico   (1543) ‘Sobre La revolución de las Esferas Celestes’ ● T. Brahe: mediciones cinco veces más precisas, las mejores en la historia de la  astronomía  ● J. Kepler rompe el ‘dogma circular’  ­ elipses ­       Modelo mas simple y preciso que Tolomeo. ● Galileo: Uso del telescopio: planetas de Júpiter, fases de Venus, “imperfecciones” de la  Luna y el Sol.     ‘Diálogo Sobre los Dos Máximos Sistemas del Mundo’

Copérnico 1473­1543   Tycho Brahe 1546­1601

Kepler 1571­1630 Galileo 1564­1642 Aristarco 310 ­230 BC

Newton 1643­1727

hipérbola parábola

elipse

•Newton establece las leyes de la mecánica F = m a y la ley de la gravitación   universal: cada objeto en el universo atrae a todos los otros objetos        2       ­11       2         ­ 2       F = G m M / r      G = 6.67 x 10      N m  / kg     (Cavendish) •Leyes de la mecánica terrestre extendidas a la mecánica celeste:  explicación dinámica de las orbitas planetarias! •Cavendish con las leyes de Newton pudo ‘pesar’ la tierra •Hasta finales del siglo XIX queda la gran pregunta: Es el universo eterno y  estático o bien tuvo un inicio? Los cosmólogos del siglo XX debían contestar  

• Einstein 1905 ‘Sobre la Electrodinamica de los Cuerpos en Movimiento’   termina con el ‘ether’ (Michelson­Morley 1880), doscientos años    de supremacía de las leyes de Newton y  mas importante: la concepción   de espacio y tiempo como dos entidades independientes y absolutas • Velocidad de la luz es constante relativa al observador y es la velocidad    máxima (dilación intervalos de tiempo, contracción de longitudes) • Nueva entidad: espacio­tiempo • Relatividad Especial: descripción movimiento en sistemas de referencia   inerciales • 1915 Teoría General de la Relatividad, valida en cualquier sistema de    referencia, es una nueva teoría de la gravedad.     Einstein sospecha que la teoría de Newton    podría fallar en situaciones de gravedad extrema. • Espacio­tiempo curvo! Materia curva el espacio y el   espacio determina como se mueve la materia!

Espacio curvo en Relatividad General Avance del perihelio de Mercurio 43 segundos de arco por siglo inexplicables (Le Verrier 1856) Desviación de la luz por el campo gravitacional del sol     (Eclipse 1919)

• Einstein 1917 ‘Consideraciones Cosmológicas de la Relatividad General’,   rol de la gravedad a la escala cósmica • Einstein asume que a grandes escalas el universo es isotrópico y    homogéneo (Principio Cosmológico) • Solución inestable: la gravitación a escala cósmica hace colapsar el    universo 

• Introduce ad hoc una constante cosmológica   (importante solo a distancias cósmicas) 

  y selecciona su valor para balancear    exactamente la gravitación y

  y evitar un colapso para obtener   un universo estático y eterno 

Friedmann 1888­1925

• A. Friedmann estudia las soluciones de Relatividad General sin la constante cosmológica. Que tipo de 

universo emerge lógicamente de la teoría?

• Friedmann 1922 ‘Zeitschrift fur Physik’: universo dinámico que evoluciona a la escala cósmica vs.  eternamente estático. Condiciones iniciales:        a) expansión y contracción       b) expansión permanente       c) expansión se detiene • Einstein escribe al Zeitschrift pero debe retractarse! Acepta finalmente que las soluciones dinámicas de Friedmann son matemáticamente  correctas, pero las considera físicamente irrelevantes.       

Lemaitre 1894­1966  Einstein a Lemaitre: ‘ Sus calculos son correctos, pero su física es abominable’ • G. Lemaitre redescubre las soluciones dinámicas de la Relatividad General (RG) de Einstein • Lemaitre 1927 ‘Hypotesis del Atomo Primario’. RG implica un inicio del universo en una región reducida y compacta, que explota y evoluciona al universo actual y continuara evolucionado • Galaxias deben alejarse con velocidades proporcionales a la distancia Conferencia Solvay    Bruselas 1927 • En ausencia de evidencia experimental el universo estático permanece como la ortodoxia

Telescopio de 100 pulgadas Observatorio Monte Wilson • 1912 H. Leavitt: estrellas variables cefeidas, indicador de distancias • 1923 E. Hubble  identifica una cefeida en Andrómeda • 1926 E. Hubble velocidad de recesión de las galaxias • 1931 Einstein anuncia públicamente que renuncia a su Modelo estático y endorsa el modelo dinámico del Big Bang de un universo en expansión Andromeda M 31

NGC 1300

• F. Hoyle, T. Gold, H Bondi: Teoria del Estado Continuo,   universo eterno con elemento de creación continua   (distribución de quasares ?) • G. Gamow, R. Alpher, R. Herman: Big Bang    a) Predicen abundancia de hidrogeno 90% y helio 9%        b) Transición del universo 300.000 años: recombinación 3000 C.         Formación de átomos , la luz (radiación) se desacopla de         la materia y el universo se vuelve          transparente!          De acuerdo al Big Bang el universo          se ha expandido 1000 veces, por         consiguiente temperatura actual          de la radiación: 3 K Herman, Alpher y Gamow

• 1964 R. Wilson y A. Penzias (Laboratorios Bell) detectan la radiación de microondas de origen cósmico que permea el espacio en todas las Direcciones: CMB: Cosmic Microwave Backgrond radiation.

Origen de estructura en el universo: variaciones de temperatura • 1989­1992 COBE  (Cosmic Background Explorer)

El Big Bang no es una explosión en el Espacio, pero una explosión del espacio

Galaxias en formación al borde del universo conocido