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Biografía del Universo 04: Inflando el Universo I




de 10-35 segundos a 10-32 segundos desde el inicio

Volvemos a la faena con la serie que llevamos entre manos y que hemos bautizado como “Biografía del Universo“. En la anterior entrada nos movimos por un suspiro temporal menor a 10-35 segundos, cuando el Universo era muy joven y también muy pequeño. Se encontraba en la vecindad del mundo de Planck, aunque mayor que él. Como ahí comentábamos, todo se reducía a un mundo de tamaño de un protón reducido a escala de 10-20. En estas pequeñeces nos sentimos muy bien apoyados por la física cuántica de campos, que maneja lo que conocemos como campos relativistas.[1]

Pero ¿qué es un campo relativista? Pues es una entidad física que permea todo el espacio y que sólo podemos conocer de su existencia por sus interrelaciones y sus excitaciones. Lo que en familia llamamos interacciones -fuerzas- fundamentales y ondas-partículas. Los campos relativistas no son como el resto de campos que precisan de un medio para ser,[2] sino que son físicamente reales y físicamente valiosos en el Universo, en el que gracias a sus ondas se transmite energía e información de un lado a otro, siendo así que las ondas de un campo pueden afectar a las de otro y pueden cambiar procesos que en su ausencia ocurrirían de otra manera. Los hay de muchos y diferentes tipos, al menos en el mundo de las matemáticas y la física más compleja.

Un magnífico superfísico de los campos cuánticos: Richard Feynman, que co-recibió el premio Nobel de física en 1965 por el desarrollo de la electrodinámica cuántica (Wikimedia, dominio público)

El mero hecho de que el campo tenga un valor en un punto determinado significa que ahí hay un potencial, una capacidad que tiene el campo para realizar “algo”. Pensemos como ejemplo en el campo gravitatorio, tomando arbitrariamente su referencia en la superficie de la Tierra: más arriba hay más potencial, más abajo hay menos potencial. Con este potencial, el campo gravitatorio puede mover una masa. De un punto con mayor potencial a un punto con menor potencial.

La energía potencial de un campo -o simplemente su potencial- viene definido de forma más general por la siguiente igualdad,[3]  siendo Ф el valor del campo Ф

potencial V(Ф) = [una constante A x Ф2] + [otra constante B x Ф4]

Si representamos la curva que define la ecuación anterior, f[V(Ф), Ф],[4] tenemos que pensar que su forma dependerá del valor de las constantes A y B. Que en líneas generales será alguna de las imágenes siguientes: la de la izquierda, para valores del coeficiente A mayores que cero, y la de la derecha, para valores de A menores que cero.

Esta curva nos dice cómo la energía potencial V(Ф) del campo puede tomar un valor u otro de acuerdo al valor que tome el campo. Este valor Ф es indicativo del estado particular del propio campo, sin que se precise el conocimiento de su distribución en el espacio, que puede ser muy variable, o en el tiempo. En relación a este último, como cosmológicamente se considera al universo homogéneo e isótropo, habrá que convenir que la variación temporal del campo será la misma en todos sus puntos.[5] Dado el necesario posicionamiento de los sistemas físicos en la “arquitectura” de mínima energía,[6] debemos convenir que el punto que defina el estado normal del campo es el que representan los mínimos de las anteriores curvas. Un campo cero en el primer caso, o un campo distinto de cero en el segundo.

Ésta precisamente es la foto del carnet de identidad del campo que creemos fue el responsable de la expansión primordial de nuestro Universo. Una ecuación de cuarto grado, representada en la figura siguiente, que correlaciona el valor del campo, en el eje horizontal, con el valor de su potencial -energía- en el eje vertical. Además, en distintos  momentos relativos al tiempo -temperatura-[7]. Vamos a llamar a este campo escalar el campo inflatón. Ya os podéis imaginar el por qué.

Habíamos visto en la entrada anterior que gracias a Einstein -y muy a pesar de sus iniciales ideas personales-[8] sabemos explicar por qué nuestro Universo se expande y que a lo largo de su historia lo pudo hacer de una u otra manera dependiendo de la distribución de energías, materias y presiones en su estructura espacio-temporal. En los momentos inaugurales del universo, el campo inflatón definiría esta distribución. Veamos cómo lo hacía. A medida que el universo se expandía se iba enfriando, por lo que el potencial del campo inflatón evolucionaba con el tiempo, de forma que su curva de estado cambiaba, dibujando una especie de progresivo aleteo descendente tal como hemos tratado de representar en la gráfica que sigue.

Evolución de la curva del potencial de campo inflatón con el tiempo (la flecha roja es a flecha del tiempo). Las T son las temperaturas del Universo en cada momento.

Durante un cierto tiempo -realmente menos que un suspiro-, antes de que el Universo llegara a la temperatura crítica Tc, el campo inflatón buscó lógicamente su posición de mínima energía, por lo que en todos sus puntos y en todo momento ésta tomaba el valor E0. Es decir, el campo inflatón estaba manteniendo en el sistema en expansión del Universo una energía prácticamente constante, circunstancia que hacía que, a pesar de que incrementara su volumen, la densidad de energía se mantuviera constante en el tiempo -lo digo de forma muy burda pero entendible-, al estar nuestro campo inflatón inyectando su E0 a todo “metro cúbico” nuevo de Universo. Lo cual es sorprendente si pensamos que lo normal es que, al expandirse un sistema aislado, al aumentar su volumen sin que pase nada más, la densidad de energía disminuye.

Veamos cómo juega esto desde un punto de vista termodinámico. El Universo se estaba expandiendo, lo cual debería conllevar una variación de su energía total. Al ser por definición un sistema cerrado[9] no podía haber ninguna transmisión de calor fuera de él o desde fuera a su interior. A eso se lo conoce termodinámicamente como un proceso adiabático que tiene la siguiente expresión matemática:

Variación de Energía  =  – Presión x variación de Volumen

Como hemos dicho, este proceso estaba sucediendo en un momento en el que el campo inflatón se encontraba prácticamente fijo en un mínimo de energía, que era constante y de valor E0, o quizás oscilando muy lentamente en un entorno muy cercano al mínimo de su ecuación de estado. Dada la isotropía y homogeneidad del Universo, la expansión material del espacio-tiempo no afectaba a los valores del campo, siendo su único efecto el que el campo inflatón extendiese localmente su influencia arrastrado por la propia expansión del tejido soporte. Podemos considerar, por tanto, que en aquellos momentos iniciales se estaba produciendo un incremento total de energía en el universo del siguiente calibre:

Variación de Energía del Universo  =  Densidad de energía en el campo inflatón (cte) x variación de Volumen

Evidentemente las dos expresiones anteriores tienen que ser la misma cosa. Por lo que si las igualamos concluiremos que

  – Presión  =  Densidad de energía en el campo inflatón (cte)

 o lo que es lo mismo al cambiar signos en ambos lados de la igualdad

Presión  =  – Densidad de energía en el campo inflatón (cte)

Como la densidad de energía del campo inflatón correspondiente al valor E0 es positiva, vemos con sorpresa que en el proceso de expansión tenía que estar presente una presión negativa. Recordemos esta circunstancia.

Si volvemos a fijarnos en la figura anterior, la que dibujaba la dinámica de la curva de estado del campo inflatón a medida que pasaba el tiempo y el universo se enfriaba, podemos apreciar cómo en un cierto momento a lo largo de esa dinámica temporal se va abriendo para el campo inflatón la posibilidad de nuevos mínimos energéticos. Una situación termodinámicamente mucho más atractiva para él, que se va a ver impelido a evolucionar desde el mínimo inicial (E0) hasta uno nuevo, inferior al anterior, en donde el valor global del campo ya va a ser distinto de cero (H0). Mientras el campo inflatón se encontraba con valor cero en su primer mínimo, no tenía capacidad para generar partículas físicas “estables” -aunque sí un trasiego de las virtuales, que aparecían y desaparecían- y por eso a este estado lo podemos categorizar como un estado denominado de falso vacío.[10] En el momento en que “cayó” al nuevo mínimo en donde el campo SÍ tenía un valor, aunque con una mínima energía, entonces sí alcanzó la posibilidad de dar a luz, además de a las partículas virtuales, a partículas “estables”. Por contraposición, a este nuevo estado se le conoce como de verdadero vacío. La tendencia a la caída de un vacío al otro es algo semejante al agua de una presa, que al romperse pasa de una embalsada tranquilidad -la falsa- a otra embalsada tranquilidad de menor energía -la verdadera-, cuando alcanza el mar. En el proceso transforma su energía potencial inicial en energía de movimiento, lo cual introduce una sutil pista para lo que vendrá en esta serie.

Para que el campo pase del falso vacío al verdadero tiene un pequeño problema: ha de superar una barrera de potencial. Pero la cuántica nos da la solución al decirnos que lo consigue gracias al efecto túnel[11]

En los primeros momentos del tránsito de un vacío al otro, cuando el valor del campo aún estaba muy próximo a cero, es cuando el campo inflatón estaría favoreciendo el embalsamiento de energía en el Universo en expansión. Y ya sabemos que esto generaba en su tejido una presión negativa. Usando este dato podemos intentar resolver para nuestro campo la ecuación de Einstein ajustada a un universo plano como el nuestro, que es de tal calibre:[12]

ä(t) = aceleración del cambio de escala = – K . (densidad de energía) . a(t) = K . (-presión) . a(t) = + K . (presión) . a(t)

Tras unos sencillos cálculos, obtenemos para el factor de escala de la expansión a(t) algo así como:

a(t) = c raíz cuadrada (2 K t)

lo cual es una relación exponencial entre el factor de crecimiento y el tiempo, cuya paternidad debemos achacar a que la presión negativa del inflatón nos ha cambiado radicalmente el alma del proceso, al haberse transmutado un signo menos por uno más. La existencia de un campo inflatón estaba introduciendo una derivada que solucionaba muchos de los problemas que los cosmólogos no entendían si la expansión del universo hubiera sido menos potente, que era lo que a fin de cuentas decía la teoría primitiva del Big Bang. Entre otras cosas incomprensibles, la de el porqué de la homogeneidad de la información que observamos en el Universo.

Todo lo anterior fue la base de la propuesta de la teoría inflacionaria -conceptuada como la “antigua”- del físico Alan H. Guth. A medida que el universo primigenio se expandía y enfriaba, se vio atrapado en un estado inestable de falso vacío, que técnicamente se le conoce como superenfriado. Para decirlo de forma sencilla, más enfriado de lo que toca para el estado físico que se observa. Éste es el estado en el que se puede encontrar a veces el agua en proceso de congelación, que no acaba de solidificarse a pesar de estar a una temperatura muy por debajo de 0ºC. Su estado es líquido pero altamente inestable, de forma que cualquier alteración, golpe, movimiento o suciedad en su interior, le provoca un colapso progresivo hacia el estado de congelado. Las semillas iniciadoras se congelan, siguiéndolas el resto del agua en fase líquida. Precisamente esto es lo que le debió pasar al campo inflatón de Guth, que se “derrumbó” desde la posición de falso vacío hacia el de verdadero vacío a través de un proceso de “tunelaje” cuántico por el que se iban formando espontáneamente burbujas de vacío verdadero en el mar de falso vacío del Universo, burbujas que rápidamente se aquietaban mientras el resto del espacio-tiempo seguía su expansión exponencial. Al final, todo llegaba a ser un mundo de burbujas fusionadas en un espacio superexpandido. Se suponía que al juntarse las burbujas, en el choque, se debían “alumbrar” las partículas de radiación y de materia que hoy observamos. Pero los cálculos decían que la expansión era tan rápida que nunca llegaban a encontrarse las burbujas. La idea general de Guth era buena, pero tampoco nos resolvía algún “detalle”. De forma que tuvimos que buscar nuevas teorías que siguieran estando enmarcadas dentro de la general de una expansión exponencial.

Aquí entró la intuición del físico teórico ruso-americano Andréi Linde, que perfeccionó la idea inicial de la inflación propuesta por Alan H. Guth. Su punto de partida sería la hipótesis de que hubiera una proporcionalidad entre el campo escalar inflatón y su potencial, su energía. Se trataba de una propuesta que no requería de efectos gravitatorios cuánticos, de transiciones de fase, de un super-enfriamiento o de un super-calentamiento inicial. Y a pesar de ello el Universo, se expandía aún a mayor velocidad.

Algunos genios de la cosmología. La “vieja escuela” expansiva (1923) y la “nueva escuela” inflacionaria (2014) (Izquierda, wikimedia,  CC BY-SA 3.0 y derecha, Camille M. Carlisle / Sky & Telescope, fair use)

Después de la presentación de los viejos y “jóvenes” monstruos de la cosmología… Einstein, Sitter, Lorentz… Guth, Linde… ¡y no nos olvidamos de los pioneros, Alexander Friedmann y Georges Lemaître!,[13] creo que es el momento adecuado para proponer un respetuoso descanso en honor de gente tan sagaz. Y más que nada, porque la entrada ya va siendo larga y aún quedan bastantes cosas que decir sobre el hecho de la inflación. Así que hasta la próxima entrada, que se llamará “Inflando el Universo II”… muy imaginativo, ¿no? Hasta entonces.

  1. Que son los que intervienen en la mayoría de los fenómenos físicos de esta historia: electromagnético, gravitatorio, electrónico, … []
  2. Aunque no tenemos que confundir ambas entidades: el campo describe y caracteriza una de las muchas propiedades relevantes del medio. []
  3. Una mayor información en el siguiente enlace. []
  4. Que a fin de cuentas es una ecuación de cuarto grado que podemos aprender a resolver en este enlace []
  5. Con ello se simplifica en gran medida los cálculos de las ecuaciones cosmológicas que quedan independientes de (x,y,z). Fue el “truqui” que explotó el matemático y meteorólogo ruso Alexander Friedmann, el primero que resolvió las ecuaciones de Eisntein []
  6. De acuerdo al principio termodinámico de mínima energía. Para saber más, aquí. []
  7. La temperatura es proporcional al factor de escala del Universo. Y el factor de escala varía con el tiempo según estas sencillas igualdades: en un mundo en que domina la materia, la correlación es a = Kt2/3, y si es la energía quién domina, A= Kt1/2. Para más información ver aquí y aquí []
  8. Al ver Einstein que de sus ecuaciones de la relatividad surgía un universo que no era estático, propuso una modificación de las mismas que incorporaba una constante cosmológica que anulaba la expansión. Cuando con posterioridad fue evidente que el Universo se expandía, el propio Einstein calificó su decisión como “el peor error de su carrera”. []
  9. Fuera del Universo no hay nada. Y nada es nada. []
  10. En cuántica, vacío es el nombre que se le da al estado de un sistema físico que está en su mínimo de energía. []
  11. La cuántica nos dice que a la vez hay una cierta probabilidad, quizás mínima, de que el campo se encuentre en el vacío verdadero y otra probabilidad de que se encuentre en el falso. Luego el “salto” de la barrera es posible. []
  12. Ya hablamos de ella en la entrada anterior. []
  13. Friedman fue quién descubrió una de las primeras soluciones cosmológicas de las ecuaciones de la relatividad general, la correspondiente a un universo en expansión; mientras que Lemaître fue el padre de la idea original de lo que luego se conocería como el Big Bang, que el mismo llamó “hipótesis del huevo cósmico”. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 18 } Comentarios

  1. Gravatar Ilirio | 10/04/2017 at 03:12 | Permalink

    Jreguart, Esta entrada sí que se hace más difícil de entender para legos como yo , aunque introduces algunas analogías igual me pierdo un tanto , haber si me explico . fue durante la incursión del campo inflatón cuando se coló toda esa colosal energía-materia actual del universo ? Me refiero a la materia y antimateria que luego se aniquilan, y extrañamente sobrevive la materia ? . Se tiene idea al menos cuanto se expande el universo en esta etapa? Sin el campo inflatón no habría resultado exitoso el surgimiento del cosmos ? Y por qué. Gracias y te felicito por tan interesante tema que abordas .

  2. Gravatar jreguart | 11/04/2017 at 07:42 | Permalink

    Hola Ilirio,

    intento contestar tus dudas. ¿Fue durante la incursión del campo inflatón cuando se coló toda esa colosal energía-materia actual del universo? Si, esto es lo que postulan las teorías de la inflación.

    ¿Me refiero a la materia y antimateria que luego se aniquilan, y extrañamente sobrevive la materia? Ya lo veréis en una entrada posterior de la serie, pero sí, lo que se cree es que la energía embalsada por el campo inflatón a lo largo de los pocos instantes que duró la inflación fue la que dió a luz a la materia/radiación que observamos. Por un proceso denominado por los físicos “rotura de simetría CP” se cree que algunas de las partículas que se generaron inicialmente, en su propio juego de creación y aniquilación produjeron un pequeño exceso de partículas frente a sus antipartículas. Se cree que una partícula de materia más por cada 10.000.000 de pares partícula-antipartícula. Estás últimas se aniquilaron unas a otras desapareciendo del campo de juego y quedando sólo la pequeña proporción de materia (como contrario a antimateria) que observamos.

    ¿Se tiene idea al menos cuánto se expande el universo en esta etapa? Pues hay para varios gustos. El factor de escala que más he leído es el de más o menos 2exp100 (o lo que es lo mismo 10exp32). También lo veremos en una entrada posterior.

    ¿Sin el campo inflatón no habría resultado exitoso el surgimiento del cosmos? Tal como creemos entenderlo, no. Sin la energía que iba introduciendo en el tejido espacio-temporal del Universo el campo inflatón, posiblemente la gravedad hubiera colapsado rápidamente al Universo en sus momentos iniciales (de acuerdo a lo que dicen las ecuaciones de Einstein). De todas formas el camino energético -que es lo mismo que de temperaturas- del Universo hubiera sido otro por lo que las partículas que hubieran existido en esas condiciones no serían las que conocemos y por tanto nuestro mundo de protones y electrones y elementos de la tabla periódica que conforman a la materia que observamos, no hubiera tenido lugar.

    Un saludo

  3. Gravatar Ilirio | 11/04/2017 at 03:39 | Permalink

    Jreguart, Agradecido con tu respuesta, es una gran labor de divulgación la que realizas y se agradece tu buena disposición a responder nuestras inquietudes . Un abrazo y mucha suerte .

  4. Gravatar jreguart | 11/04/2017 at 05:03 | Permalink

    Hola Ilirio,

    es un placer el poder ayudar. De paso me sirve de acicate personal. Así que ¡gracias! y hasta la próxima.

  5. Gravatar dino | 11/04/2017 at 10:08 | Permalink

    en la wiki dice que estando el universo con un radio de 10 elevado a -50 metros logra una expansión debido al campo inflatón de un metro de radio desde los 10 elevado a -35 segundos a los 10 elevado a -34 segundos .

  6. Gravatar jreguart | 12/04/2017 at 08:02 | Permalink

    Hola Dino,

    gracias por tu aportación. Podemos encontrar mil propuestas acerca de este tipo de cuantificaciones, aunque todas aproximadamente del mismo orden. A estas alturas de la vida del Universo, y con lo teórico de nuestras apreciaciones de aquel momento, un factor 10 por arriba o por abajo me parece irrelevante.

    Uno de mis “maestros” ha sido el astrofísico John Gribbin con su sinfín de publicaciones para desasnar al personal. El siempre plantea la imagen de que a los 10exp-35 comenzó a duplicarse el tamaño del universo cada 10exp-34 hasta el tiempo 10exp-32 (lo que hace 100 duplicaciones) de forma que una cosa 20 ordenes de magnitud más pequeña que el protón pasó a tener el tamaño de un pomelo.

    Saludos

  7. Gravatar amador | 14/04/2017 at 02:25 | Permalink

    leyendo unos comentarios anteriores me he quedado con una duda . alguien afirmó que la masa de los nucleones entregada por el campo de higgs representa aproximadamente el 1% y el resto partículas con velocidades relativistas , que los electrones una también despreciable masa del átomo. ¿quiere decir esto que lo que nosotros entendemos por materia sólida es una mínima parte y el resto es vacío? y que cuando vemos las cosas son solo fotones sin masa que vienen de los electrones de la superficie de los átomos de esas cosas y que cuando creemos tocar esos objetos es simplemente la reacción inmaterial de rechazo cuando se acercan los electrones de igual carga ? no vemos nunca realmente la materia ni tampoco la tocamos ? la mente inmaterial se contacta con un 1% de la realidad material y todo el resto es vacío? cuánto de real tiene esto? estoy leyendo tu entrada muy buena por lo demás , pero antes necesito aclarar estas dudas . muchas gracias

  8. Gravatar jreguart | 14/04/2017 at 08:22 | Permalink

    Hola Amador,

    pues sí, esta es la gran pregunta también para mi, al igual que para mucha gente que ha dedicado mucho de su tiempo de pensamiento en intentar comprender esto que parece ser la realidad. Además es un tema que se imbrica rápidamente con otros aspectos de lo que llamamos nuestro mundo trascendente, muchas veces justificado en algo que no podríamos llamar físico ¿Qué es la percepción, qué es la realidad?… a mi me da un poco de vértigo. Vértigo que es el transfondo que motivó la serie que estoy publicando también en El Cedazo, “Los sistemas receptores“.

    Aunque parezca que pueda ser como tu has apreciado, hay alguna corriente de la Ciencia y de la Filosofía que parecen apuntar a una solución. Y es que abogan por que el mundo en el que existimos está compuesto de varias capas que coexisten y que cada una de ellas tiene validez en un entorno preciso para el propósito que entendemos que tienen. Y cada capa es una realidad emergente a partir de la que podríamos llamar realidad -otra capa- de grado más fino. Por ejemplo, la capa de Consciencia, con su mundo, su lenguaje y sus consecuencias de trascendencia, previsión y planificación, ética…, surgiría de la capa de la Vida, también con su mundo, lenguaje y consecuencias, basados en metabolismo, bioquímica, evolución… y las dos capas serían parte de la realidad ya que ambas nos sirven y las necesitamos para definir la realidad del cada día. Por debajo de la Vida estaría el mundo químico que habla con otro idioma y que como realidad en sí no necesita para existir de los conceptos de las otras capas. Por debajo el mundo de la Física de grano grueso, con su realidad de aceleraciones, posiciones, movimientos, gravedades, presiones, volúmenes… Más abajo la realidad de la Física de grano fino con su mundo y lenguaje de campos cuánticos, partículas, incertidumbres… E incluso aún se atreven a aventurar que parece haber una realidad más esencial, sustrato finísimo de las otras, abstracto y matemático, en la que reinaría algo así como la ecuación de estado de Schrödinger que contiene la superposición de todos los mundos y todas las leyes físicas. Y ninguna de estas capas es incompatible con las otras.

    Todas estas realidades son parte de lo que llamamos nuestra realidad -bien es verdad que muchas de ellas son solo válidas para los humanos- y las necesitamos para entender nuestra existencia. Entonces… SON TAMBIÉN REALIDAD dicen. Realidades en si mismas que van surgiendo emergentes de las de más abajo, de las de grado más fino, de las que no necesitan prácticamente -o sin prácticamente- nada. Por ejemplo, ¿para entender la emergencia que llamamos vida necesitamos saber del mundo de las partículas? Incluso ¿usamos el mismo lenguaje en ambas emergencias? NO… y sin embargo somos capaces de imaginar ambos mundos reales en sí mismos.

    Dicho esto, cada uno que piense como crea que pueda ser… y que cada uno viva sin romperse mucho la cabeza aunque teniéndola en el suelo. Realmente las preocupaciones primarias de la mayoría de los humanos son otras… alimentarse, educación, salud, habitáculo, dignidad… ese parece ser el mundo emergente motor.

  9. Gravatar amador | 15/04/2017 at 02:48 | Permalink

    pues que decirte , me has dejado abrumado con tu respuesta , es mucho más de lo que pedía ; no se si pueda digerirlo así de una , en ella hay conceptos e información que estoy muy lejos aún de manejar . simplemente sucede que observando una roca gigante en una montaña pensé que más de un 90% de ella es vacío y se me hizo muy difícil aceptarlo ……y claro miré a mi alrededor e imaginé un vacío de vértigo . gracias por tu respuesta y comienzo a leer “Los sistemas receptores“. un abrazo y te seguiré molestando .

  10. Gravatar jreguart | 15/04/2017 at 08:06 | Permalink

    Hola Amador,

    si te sirve de consuelo yo también creo ver vacío. Pero sin lugar a dudas mi vida también se mueve, por ejemplo, en un mundo material sólido, gaseoso y líquido que para comprenderlo sólo necesito hablar de presiones, velocidades del aire, pesos de las masas… y nada de vacíos, incertidumbres, partículas y campos cuánticos. Así que lo material también es una realidad de mi vida, uno de mis mundos, aunque sea una convención evolutiva creada en el cerebro para favorecer la supervivencia. Cuando encontré la tesis que te dejé en mi respuesta se me abrió como un paisaje de optimismo ¡había algo más, importante y real, en que pensar!

  11. Gravatar Yang | 18/04/2017 at 09:40 | Permalink

    Y se supone que a partir de estas épocas, a partir de estos campos y sus partículas asociadas y energías , nosotros debemos inferir que millones de años después surgió la vida? ; porque se supone que estos son los únicos actores y el escenario . Mejor dicho nos debemos a todo ese mundo microscópico . Es muy extraño por decir lo menos , cuesta tanto creerlo .

  12. Gravatar jreguart | 19/04/2017 at 10:35 | Permalink

    Hola Yang,

    Puede parecernos extraño… pero las evidencias y nuestros conocimientos nos permiten pensar que eso fue así con un alta probabilidad. Quizás estés adelantado tu opinión. Sigue con la serie si te parece para ver como todas estas partículas y estos campos creemos que fueron evolucionan a través de una historia continua para crear el Universo que vemos. En este universo surge el sistema solar con a Tierra y en ella la Vida. Si no has leído en El Cedazo la serie La biografía de la Vida… te recomiendo hacerlo para hacerte una idea de como la historia de campos y partículas acabó en nuestro mundo de hoy. Se cree que la Vida pudo aparecer a los pocos cientos de millones de años de formarse la Tierra, la cual se formó, más o menos, a los 10.000 millones de años del Big Bang.

    Y esto es ciencia, aunque resulte asombroso. Es lo bonito de mirar a nuestro alrededor con ojos curiosos.

  13. Gravatar Zenón | 19/04/2017 at 03:15 | Permalink

    En esta etapa Cuando el universo era sólo energía con partículas a la velocidad de la luz , nada hace suponer la futura existencia de la vida , todo es simetría, pero hace su aparición el campo Higgs y su partícula ; la cual le dará masa a una parte del universo ( no hay consenso aún el %) rompiendo la perfecta simetría que existía .

  14. Gravatar Tomás | 05/05/2017 at 08:19 | Permalink

    Hola. en primer lugar enhorabuena por la serie.

    comentas que “a medida que el universo se expandía se iba enfriando”, ¿podrías explicarme cómo?

    Tengo entendido que se enfrió por “expansión adiabática”, pero si se expande sobre el vacío, no hace trabajo, por lo tanto es una “expansión adiabática libre” y en esta, creo, no hay descenso de temperatura. ??????

    Muchas gracias.

  15. Gravatar jreguart | 06/05/2017 at 10:55 | Permalink

    Hola Tomás,

    ante todo tengo que comentarte que esta expansión del universo no es libre y SI adiabática. No es libre porque las partículas que formaban el plasma inicial no surgen en un punto determinado del Universo para después expandirse en un tejido espaciotiempo ya existente, a su aire, separándose unas de otras, manteniendo su energía cinética y por tanto manteniendo un entorno de temperatura media constante.

    La expansión del Universo es adiabática. Imagínate un globo en un estado inicial hinchado lleno de partículas de gas. Por magia de la tecnología consigues que sin acción exterior, ni entrante ni saliente, el globo incremente su volumen. Las moléculas del gas que estaban uniformemente repartidas por todo el volumen inicial, al expandirse este último seguirán repartidas uniformemente por todos los lados del interior del globo. Lógicamente más separadas, por lo que las interacciones entre ellas serán menores lo que se traducirá en una bajada de presión interna. Pero también al separarse, la densidad de energía cinética interna será menor, lo que podemos traducir como una menor temperatura media en el interior del globo. Incremento de volumen sin influjo externo supone un descenso de la presión y de la temperatura. Esto creo yo que es una expansión adiabática.

    Pero a la vez se produce un trabajo igual a la integral de los productos infinitesimales de presión y volumen, entre el momento inicial y el final -integral de dP.dV-.

    En teoría esto es lo que le pasaba al Universo.

    Pero pasemos ahora al Universo de verdad. Ante todo transcribo palabras de Seteven Weinberg de su libro “Los tres primeros minutos del Universo”: “A pesar de su rápida expansión, el universo está en un estado cercano a un perfecto equilibrio térmico. El contenido del Universo está dictado por las reglas de mecánica estadística.” Por lo que me permito añadir que la termodinámica es perfectamente aplicable sin demasiado error. Luego, podemos considerar al Universo a través de un modelo que representa un sistema repleto de un gas, cuyas moléculas equivalentes serían las partículas que se mueven en su interior. En las primeras fracciones de tiempo serían partículas que se moverían a velocidades relativistas, por lo que entonces al Universo se le consideraba dominado por la radiación, aunque siempre que pensamos en ella pensamos en los fotones.

    Con la expansión del Universo la densidad de la radiación -de su aportación energética- disminuía con la cuarta potencia del factor de escala expansión. Tres de esta “cuarta potencia” por ir acompañando al incremento de volumen -“lado al cubo”- y aún una más, hasta cuatro, por irse alargando la longitud de onda de la radiación al estar montada íntimamente en el tejido espacio temporal que se expandía. Y ya sabemos que la energía de la radiación es inversamente proporcional a su longitud de onda.

    También sabemos que el Universo se comporta como un perfecto cuerpo negro teórico. Y Boltzman nos dijo que la distribución de densidad de energías en un cuerpo negro es proporcional a la potencia cuatro de su temperatura promedio. Luego, igualando lo dicho en la frase anterior con lo dicho en el párrafo anterior… mientras el Universo doblaba su tamaño -dividía por dos su densidad energética-, a la vez pasaba su temperatura a la mitad.

    Y nos queda el problema del trabajo desarrollado en esta expansión adiabática. Porque el Universo creemos que es ilimitado, no tiene fronteras, y por tanto no puede hacer trabajo en otro sistema exterior que haga frontera con él. Se trata por tanto de un trabajo interno que lo que hace en cierta medida es degradar la energía libre del Universo incrementando su entropía entre otras cosas. Pero hace algo más como puedes leer en el párrafo que transcribo de esta entrada -https://cuentos-cuanticos.com/2011/11/04/ingredientes-para-hacer-un-universo/- del blog Cuentos Cuánticos [lo escrito sin cursiva es de mi cosecha]: “Esa idea está muy bien pero hay que tener en cuenta que en realidad el fluido cosmológico no está haciendo ninguna fuerza en ninguna pared. Se denomina presión -con la que se realizaría el trabajo al incrementarse el volumen, P.V- simplemente porque es algo que está definido como un flujo a través de una superficie (imaginaria) -interna-, pero su sentido real es la contribución a la gravedad de la energía que está fluyendo de un sitio a otro -la presión según las ecuaciones de relatividad de Einstein genera gravedad-. Esto se ve claro en relatividad general de donde procede este concepto (a través del estudio del tensor energía momento) pero dado que nosotros estamos llegando a la cosmología empleando argumentos Newtonianos hemos de tener en la cabeza esta sutilidad que estamos exponiendo. Para terminar, la presión no es la que produce la expansión, la expansión es una característica intrínseca del universo.

    Espero que con todo este rollo se queden las ideas más claras. Y como siempre digo… serán bien recibidas todas las opiniones que apoyen la clarificación. Advierto, como siempre también, que yo soy técnico no físico.

    Y gracias por tus amables palabras.

  16. Gravatar Tomás | 08/05/2017 at 09:12 | Permalink

    Muchísimas gracias por la respuesta.

    En primer lugar decirte que no tengo muchos conocimientos de física, solo soy un simple “aficionadillo”, por lo que me pierdo en algunos párrafos.

    El ejemplo que pones del globo ¿no es lo mismo que el experimento de Joule? Como sabemos se expandió un gas hasta ocupar el doble de volumen sin variar la temperatura, pues el trabajo de expansión es 0.

    En el globo aunque aumente el volumen y las interacciones moleculares sean menos, la energía cinética media (temperatura) será la misma ¿no?, y si no es así ¿dónde ha ido a parar toda la energía que se disipa cuando baja la temperatura?

    ¿O te refieres a la temperatura media? División de la temperatura entre el volumen, si es así la densidad baja, pero la energía cinética de cada molécula será la misma, pues al no hacer trabajo no pueden perderla. Porque no hay variación de energía interna en el proceso.

    Lo que tenía medianamente claro era que, cuando un gas se expande, (expansión adiabática) y el trabajo de expansión era 0, no podía bajar la temperatura porque si bajada ¿Dónde iba a parar esa energía?

    Si aplicamos la teoría del segundo párrafo al experimento de Joule, tendríamos que concluir que también baja la temperatura.

    En cuando al último párrafo, el problema del trabajo, (que yo creo que es lo importante de entender, pues es la razón por la cual el universo se enfría, pues la energía que utiliza para este trabajo la extrae de la temperatura ¿no?) comentas que es la “contribución a la gravedad de la energía que está fluyendo de un sitio a otro, pues la presión genera gravedad”, no lo entiendo bien, ¿esto es el trabajo que realiza el universo?

    Lo que se dice también en el blog “Cuentos Cuánticos” es:

    Radiación –> P= 1/3 pc3 Esta es la presión de radiación que uno obtiene al estudiar la presión de las ondas electromagnéticas, en este caso es la densidad de energía electromagnética en el universo.

    Esta presión ¿es el trabajo del universo?
    

    Te agradezco tu paciencia.

    Un saludo.

  17. Gravatar jreguart | 09/05/2017 at 10:01 | Permalink

    Hola Tomás,

    no sé si voy a poder ayudarte mucho pues yo soy otro “aficionadillo”, con toda seguridad aún más que como te defines a ti mismo. No sé si voy a repetirme pero es tal como lo veo:

    Durante la expansión del Universo no se da una expansión libre de un gas, una expansión contra el vacío como se dice. Yo interpreto que no hay un gas que se expande para ocupar un nuevo volumen, sino que lo que se expande es el tejido espaciotemporal del Universo. Y montado sobre el la radiación se va diluyendo. No es el gas, las partículas de radiación, el que produce la expansión del Universo. Esto es lo que entiendo cuando en Cuentos Cuánticos Enrique F. Borja nos dice “…en realidad el fluido cosmológico no está haciendo ninguna fuerza en ninguna pared…” La presión de las partículas debida a su energía cinética no es lo que está provocando un incremento del volumen. Luego estas partículas no están haciendo realmente un trabajo termodinámico durante la expansión. El universo se expande, se cree, por la influencia de un campo semejante al inflatón, quizás el mismo.

    Quizás estemos pensando en plan Newton unos procesos que no se pueden contemplar con esta perspectiva. Aquí domina la Relatividad General y he leído -ve este enlace http://www.preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/energy-is-not-conserved/- que si pensamos en relatividad general tenemos que aceptar que la deformación del espacio tiempo puede añadir o restar energía a la materia, por lo que tendríamos la paradoja de que la energía no se conserva. Y cómo no pensar en la energía oscura que crece y crece en valor absoluto mientras el tejido del Universo crece y crece.

    De todas formas creo que me estoy metiendo en materia cosmológica muy compleja de la que no tengo ni idea. Sería bueno que alguien con conocimientos específicos nos alumbrase las dudas. Por lo que me quedo sólo en la película cosmológica, sin profundidades físicas, en la que el Universo diluye su energía al irse expandiendo, lo que hace bajar su temperatura. Piensa que en los primeros momento dominaba la radiación y esta pierde energía con la expansión de su longitud de onda. Yo creo que esta energía perdida tiene su reflejo en un incremento de la entropía del Universo, coherente con el hecho físico de que la materia y la radiación se van diluyendo cada vez más en un volumen mayor (más desorden).

    Seguimos el intercambio.

  18. Gravatar Tomás | 10/05/2017 at 12:12 | Permalink

    Hola jreguart

    Como bien dices igual yo también me estoy metiendo en materia demasiado compleja para, sin tener muchos conocimientos, poder entenderla en profundidad.

    Por lo que, siguiendo tu buen criterio, también me quedo con la película cosmológica, sin profundidades físicas, y con tu comentario: “el Universo diluye su energía al irse expandiendo, lo que hace bajar su temperatura”, sin meterme en más “líos”.

    Muchísimas, muchísimas gracias por tus explicaciones, me han sido, de verdad, de mucha utilidad y, nuevamente, enhorabuena por la serie.

    Un saludo y hasta otra.

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