La luz y la materia después del Big Bang
La teoría del Big Bang iniciada en 1927 por el físico y canónigo Georges Lemaître, describe el origen y la evolución del Universo. En el momento inicial, hace 13.700 millones de años, antes de su expansión meteórica, se admite que el Universo se redujo a un punto del tamaño de una cabeza de alfiler y que estaba extremadamente caliente.
El astrónomo Edwin Hubble, en 1929, confirma la expansión del Universo. Cuanto mayor es la distancia entre los objetos celestes, más rápido se alejan unos de otros. Esto significa que todo en el Universo estuvo alguna vez efectivamente concentrado en un solo punto.
El descubrimiento hecho por casualidad, del fondo difuso cosmológico en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson confirmó la validez del modelo estándar del Big Bang. Esta radiación térmica observada no nos remonta a la singularidad original, sino a unos 380.000 años después del Big Bang, lo que corresponde al momento de desacoplamiento entre la luz y la materia.
Lo que el Universo fue durante su primer segundo de existencia, campo de estudio de la física de las muy altas energías, tendría que permanecer velado para siempre.
Generalmente se acepta que las teorías físicas actuales permiten entender cómo era nuestro Universo después de un segundo de existencia.
Fotones de luz de muy alta energía colisionaron para producir materia en forma de partículas (electrones) y antipartículas (positrones). Cuando estas partículas y antipartículas chocan en un proceso extremadamente violento, desaparecen en un haz de luz. Se producen nuevos pares de fotones.
En el llamado período de recombinación, que se extiende desde unos pocos minutos hasta 380.000 años después del Big Bang, los electrones libres se combinan con los núcleos atómicos para formar átomos y luego moléculas. Después de esta expansión del Universo y por lo tanto de su enfriamiento a unos 3000 grados, los fotones ya no tenían la energía necesaria para transformarse en pares electrón-positrón. Permanecían en forma de fotones que interactuaban mucho menos con la materia. Los fotones de luz previamente capturados por los electrones libres pudieron ser liberados y esparcidos por todo el Universo, el cual se volvió opaco.
No obstante, los electrones, positrones y otras partículas de la materia siguieron colisionando para producir cada vez más fotones. Los fotones de luz, sin masa, pudieron desde ese momento viajar libremente a través del Universo.
Para aprender mas sobre
el Universo Primordial
De la materia a la luz
Paul Dirac , en 1928, muestra que cada tipo de partícula está asociada a una antipartícula de la misma masa. Por ejemplo, un electrón tiene una carga eléctrica (-). La antipartícula del electrón, el positrón, tiene la misma masa que el electrón y una carga eléctrica opuesta (+). Cuando una antipartícula se encuentra con una partícula, ambas se desmaterializan y se transforman en radiación electromagnética compuesta de fotones; hay una aniquilación de la materia a favor de la luz.
La teoría de la relatividad de Albert Einstein muestra que la materia y la energía pueden intercambiarse según la famosa fórmula E = mc2.
La colisión de una partícula y su antipartícula emite una cantidad de energía que da lugar a dos fotones. La energía total transportada por los fotones corresponde a la energía de la masa contenida en el sistema antes de la colisión. La transformación de la materia en luz es un hecho probado.
De la luz a la materia
En 1934, Gregory Breit y John Wheeler propusieron una transformación opuesta a la de Dirac, es decir, la creación de materia a partir de la luz. Dos fotones de luz podrían combinarse brutalmente para producir dos elementos de masa: un electrón y un positrón. Esta es una de las investigaciones más audaces de la electrodinámica cuántica.
Los experimentos que requieren una energía considerable pueden estar cerca del éxito. Esto resaltaría uno de los principales procesos del Big Bang, cuando el Universo aún no había alcanzado un segundo de existencia.
La relatividad restringida y la velocidad de la luz
Para Isaac Newton, el tiempo y el espacio no estaban íntimamente ligados. Una información se transmite a una velocidad infinita. La atracción gravitatoria entre dos cuerpos distantes, como los planetas, se extendió instantáneamente. Esto era difícilmente razonable o comprensible. El mismo Newton era consciente de ello.
Con Maxwell, Lorentz, Poincaré y Einstein en particular, la velocidad de todos los fenómenos físicos tenía un límite: la velocidad de la luz (300.000 km/s). Una cierta cantidad de tiempo era necesario para transmitir información de un punto en el espacio a otro. El tiempo y el espacio están por lo tanto íntimamente ligados, de ahí la noción de espacio-tiempo.
En relatividad restringida, cualquier interacción (y cualquier información) se transmite al máximo a la velocidad de la luz, que es la misma en todos los sistemas de referencia.
En un sistema de referencia galileo, necesitamos tres dimensiones de espacio (x, y, z) a las que añadimos un tiempo absoluto (t). En relatividad restringida, el espacio-tiempo tiene cuatro dimensiones íntimamente relacionadas (x, y, z, t).
La paradoja de los gemelos de Langevin
En la mecánica clásica, para el pasajero de un barco y para una chica de verano en la playa, el tiempo pasa de la misma manera. Para Galileo y Newton, el tiempo es absoluto.
En relatividad restringida, el tiempo es menos rápido para el pasajero del barco que para la chica. Las diferencias son ciertamente minúsculas y no medibles, pero se vuelven muy importantes cuando te acercas a la velocidad de la luz.
La Paradoja de los gemelos de Paul Langevin (1911) es un experimento de pensamiento que ilustra la revolución introducida por la relatividad restringida. Uno de los gemelos viaja en una nave capaz de viajar a una velocidad cercana a la de la luz. Para cuando regrese a la tierra, habrá envejecido menos que su gemelo que permaneció en la tierra. Y la diferencia, dependiendo de las condiciones, puede ser de años. Esta paradoja, que debe ser discutida, será validada por la relatividad general.
La relatividad general y la gravitación
La teoría de la relatividad restringida fue hecha para sintonizar el electromagnetismo de Maxwell con la mecánica revisada de Newton, basada en los systems en movimiento relativo uniforme. Sin embargo, esta nueva teoría no estaba de acuerdo con las leyes de la gravitación y el movimiento relativo y acelerado.
La gravitación parecía transmitirse instantáneamente. Sin embargo, según el principio de relatividad restringida, no es posible transmitir ninguna señal a una velocidad superior a la de la luz.
En 1907, Einstein tuvo una revelación cuando vio a un techador caerse de un techo. Durante su caída, sus herramientas cayeron a la misma velocidad que él; el hombre no tuvo la impresión de estar en un campo de gravedad.
En un sistema de referencia uniformemente acelerado (durante una caída libre), todas las leyes de la naturaleza son localmente las mismas: esta es la generalización a los sistemas de referencia uniformemente acelerados del principio de relatividad de Galileo aplicable a los sistemas de referencia a velocidad uniforme.
Einstein introdujo, en 1915, un espacio-tiempo curvo, deformado por la distribución de las masas que contiene. El sol, por ejemplo, deforma el espacio-tiempo a su alrededor, incluso desviando los rayos de luz que pasan cerca.
En la relatividad general, las fuerzas de atracción entre planetas no existen.
Los objetos celestiales giran los unos alrededor de los otros debido a la distribución de las masas en el espacio-tiempo. Einstein revolucionó la fisica introduciendo esta geometria curva del espacio-tiempo.
