La cosmología, es decir, el estudio de todo el universo, solo dejó el campo de la especulación en la década de 1960, con el descubrimiento del Fondo de microondas cósmico, o CMB. Antes de esto, el único progreso sustancial se hizo en las décadas de 1920 y 1930 con el descubrimiento de que el universo se está expandiendo.
Una pequeña hoja de ruta a través de la historia:
- La relatividad general (100 años este año) llevó a la comprensión de que el espacio-tiempo es más que una construcción filosófica; el espacio vacío puede tener curvatura, y esto está relacionado con las cosas (masa y energía) cercanas.
- En particular, una solución cosmológica general de lo que el espacio-tiempo debería estar haciendo en GR tendría el universo expandiéndose o contrayéndose.
- Esto contradecía el “principio cosmológico perfecto”, una idea filosófica que sostenía que “el universo se ve igual (en promedio) en todas las direcciones, en todas las ubicaciones y en todo momento”. Einstein estableció arbitrariamente un término constante en las ecuaciones a cero para dar un universo estático (sin expansión, sin contracción) (más tarde llamó a esto ‘mi mayor error’).
- Se encontró que esta suposición no estaba justificada. Primero llegó el descubrimiento de que las ‘nebulosas espirales’ son en realidad galaxias, como nuestra propia Vía Láctea (en aquel entonces se pensaba generalmente que la Vía Láctea * era * todo el universo y las nebulosas espirales eran pequeños grupos de estrellas dentro de él). Se descubrió, en realidad a partir de observaciones de estrellas variables, que en realidad eran extremadamente distantes; mucho más distante que las estrellas más lejanas. [ciertas estrellas variables cambian entre brillante y tenue con la frecuencia del ciclo relacionada con su brillo promedio. Esto se sabe al observar estas estrellas en nuestra galaxia. Verlos en galaxias ‘cercanas’ permitió inferir su brillo, y por lo tanto su distancia, porque el brillo aparente cae como [matemática] 1 / distancia ^ 2 [/ matemática]]
- Luego vino el descubrimiento de que el universo se estaba expandiendo. En resumen, Edwin Hubble (que había hecho las mediciones de estrellas variables que mencioné) midió el cambio de luz Doppler de estas galaxias cercanas. Estaba tratando de ver cuáles se movían hacia nosotros y cuáles se alejaban, presumiblemente con el objetivo de inferir su movimiento pasado y futuro. Hizo un descubrimiento curioso: casi todos fueron desplazados al rojo (es decir, alejándose de nosotros). Además, cuanto más lejos estaban, ¡ más rápido se alejaban! ¿Pero cómo podría ser esto? Hubble y otros se dieron cuenta de que si el espacio mismo se estuviera expandiendo (como las ecuaciones de Einstein para GR lo permiten en general), esto es exactamente lo que veríamos.
- Simultáneamente, Georges Lemaitre señaló que si el universo se estuviera expandiendo, eso implica que toda la materia debe haber estado mucho más cerca en el pasado. De hecho, retroceda lo suficiente y todo se acumularía en algún tipo de “átomo primordial”, o singularidad.
Esto nos lleva a lo que efectivamente fue una guerra ideológica entre científicos que todavía creían en el principio cosmológico perfecto (teóricos del “estado estable”) que generalmente creían que de vez en cuando se creaban nuevas masas y energía en los vacíos entre las galaxias. expandido y aquellos que creían en un ‘Big Bang’ (originalmente un término despectivo acuñado por Fred Hoyle, un físico famoso, pero un defensor del estado estacionario) en el que el universo tuvo un comienzo y una vez fue caliente y denso (es decir, lo que tú ‘ Espera ingenuamente si extrapola de las observaciones de Hubble: la relación ‘velocidad de recesión [matemática] = H_0 \ veces [/ matemática] distancia’ que descubrió puede usarse para inferir la edad del universo a partir de la edad = [matemática] 1 / H_0 [/matemáticas]).
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El descubrimiento del fondo del microondas cósmico finalmente terminó la discusión. Rebobina el universo lo suficiente y se calienta y se vuelve lo suficientemente denso como para convertirse en un plasma uniforme: gas con todos los electrones eliminados de sus átomos debido a las altas energías involucradas, que es opaco a la luz porque los electrones simplemente lo absorben y lo reemiten. Debido a que hace mucho calor, brilla intensamente, por lo que hay muchos fotones alrededor, pero están rebotando y simplemente siendo absorbidos y reemitidos constantemente. Al presionar nuevamente el botón “reproducir”, el gas se enfría desde este estado hasta que de repente todos los electrones libres son capturados por los átomos. El gas neutro es mucho más transparente a la luz, por lo que en este punto todos los fotones que rebotaban en el crucero circulan libremente a través del gas hasta que encuentran algo más sólido. Este es el CMB! Estamos viendo algunos de esos fotones, desplazados al rojo en frecuencias de microondas. Más importante aún, esas microondas son de intensidad y frecuencia uniformes en todo el cielo.
Sabemos lo caliente que debe ser el gas de hidrógeno para convertirse en plasma, por lo que sabemos cuál era la temperatura del universo cuando se emitieron estos fotones y, por lo tanto, con qué energía comenzaron (piense en cómo una barra de hierro calentada se ilumina al rojo vivo por primera vez). , luego amarillo, etc. – la frecuencia de la luz emitida depende de qué tan caliente estaba, exactamente). Entonces, sabemos qué frecuencia tenían las ondas de luz en ese entonces, y qué frecuencia tienen ahora, así que sabemos que desde la emisión, la luz se ha desplazado al rojo por un factor de 1100. Usando la constante [matemáticas] H_0 [/ matemáticas] de Hubble nuevamente inferir que la luz ha estado viajando a través del espacio en expansión durante aproximadamente 13 mil millones de años (por lo que el universo no es mucho más antiguo que eso).
Se puede usar un análisis más detallado de la CMB para revelar la edad exacta, pero no voy a entrar en eso demasiado. Para su pregunta, todo lo que tenemos que hacer es aclarar un punto y listo (porque acabamos de mostrar cuál es la edad aproximadamente). Ese punto es que el desplazamiento al rojo de los fotones es en realidad porque los fotones que viajan a través del espacio en expansión tienen su longitud de onda estirada en el proceso. Si el espacio entre dos puntos cualquiera se duplica en tamaño a medida que un fotón va del punto A al punto B, llegará con el doble de la longitud de onda en la que comenzó. Esto es importante: si realmente interpretamos que el desplazamiento hacia el rojo se debe al desplazamiento Doppler, se deduciría que cualquier galaxia que no sea la de desplazamiento hacia el rojo se alejará de nosotros a más de la velocidad de la luz, prohibido (si el universo no se está expandiendo) por relatividad especial. En realidad, esto está permitido porque el espacio se está expandiendo.
Ahora, el parche de espacio que emitió esos fotones CMB hace 13 mil millones de años estaba, en ese momento, a unos 40 millones de años luz de nosotros. El desplazamiento al rojo de CMB, por lo tanto, nos da esa cifra de 46 mil millones de años luz, porque esa distancia se habrá expandido en 1100 veces.
No barremos nada debajo de la alfombra. Desea saber cómo sabemos que estaba a 40 millones de años luz de distancia en ese entonces. En verdad, he hecho trampa para evitar hacer cálculos. Nuestra medición del desplazamiento al rojo es robusta, pero interpretar lo que significa en términos de distancias es en realidad más complicado de lo que he pretendido; vea Medidas de distancia (cosmología) si desea saber más. He tratado de darle un resumen de las observaciones que nos permiten inferir estos resultados, y motivar la teoría hasta cierto punto, pero para probarlo usted mismo tomará más, en particular una comprensión completa de la maquinaria matemática que estamos confiando en (por ejemplo, ecuaciones diferenciales).
