UNIVERSIDAD LA REPUBLICA

INGENIERIA CIVIL EN MINAS

CERTAMEN FINAL FISICA MODERNA

Profesora: María Cristina Fariña Ojeda.

Alumno: Freddy E. Faúndez Díaz.

1. Cómo se imagina el universo, su estructura y su devenir.

Cuando pensamos en el Universo por lo menos nos asaltan 4 preguntas al instante, ¿Qué es el

Universo?, ¿Tuvo un inicio el Universo?, ¿De qué tamaño es el Universo?, ¿Tendrá el Universo un

final, o cuál es su devenir?

_ El universo lo podríamos definir como “TODO”, todo sin excepciones. Según el principio

cosmológico el universo es homogéneo e isotópico

Materia, energía, espacio y tiempo, todo lo que existe forma parte del Universo. Es muy grande,

pero no infinito. Si lo fuera, habría infinita materia en infinitas estrellas, y no es así. En cuanto a la

materia, el universo es, sobre todo, espacio vacío.

El Universo contiene astros, galaxias, cúmulos de galaxias y estructuras de mayor tamaño

llamadas supercúmulos, además de materia intergaláctica. Todavía no sabemos con exactitud la

magnitud del Universo, a pesar de la avanzada tecnología disponible en la actualidad.

La materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos:

galaxias, estrellas, planetas, etc. Sin embargo, el 90% del Universo es una masa oscura, que no

podemos observar. Por cada millón de átomos de hidrógeno los 10 elementos más abundantes

son:

Símbolo Elemento químico Átomos

H Hidrógeno 1.000.000

He Helio 63.000

O Oxígeno 690

C Carbono 420

N Nitrógeno 87

Si Silicio 45

Mg Magnesio 40

Ne Neón 37

Fe Hierro 32

S Azufre 16

_ Ahora si nos ponemos a pensar en el origen del universo se nos viene a la mente el “Big Bang”.

Desde siempre hemos pensado que existen tres dimensiones: anchura, altura y profundidad. Con

el tiempo aprendimos que existe una cuarta dimensión: el tiempo, pero ahora, muchos físicos están

aceptando la idea de que existen unas once dimensiones.

Basándose en esta idea, podría ocurrir que un universo saliera de otro, formando un llamado

“multiverso” en el que existe un número infinito de universos paralelos que estarían unidos y

podrían tener otras formas de materia. Otra posibilidad sería la existencia de un “multiverso”

formado por infinitos universos que no se tocan. Si dos universos se tocaran, ocurriría lo que se

conoce como un Big Bang, por lo que nuestro universo no tendría por qué ser el primero. La

existencia de varios universos en un mismo espacio recibe el nombre de Teoría de Multi

explosiones. Esta teoría no tiene aún la importancia de la del Big Bang.

Al principio no existía nada, o por lo menos no se sabe el que, pero hace unos 13.000 millones de

años, una partícula infinitamente densa, más pequeña que un átomo, explosionó en un cataclismo

denominado Big Bang. En ese momento nació el tiempo y el espacio. A medida que la energía

producida iba enfriándose, se convertía en materia. Entonces, las partículas subatómicas se

unieron y formaron los primeros átomos como el hidrógeno. Este elemento fue el que se formó en

mayor cantidad. También se formó el helio y el litio, que era el material más denso que existía. Los

electrones que formaron parte de los átomos, dejaron de impedir el paso de la luz unos 400.000

años después del Big Bang, entonces la luz pudo recorrer por primera vez el espacio. El hidrógeno

en un 90%, y el helio en un 9%, debido a la gravedad fueron acumulándose, haciendo que la masa

y la temperatura de esas “bolas” que se habían formado aumentara. Entonces comienza la fusión

nuclear y se crean las primeras estrellas. Más tarde, estas formarían cúmulos estelares y galaxias.

Se cree que las primeras galaxias se formaron unos 600 millones de años después del Big Bang.

Estas galaxias fueron formando filamentos y entre ellos el espacio crecía. El universo se había

vuelto mucho más frío: unos 3 K = -270ºC. El universo se enfría a medida que transcurre el tiempo.

Las estrellas, durante una reacción nuclear continua, transforman hidrógeno en helio. Cuando

consumen todo el hidrógeno, aumentan su tamaño y comienzan a transformar el helio en carbono

y después en otros elementos más pesados como el hierro. Las estrellas más masivas, al formarse

el hierro colapsan sus núcleos y explosionan. Esta explosión se le conoce como supernova y

esparce por el espacio nuevos elementos creados en la estrella o en la propia explosión. Esta

materia, agrupada en nebulosas, más adelante creará nuevas estrellas o incluso sistemas

planetarios como el nuestro.

Esta teoría explica el por qué todas las galaxias se alejen. Esto fue descubierto por Edwin Hubble,

que noto el desplazamiento al rojo en el espectro de la luz emitida por las galaxias, debido a que al

alejarse, alargan la longitud de onda de esta. Cuanto más lejano sea un objeto, más rápido se aleja

de nosotros.

La teoría del Big Bang también explicaría por qué el espacio está lleno de una radiación conocida

como fondo cósmico de microondas. Esta radiación se cree que es un residuo de la explosión.

Estudiando esta radiación, se puede saber donde se produjeron las primeras acumulaciones de

materia, ya que se notan pequeñas diferencias de temperatura.

Esta radiación, remanente del Big Bang, fue detectada en 1964 (Penzias & Wilson), se observó en

detalle por los satélite COBE en 1990, Boomerang y Máxima en 1999, WMAP en 2002, y por

Planck en 2010.

En los 70, observando las galaxias y su movimiento, se descubrió que no había suficiente materia

como para crear fuerzas gravitatorias tan grandes, por lo que se creyó que un 90% de la materia

era la que se conocería como materia oscura. Más tarde se descubrió que debería existir otro tipo

de energía, llamada energía oscura, que ocuparía más de un 70% del Universo. De esta parte del

Universo no conseguimos captar nada. Se cree que esto fue lo que determinó al principio del

tiempo la posición en la que quedaría distribuida la materia.

Hay más teorías que afirman que el Big Bang haya sido el principio de todo. Entre ellas están los

tamaños y formas de las galaxias y la cantidad de ciertos elementos en el Universo.

_ Respecto al tamaño del Universo, se cree que el Universo mide más de 90.000 millones de años

luz, pero en constante expansión. Esto puede parecer imposible dado que la materia no pude ir a

una velocidad mayor que la de la luz, y para que pudiera haber conseguido el tamaño que se cree

que tiene el Universo, la materia tendría que haber ido varias veces más rápido, suponiendo que el

Universo fue creado hace 13.000 millones de años. Pero lo que aumentó tan rápido fue el espacio,

no la materia, que simplemente se mueve con el espacio. Por ello, dos objetos pueden separarse a

mayor velocidad que la de la luz si el espacio entre los objetos aumenta. Esto también corrobora

la teoría del Big Bang, que dice que desde la explosión, el espacio está aumentando.

El límite del Universo visible desde la Tierra está a 46.500 millones de años luz, en todas las

direcciones. Es decir, un diámetro de 93.000 millones de años luz. Un año luz son 9'46 billones de

kilómetros. El cálculo es enorme, y aun así, es sólo la parte del Universo que podemos ver. Tras el

Big Bang, el Universo se expandió tan rápidamente que parte de su luz aún no ha llegado hasta

nosotros y, por eso, no podemos verlo.

Pero si el Universo sólo tiene 13.700 millones de años, ¿cómo puede haber objetos más alejados?

No es posible que se hayan alejado más rápidamente que la velocidad de la luz. La respuesta es

la inflación del Universo.

La inflación es el origen de todo: del propio espacio, del tiempo, y de todas las leyes físicas,

incluido el límite de la velocidad de la luz. Todo se crea en la propia inflación. Así que la inflación

del Universo no está sometida al límite de la velocidad de la luz. La inflación crea nuevo espacio

entre los objetos y los aleja.

La inflación cósmica es un conjunto de propuestas en el marco de la física teórica para explicar la

expansión ultrarrápida del universo en los instantes iniciales y resolver el llamado problema del

horizonte.

La inflación sugiere que hubo un periodo de expansión exponencial en el Universo muy pre-

primigenio. La expansión es exponencial porque la distancia entre dos observadores fijos se

incrementa exponencialmente, debido a la métrica de expansión del Universo (un espacio-tiempo

con esta propiedad es llamado un espacio de Sitter). Las condiciones físicas desde un momento

hasta el siguiente son estables: la tasa de expansión, dada por la constante de Hubble, es casi

constante, lo que lleva a altos niveles de simetría. La inflación es a menudo conocida como un

periodo de expansión acelerada porque la distancia entre dos observadores fijos se incrementa a

una tasa acelerante cuando se mueven alejándose. (Sin embargo, esto no significa que el

parámetro de Hubble se esté incrementando).

_ Para nuestra cuarta pregunta ¿Tendrá el Universo un final, o cuál es su devenir?, podemos decir

que existen algunas teorías. Según la teoría del Big Crunch (Gran Implosión), el Universo, por

acción de la gravedad volverá a juntarse y a desparecer. Las teorías del Big Bang y el Big Crunch

están íntimamente relacionadas, ya que la segunda surge como consecuencia de la primera.

Según la teoría del Big Bang, el universo está en constante expansión gracias a la gran explosión y

a la fuerza gravitacional de atracción entre las galaxias, pero lo cierto es que esto no puede

continuar siempre, ya que luego de la explosión el universo comienza a enfriarse y hacerse menos

denso.

Cuando el universo deje de expandirse, colapsará, y eso es a lo que se llama Big Crunch. ¿Qué

sucederá? Una especie de agujero negro muy denso y caliente que absorberá todo lo que

encuentre a su paso, apretándolo en su interior. El universo parecerá una especie de soufflé, que

cuando comienza a enfriarse se va deshinchando.

Esto parece lógico, teniendo en cuenta que la fuerza de gravedad hace que los objetos caigan, si

ninguna otra fuerza los atrae hacia ellos. Por eso, se cree que llegará un momento en que la

gravedad ganará la partida a la expansión del universo, tras una lucha constante entre las dos

fuerzas desde hace millones de años.

Para que un científico pueda predecir el fin del universo, será necesario determinar algunas

propiedades del mismo, como la densidad –si llegáramos a la llamada densidad crítica estaremos

en peligro–. Esto se debe a que, a mayor densidad, mayor es la fuerza de gravedad, y por ende,

más posibilidades existen que se genere el Big Crunch.

Pero, ¿es posible esta teoría? Mientras que los científicos creían que esto sucedería en poco

tiempo –ten en cuenta que hablamos del universo, y poco tiempo no significan ni cincuenta años ni

tres o cuatro siglos–, lo cierto es que han descubierto que el universo ha aumentado su ritmo de

expansión en los últimos años..

Aunque no se sabe a ciencia cierta por qué, se cree que esto se debe a una entidad invisible

llamada energía oscura, que hace que las galaxias se separen cada vez más una de la otra,

acelerando haciendo crecer al universo rápidamente. Esto reduciría las posibilidades de un Big

Crunch, y la teoría podría ser descartada si las cosas siguen así.

Lo cierto es que el Big Crunch sería como rebobinar un casette: todo lo que se ha construido se va

deshaciendo poco a poco, hasta volver al punto inicial. De esa semilla podría surgir una nueva

explosión, y por ende, un universo se volvería a construir

Otra teoría, dice que al juntarse toda la materia, volvería a producirse un Big Bang. Pero estudios

recientes, han demostrado que el Universo está sufriendo una expansión cada vez más rápida. Por

ello, la teoría más posible sea la de que el destino del Universo depende de la cantidad de la

energía oscura, que si formara realmente la mayor parte del Universo, produciría el llamado Big Rip

(Gran Desgarramiento). Entonces, se perdería la fuerza de la gravedad entre las galaxias, y las

estrellas desaparecerían, finalmente los átomos se destruirían. La fuerza de la energía oscura en el

universo es constante, sin embargo, si creciera en exceso podría llevar a un fin del universo

totalmente distinto: el Big Rip, en el que todos los elementos del universo se romperían.

Otra teoría dice que el Universo seguirá en expansión. Que en un principio era la más aceptada,

hoy por hoy, es la que menos seguidores tiene en el concierto científico.

2. Qué semejanzas y diferencias encuentra usted entre el comportamiento del Universo y

el comportamiento del átomo.

En el colegio, hace algunos años, se explicaba la composición de la materia haciendo el símil entre

un átomo con su núcleo en el centro, y los electrones “orbitando” a su alrededor, como en el

sistema solar, con el sol en el centro y los planetas orbitando a su alrededor a modo de electrones.

Es por esto, que incluso se ha fantaseado con la posibilidad de que este paralelismo se presente

a niveles muy superiores o muy inferiores. Así, el electrón estaría compuesto de algún tipo de

elementos con la misma estructura orbital. De forma análoga, los sistemas solares formarían

“macromoléculas planetarias” que darían lugar a estructuras mucho más complejas de las que

conocemos en el universo y así escalando en tamaño podríamos divagar hasta el infinito. Incluso

nos podríamos imaginar un ser a una escala extraordinariamente grande.

Realmente existen ciertas similitudes entre átomo y el Universo con sus sistemas solares, galaxias,

cúmulos de galaxias y supercúmulos. Aunque los más puristas esgrimirían que las órbitas que

describen los electrones al girar alrededor del núcleo del átomo son completamente diferentes a la

de los planetas girando alrededor de una estrella, o las órbitas de los sistemas, o de las orbitas

galácticas, etc.

El movimiento de los electrones del átomo no se debe a la fuerza gravitatoria como en el caso de

los planetas sino que se debe a la atracción de las fuerzas electromagnéticas de protones y

electrones. Así mismo, la velocidad de giro de los electrones se debe a la escasa masa de estas

partículas que lo posibilita. Extrapolando, en una escala muy superior, en la que los sistemas

solares forman macroestructuras, el movimiento de un cuerpo de tales dimensiones nos sería

prácticamente imperceptible. Al contrario, si disminuimos de escala, la velocidad a la que girarían

estas partículas (unido a su escaso tamaño) las harían indetectables para nosotros (al menos con

la tecnología que poseemos)

A medida que avanzamos o disminuimos nuestra escala, vamos viendo que las sinergias que

hacen perpetuar el movimiento de los movimientos orbitales, vienen dadas por fuerzas diferentes;

electricidad, magnetismo, gravedad (hasta donde nos alcanza el conocimiento).

Parecería también lógico que esa megaestructura a la que puede pertenecer el Universo tenga sus

propias fuerzas cósmicas, esas mismas que hasta ahora no se han descubierto y que hacen por

ejemplo que el universo acelere su expansión.

Al tratarse de fuerzas de diferente naturaleza, el comportamiento de los cuerpos sería diferente, e

incluso bajo el prisma de algunas teorías, quizás en dimensiones diferente.

Por un lado, incluso ahora que se cree que estamos tan cerca del conocimiento absoluto se siguen

descubriendo fuerzas de naturaleza hasta ahora desconocíamos como el gravitomagnetismo que

es producido por los planetas y estrellas cuando giran, similar al electromagnetismo producido por

los electrones al girar.

Por otro lado ya nadie se atreve a cuestionar la cuarta dimensión de Einstein e incluso hay quien

se ha atrevido a pensar en un prototipo de máquina del tiempo según sus postulados.

Así mismo desde la aparición de la física cuántica se ha especulado con la posibilidad de la

existencia de universos paralelos en dimensiones diferentes. ¿Por qué no pueden existir universos

contenidos unos dentro de otros en dimensiones diferentes?

Algunas de las diferencias importantes que se pueden observar entre el átomo y el Universo,

según lo que los puristas esgrimen están, entre otras, las diferencias en las orbitas de los

electrones y los planetas (o sistemas, galaxias, etc.) o que los átomos reaccionan entre sí para

formar moléculas y los sistemas en el Universo no.

Pero también podemos mencionar que si bien los sistemas solares de una sola estrella son los

más comunes, existen galaxias en las que lo más normal es encontrar sistemas de 2 estrellas o

incluso más.

No se conoce de ninguna “reacción planetaria”, pero bien es cierto que en los sistemas

moleculares estables tampoco se dan reacciones. ¿Podríamos considerar el universo un sistema

básicamente estable?

A un nivel inferior podría pasar que el “Universo” del átomo se mueve en más de 4 dimensiones y

dependiendo de esto la misma partícula se materializa en forma de electrón, fotón o quark por

ejemplo.

Esta teoría se denomina “teoría de cuerdas” y aunque carece de base empírica cada día cuenta

con más adeptos. Esta teoría pretende dar una explicación global al comportamiento de todos los

cuerpos y las fuerzas que actúan sobre ellos. Quien sabe, quizás algún día, esta teoría, llegue a

explicar la naturaleza del Universo y todos sus misterios.

Lo que es cierto, es que las primeras bacterias que dan lugar a vida que conocemos aparecieron

hace unos 4.000.000.000 años y el homo sapiens apareció en la tierra hace aproximadamente

30.000 años. Sin embargo hasta Pitágoras (siglo VI a.c) se creía que la tierra era plana. Con esto

quiero decir que apenas acabamos de empezar a conocer los misterios del cosmos y el

microcosmos y lo que nos queda por descubrir es infinito.