EL UNIVERSO
GLORIA MARTÍN FUENTES, 2BACH EXC
GLORIA MARTÍN FUENTES, 2BACH EXC
El objetivo de este trabajo ha sido desarrollar todo conocimiento que tenemos sobre el universo, observando también todo aquel conocimiento que todavía nos queda por desarrollar, para lo que este proyecto se ha dividido en tres perspectivas: su origen, su distribución y su composición.
This study explores the universe from three primary perspectives: its origin, distribution, and composition. Regarding its origin, it examines humanity’s evolving understanding of the cosmos, from mythological, geocentric, and heliocentric models to the development of the Big Bang theory, which incorporates the theory of cosmic inflation as a solution to certain inconsistencies in the original model. In terms of the universe’s distribution, the Cosmic Microwave Background (CMB) is presented as key empirical evidence supporting the Big Bang theory, with a detailed analysis of its anisotropies and their role in the formation of galaxies and cosmic structures. Lastly, the study explores the universe’s composition through the Standard Model of Particle Physics, exploring the fundamental forces and elementary particles. Furthermore, it addresses the matter-antimatter asymmetry, a critical question in modern cosmology.
El origen del universo ha sido una cuestión que ha interesado al ser humano desde que es consciente de su existencia. Desde las diferentes civilizaciones antiguas, con su mitología y dioses, hasta la actualidad, con ayuda de la física y varias teorías, todas las sociedades humanas han intentado encontrar una explicación al origen del universo y descubrir lo que forma y estructura todo lo que observamos. Actualmente, el modelo Cosmológico Estándar, también conocido como Modelo Lambda-CDM, explica muy detalladamente las tres cuestiones expuestas: el origen, la distribución y la composición del universo.
La teoría del Big Bang, o métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (métrica FLRW) es la más aceptada actualmente para explicar el origen del universo. Esta surgió a partir de la intervención de cuatro físicos brillantes, cuyos nombres tiene la teoría (de izquierda a derecha) : Aleksandr Fridman, Georges Lemaître, Howard Robertson y Arthur Walker
Esta teoría expone las distintas fases que se han sucedido durante la evolución del universo a partir de la singularidad inicial (primer momento del universo).
La primera es la etapa de la inflación, propuesta por Alan Guth, que expone un periodo de una muy rápida expansión que solucionó tres problemas de la teoría (problema del horizonte, de la llaneza y de los monopolos).
Tras esto, se comenzaron a formar las primeras partículas elementales (de las que hablaremos en el último apartado), que se juntaron para constituir los primeros protones y neutrones. Estos se agruparon en los núcleos, sobre todo de hidrógeno y helio. 380000 años después del inicio del universo, los electrones se unieron a los núcleos, formándose átomos neutros, que dio lugar a la separación de materia-luz y al fondo cósmico de microondas, que estudiaremos en el siguiente apartado.
Los fotones sólo pueden interactuar con partículas cargadas, y por ello lo hacían constantemente en el plasma primigenio. Sin embargo, cuando los átomos se volvieron neutros, estos pudieron escapar, dando lugar a lo que conocemos actualmente como el fondo cósmico de microondas.
Descubierto por los físicos Arno Penzias y Robert Wilson, fue la prueba definitiva para demostrar la teoría del Big Bang expuesta anteriormente.
Las diferencias de temperatura de apenas 100 microkelvin en su radiación se conocen como las anisotropías, que podemos observar en la imagen. Las zonas de mayor temperatura, las zonas rojas, son aquellas en las que había una mayor cantidad de materia en el plasma primigenio, y por tanto las que han evolucionado para formar las estructuras cósmicas actuales.
Para estudiar los componentes del universo, utilizaremos el Modelo Estándar de Física de Partículas, que vemos en la imagen.
Los fermiones se dividen en quarks y leptones. La primera generación de los quarks junto a los electrones forman la mayoría de la materia existente en el universo.
Los bosones (excepto el bosón de Higgs, que aporta masa a las partículas) son los portadores de las distintas fuerzas fundamentales: la fuerza nuclear fuerte (gluón), la fuerza electromagnética (fotón), y la fuerza nuclear débil (bosones W y Z).
Además, por cada fermión del modelo estándar existe una antipartícula con la misma masa y mismas características que la original, pero de carga contraria.
Si una partícula y una antipartícula entran en contacto, se desintegran generando grandes cantidades de energía. Esto también puede producirse en el sentido contrario (hecho que ha sido demostrado en los aceleradores de partículas) y es lo que teorizan los físicos actuales que ha dado origen a toda la materia del universo.
Sin embargo, esto produce un par partícula-antipartícula en una misma proporción, y sabemos que nuestro universo está gobernado por la materia y no la antimateria. Este es el problema conocido como la asimetría materia-antimateria, y muchos físicos brillantes han buscado encontrarle una solución. Entre ellos está Andrei Sàkharov, que propuso tres condiciones para que esto pudiese darse.
Es la diferencia entre bariones y antibariones, y puede ser violado en la desintegración del protón (que es una partícula muy estable, por lo que las posibilidades son muy pequeñas, aunque no nulas).
Esta afirma que si cambiamos toda partícula por su antipartícula y reflejamos el universo en un espejo, se mantendrían las leyes físicas. Se ha demostrado que esta no se cumple para la desintegración del kaón, que prima la formación de materia frente a antimateria.
En el plasma primigenio tenemos una reacción en equilibrio con un exceso de bariones B. Si la reacción inversa no puede darse por el grado de expansión del universo, quedaría este resto de materia.
Aunque actualmente contemos con un modelo muy estable para responder a todas las interrogantes planteadas en el inicio, seguimos enfrentándonos a distintas preguntas abiertas, como la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, la simetría rota entre materia y antimateria, y el comportamiento del universo en sus primeros instantes.
Estas interrogantes nos conducen a nuevas preguntas: ¿Cómo se puede unificar la mecánica cuántica con la relatividad general? ¿Qué rol juegan los multiversos en nuestra concepción del cosmos? Y, finalmente, ¿cómo afectarán los avances tecnológicos en las próximas décadas al conocimiento del universo? Estas cuestiones no solo invitan a la reflexión, sino que abren la puerta a futuros trabajos que amplíen o profundicen en estas ideas.