Había una vez, hace casi 14 mil millones de años, tuvo lugar un evento espectacular.

El universo y todo lo que contiene incluida la materia, radiación, partículas exóticas, y tal vez conceptos incluso más abstractos como el tiempo y las leyes físicas, llego a existir.

Al estudiar cómo ha evolucionado el universo a lo largo del tiempo, es posible "calcular al revés" y formar una imagen de las condiciones físicas mil millones de años, mil años, un día, un segundo, o un nanosegundo después del Big Bang. Cuanto más atrás en el tiempo, cuanto más extremas eran las condiciones, y más rápido evolucionó el universo.

Pero una cosa es comprender las ecuaciones que describen la temperatura, o la creación de nuevas partículas, o algo mas. ¿Cómo se sentiría al presenciarlo realmente? ¿Qué aspecto tendría? ¿Qué experimentarías?

Vamos a averiguar. Primero debemos equipar a nuestro observador, llamémosla Alice, ya que estoy escuchando la canción "Alice" de Tom Waits, y dado que es un nombre popular para las víctimas de experimentos mentales, con un traje espacial mágico ^TM , capaz de soportar el calor extremo, presión, densidad, radiación, y estirar. También necesitará un par de gafas de sol, porque hasta que el universo tenía un millón de años era deslumbrantemente brillante.

Puede seguir el viaje de Alice en el gráfico interactivo a continuación. Pero antes de partir necesitamos establecer algunas cosas.

¿Cómo sabemos lo que pasó?

Porque la luz no viaja infinitamente rápido, vemos todo como era en el pasado. Cuando revisa su teléfono, miras un nanosegundo atrás en el tiempo, ya que ese es el tiempo que tardaron las partículas de luz en viajar 30 centímetros. Cuando miras a la Luna te ves un buen segundo atrás en el tiempo, porque la luna es 400, 000 kilómetros de distancia. Y cuando observas una galaxia a mil millones de años luz de distancia, en realidad estás mirando mil millones de años atrás en el tiempo.

Podemos medir la densidad temperatura, y otras cantidades físicas del universo. Observar la velocidad de las galaxias nos dice que el universo se está expandiendo. Si calculamos al revés, podemos resolver las condiciones físicas en épocas anteriores.

De este modo, en realidad, estamos bastante seguros de lo que sucedió hasta menos de un segundo después del Big Bang. Esto se debe a que no solo podemos calcular, sino también realizar experimentos en aceleradores de partículas enormes como el CERN, para recrear las condiciones que prevalecían en ese momento, y confirmar que no estamos completamente equivocados.

Pero no sabemos nada sobre la primera fracción de una fracción de segundo, la llamada "Época de Planck". En este momento, las condiciones eran tan extremas que las leyes físicas se rompen. Quizás ni siquiera tenga sentido hablar de espacio y tiempo en este punto de la historia del universo. ¿Cuán grande es el universo?

Infinito ... Quizás ...

No sabemos qué tan grande es el universo. Solo podemos ver la parte de la que la luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros. Esta parte se llama "el universo observable, "y como el universo tiene 13.800 millones de años, podría pensar que podemos mirar 13,8 años luz en todas direcciones. Pero debido a que se expande, es algo mas grande, de hecho, unos buenos 46 mil millones de años luz.

Asumimos, aunque no estemos seguros, que el universo fuera de nuestra pequeña burbuja continúa para siempre. Si eso es cierto luego "nació" infinitamente grande. Aunque en realidad tiene sentido físico hablar de un universo infinitamente grande que crece o se encoge, indudablemente es difícil de visualizar. Entonces, normalmente consideramos el tamaño del universo observable en su lugar.

Es importante saber que no importa el tamaño del universo, el Big Bang no fue una "explosión" en el sentido de que un grupo denso de materia comenzó a extenderse por el espacio. Bastante, fue la creación del espacio, y tal vez el tiempo mismo, y la posterior ampliación de este espacio.

Esto plantea la pregunta, "¿En qué se expande?" y "¿qué hay afuera?" Es difícil imaginar un universo infinito expandiéndose y mucho menos un universo finito que no está incrustado en un espacio dimensional más grande. Pero no obstante, eso es lo que creemos que está sucediendo. En otras palabras, simplemente se está expandiendo "en sí mismo".

Ahora, con "Cosmology 101" fuera del camino, reunámonos con Alice cuando comience su viaje.

Inflación en la oscuridad

Como se ha mencionado más arriba, no sabemos nada sobre la primera fracción de segundo. Sabemos, sin embargo, que todo era sumamente denso, porque lo que más tarde se convertirá en nuestro universo observable es en este momento más pequeño que un núcleo atómico.

Primero, se crea la gravedad, y luego la fuerza nuclear "fuerte". Algunas partículas exóticas se precipitan de esta extrema densidad de energía, incluido el bosón de Higgs, que es responsable del concepto mismo de masa.

Pero al principio Alice no aprecia nada de este infierno. La luz aún no ha sido creada, así que para ella todo está oscuro.

Repentinamente, el propio espacio comienza a expandirse exponencialmente rápido.

Esta era se llama "inflación, "y cuando se detenga, lo que luego se convertirá en el universo observable tiene, en una fraccion de segundo, crecido de ser más pequeño que un núcleo atómico a 20 metros de diámetro. Todavía es solo del tamaño de una casa, pero, en términos relativos, el universo ha crecido tanto durante esta fracción de segundo como desde entonces.

Todo lo que hay en el espacio debe seguir la expansión. Excepto el traje espacial mágico de Alice, por supuesto, y que suerte porque sin ella su cabeza y sus pies, que en este momento son mucho más grandes que el universo observable, sería desgarrado a 20 mil millones de años luz de distancia.

Después de la inflación, todo sigue expandiéndose. Al mismo tiempo, la temperatura desciende. Es como cuando el gas de un mechero apagado se siente frío:el gas se comprime dentro del mechero, pero cuando se escapa, se expande y enfría.

... y hubo luz

Durante la inflación, el universo se sobreenfría brevemente de mil millones de billones de grados, hasta casi el cero absoluto. Pero cuando la inflación se acabe, justo cuando Alice piensa "Brrr ... tal vez se esté poniendo un poco demasiado frío, "el llamado proceso de recalentamiento aumenta la temperatura nuevamente a 10 mil millones de billones de grados. En este momento, se crean nuevas especies de partículas, incluida la luz en forma de fotones.

Porque la temperatura es tan increíblemente alta, todas las partículas son muy ricas en energía, y la gran mayoría de fotones son, por tanto, rayos gamma. Pero una pequeña parte del espectro de luz se extiende a los rayos X, luz ultravioleta, y luz visible, que es de mayor interés para Alice.

Entonces, ¿Cuál es el primer color que observa Alice? ¿De qué color era Big Bang?

El término "color" es de hecho un concepto psicológico. El color que percibe el cerebro depende de la distribución de la luz en los tres rangos de longitud de onda que detectan los conos de los ojos. a saber, rojo, verde, y azul.

Si algo emite luz porque hace calor, puede calcular su espectro y posteriormente calcular su color en rojo, verde, y azul. Alice misma no es tan cálida, por lo que emite principalmente en la luz infrarroja de energía débil, y un ojo humano no es lo suficientemente sensible para percibir la pequeña parte que se encuentra en el espectro visible.

Un trozo de caliente El hierro incandescente se emite principalmente en rojo. Si hace mucho calor emite aproximadamente por igual en rojo, verde, y azul, y eso es interpretado por el cerebro como "luz blanca".

Si la temperatura es suficientemente alta, los picos del espectro en el azul, y en el límite de una temperatura infinita, el color se acerca a un tono azul zafiro.

Por lo tanto, lo que Alice ve a su alrededor es el azul zafiro de esta sopa de plasma caliente de quark-gluón, como se muestra en la imagen de abajo.

El traje espacial de Alice, por supuesto, está equipado con un medidor de color electrónico, y mide la saturación de color del universo en un 63 por ciento, 71 por ciento, y 100 por ciento en rojo, verde, y azul, respectivamente.

Es decir, ella lo haría si hubiera funcionado, pero el universo todavía tiene solo 1/100 de una millonésima de una billonésima de una billonésima de un segundo de edad, y la electricidad aún no existe.

Alice debe esperar un picosegundo completo (0.000000000001 segundos) antes de que se cree la fuerza electromagnética. Puede que no suene como una larga espera pero como todo en el espacio y el tiempo, todo es relativo. Para Alice, este tiempo de espera adicional equivale a cien trillones de veces más que el tiempo total de su viaje hasta ahora.

Alice gana peso

En este momento, también se crea la fuerza "débil". Esto significa que las cuatro fuerzas del universo ahora están establecidas, los otros tres son la fuerza electromagnética, gravedad, y la fuerza "fuerte".

Estrictamente hablando, todas estas fuerzas ya existían, pero se fusionaron como una sola fuerza unificada hasta que comenzaron a separarse en sus fuerzas "individuales".

Con estas cuatro fuerzas en su lugar, Las partículas ahora pueden interactuar con el bosón de Higgs y, por lo tanto, ganar masa. esto significa que ahora pesa algo. Pero dado que los estándares de moda pervertidos no existirán hasta dentro de 13.800 millones de años, ella no está tan preocupada por este repentino aumento de peso.

Bultos en la sopa

Los alrededores de Alice son bastante aburridos; todo está distribuido de manera completamente uniforme, así que no importa donde mire, ella ve lo mismo.

Pero espera ... pequeñas irregularidades se forman por el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, que dice que hay un límite inferior fundamental, en términos de qué tan exacto tiene sentido ser cuando se habla de la posición de un objeto.

La mecánica cuántica describe procesos a escalas muy pequeñas, del tamaño de los átomos y por debajo. Pero debido a la expansión extrema, las pequeñas inhomogeneidades se bombean a proporciones considerables.

Y que suerte. Si todo hubiera sido completamente suave permanecería así para siempre. Pero en vez, existen bultos siempre tan pequeños que pesan un poquito más que su entorno y, por lo tanto, pueden arrastrar un poco más de materia. Esto les permite crecer y eventualmente formar la estructura en el universo que se convierte en galaxias, estrellas, planetas y ultimamente, nosotros.

Materia oscura al rescate

Pero, ¿es la materia capaz de agruparse lo suficiente? antes de que la expansión lo separe demasiado? (Alerta de spoiler:Sí, o de lo contrario no estarías leyendo esto.)

Realmente, si lo único que existía era lo que Alice puede ver, entonces esto no podría suceder. Pero afortunadamente, por cada gramo de materia hay aproximadamente cinco gramos de alguna otra, materia invisible que proporciona la gravedad adicional necesaria para permitir que la materia se agrupe. A esto lo llamamos materia oscura.

El universo se ha enfriado ahora a 10 millones de billones de grados y es aproximadamente tan grande como la distancia actual de la Tierra al Sol. El grupo que algún día se convertirá en la Vía Láctea tiene un radio de 100 kilómetros, aproximadamente del tamaño de Sierra Leona.

El universo se ralentiza

El universo sigue expandiéndose debido a la velocidad que adquirió por la inflación, pero la tasa de expansión se desacelera lentamente debido a la atracción mutua de todas las partículas.

Sin embargo, incluso un nanosegundo completo después del Big Bang, La expansión es tan rápida que los objetos a más de un metro de Alice, se están alejando de ella más rápido que la velocidad de la luz. Solo un microsegundo después hace tanto frío que los quarks se han fusionado para formar neutrones y protones.

El universo es ahora del tamaño del Sistema Solar, pero la densidad de la materia y la radiación sigue siendo 1, 000 veces más alto que una estrella de neutrones, lo más compacto que existe hoy.

Gemelos malvados

Alice ahora ve no solo partículas, sino también la aparición de antipartículas.

Una antipartícula es como el gemelo malvado de la partícula, y si una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas dejan de existir y se crean nuevas partículas. Algunas de estas nuevas partículas son fotones:luz.

Por razones que aún no entendemos, por cada 10 mil millones de antipartículas que existían había 10 mil millones y una partícula, Da o toma.

A una gran vejez de un segundo, el universo ahora ha aumentado a 10 años luz de radio, y todos los antiprotones se han aniquilado con protones, antineutrones con neutrones, etcétera. El minúsculo excedente de partículas "normales" es lo que hoy comprende el cosmos visible.

Cálido y brillante con riesgo de niebla

Pasan otros diez segundos y los electrones y antielectrones suben. El universo ahora se ha enfriado a unos pocos miles de millones de grados, pero dado que el 99,99999999 por ciento de todas las partículas se convierten en luz pura, el universo arde de repente con una luz deslumbrante.

Al comienzo de este infierno de partículas que comen partículas, la densidad es tan alta que Alice, literalmente, no puede ver una mano frente a su cara ya que los electrones dispersan la luz constantemente.

Pero cuando, de repente, la mayoría de los electrones desaparecen en el azul (zafiro), la visibilidad aumenta a ... redoble de tambores por favor ... ¿qué tan grande puede ser? ¿Un billón de años luz ?. Ah, no, 20 metros. No muy impresionante. Pero realmente no importa ya que no hay mucho que ver todavía de todos modos:detrás del velo brumoso está, bien, Sólo más de lo mismo.

Despues de unos minutos, la temperatura ha caído por debajo de mil millones de grados, y comienza una época importante en la historia del universo:la nucleosíntesis. Ahora hace suficiente frío como para que los protones, que de hecho son lo mismo que el hidrógeno, fusionarse para formar elementos más pesados.

Pobre de mí, la felicidad es de corta duración:la densidad del universo está disminuyendo debido a la expansión, y a los 15 minutos de edad, tiene aproximadamente la misma densidad que el agua en la Tierra. La nucleosíntesis está llegando a su fin.

Hasta aquí, sólo el helio y un poco de litio han tenido tiempo de formarse. Todos los átomos más pesados ​​no se formarán hasta dentro de cientos de millones de años, en las estrellas y sus explosiones mortales.

Eso es todo, muchachos. Después de solo un cuarto de hora, el Big Bang se acabó, y ahora no pasa mucho durante miles de años.

Cada vez que un átomo neutro intenta formarse, el electrón es arrancado inmediatamente por un fotón muy enérgico. Pero a 380, 000 años, la temperatura del universo ha caído a 3, 000 grados, ha adquirido un bonito tinte rojo anaranjado, y es lo suficientemente frío como para que los átomos de hidrógeno puedan permanecer neutrales.

Como consecuencia, el velo de electrones de niebla se levanta y la luz se escapa, se desacopla, de la materia.

El resplandor del Big Bang

El universo tiene ahora casi un millón de años luz de diámetro, y la luz fluye libremente por todo el universo, como lo ha hecho desde entonces.

Los trozos de materia que Alice vio formar se han hecho más grandes, pero son a la hora de desacoplar todavía muy pequeños; las regiones más densas son 1/100, 000 veces más denso que las regiones más diluidas. Sin embargo, esto es suficiente para que la radiación que se libera no presente la misma longitud de onda en todas partes.

Y esta luz, el resplandor ligeramente irregular del Big Bang, conocido como "el fondo cósmico de microondas", es ahora lo más distante que podemos ver. Mucho de lo que sabemos sobre Big Bang, y del universo en general, hemos obtenido al estudiar esta luz.

Cronología del Big Bang (y la historia del universo)

Alice ha tenido el mejor momento de su vida y ahora puede volver a poner su traje espacial y sus lentes de sol en el estante.

Si mientras tanto has perdido la noción del espacio y el tiempo, encontrará una línea de tiempo gráfica ampliada del Big Bang (y el resto de la historia del universo) aquí.

Mientras escribía este artículo, escribí un código llamado línea de tiempo que calcula las propiedades (tamaño, temperatura, color, tasa de expansión, y más) del universo en varios momentos de su historia. El código está escrito en el lenguaje Python, y se puede recuperar aquí.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de ScienceNordic, la fuente confiable de noticias científicas en inglés de los países nórdicos. Lea la historia original aquí.