EINSTEIN Y EL BIG BANG

Transcripción

1 EINSTEIN Y EL BIG BANG Guy F. de Téramond Escuela de Física Universidad de Costa Rica 9 de marzo 2005

2 Lo mas incomprensible del Universo es que sea Comprensible A. Einstein

3 VI s AC Filósofos Griegos: teorías tratan de explicar los fenómenos naturales sin recurso de mecanismos sobrenaturales o deidades: cosmos vs. caos Aswan 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 3200 Solsticio de verano: 21 junio Dist_L = 3200 km x 100 = km!

4 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

5 Aristarco BC Copérnico Kepler Tycho Brahe Galileo

6 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 F=GmM/r 2 G = 6.67 x N m / kg 2 (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 hipérbola parábola elipse Newton

7 Einstein 1905 Sobre la Electrodinamica de los Cuerpos en Movimiento termina con el ether (Michelson Morley 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: espacio tiempo 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. Espacio tiempo curvo! Materia curva el espacio y el espacio determina como se mueve la materia!

8 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)

9 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

10 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 Friedmann Einstein escribe al Zeitschrift pero debe retractarse! Acepta finalmente que las soluciones dinámicas de Friedmann son matemáticamente correctas, pero las considera físicamente irrelevantes.

11 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 Lemaitre Galaxias deben alejarse con velocidades proporcionales a la distancia Einstein a Lemaitre: Sus calculos son correctos, pero su física es abominable Conferencia Solvay Bruselas 1927 En ausencia de evidencia experimental el universo estático permanece como la ortodoxia

12 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 Telescopio de 100 pulgadas Observatorio Monte Wilson Andromeda M 31

13 NGC 1300 Supernova Cluster de Virgo

14 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 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

15 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. T = 2.7 K, longitud de onda = 2 cm

16 Origen de estructura en el universo: variaciones de temperatura COBE (Cosmic Background Explorer) 2001 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

17 El Big Bang no es una explosión en el Espacio, pero una explosión del espacio Galaxias en formación al borde del universo conocido Hubble Deep Field Telescope