einstein y el big bang

EINSTEIN Y EL BIG BANG Guy F. de Téramond
Escuela de Física
Universidad de Costa Rica
9 de marzo 2005
“Lo mas incomprensible del Universo es que sea Comprensible”
A. Einstein
• VI s AC Filósofos Griegos: teorías tratan
de explicar los fenómenos naturales sin
recurso de mecanismos sobrenaturales
o deidades: cosmos vs. caos Aswan
• Se mide los diámetros de la tierra, luna
y sol y sus distancias!
• Eratóstenes (250 AC) Tierra:
7.2/360 = 1/50 1 estadio = 185 m
50 x 5000 est = 250,000 est = 46,250 km !
Eclipse lunar: D_T = 4 D_L D_T = 12,700 km, D_L = 3,200 km
3200
Solsticio de verano: 21 junio
1
100
Dist_L = 3200 km x 100 = 320.000 km !
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Aristarco (n 320 AC) : la tierra se mueve alrededor del sol, la tierra gira sobre su eje en 24 h, y las estrellas forman un fondo estático al universo
Filósofos abandonan el modelo de Aristarco y la idea heliocéntrica desaparece por los próximos 1700 años! Se impone el sistema de Tolomeo ( II s AC) con ciclos y epiciclos (movimiento retrogrado de planetas)
N. Copérnico (1543) ‘Sobre La revolución de las Esferas Celestes’
T. Brahe: mediciones cinco veces más precisas, las mejores en la historia de la astronomía J. Kepler rompe el ‘dogma circular’ ­ elipses ­ Modelo mas simple y preciso que Tolomeo.
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Galileo: Uso del telescopio: planetas de Júpiter, fases de Venus, “imperfecciones” de la Luna y el Sol.
‘Diálogo Sobre los Dos Máximos Sistemas del Mundo’
Aristarco 310 ­230 BC
Copérnico 1473­1543
Kepler 1571­1630
Tycho Brahe 1546­1601
Galileo 1564­1642
•Newton establece las leyes de la mecánica F = m a y la ley de la gravitación universal: cada objeto en el universo atrae a todos los otros objetos
2 ­11 2 ­ 2
F = G m M / r G = 6.67 x 10 N m / kg (Cavendish)
•Leyes de la mecánica terrestre extendidas a la mecánica celeste:
explicación dinámica de las orbitas planetarias!
•Cavendish con las leyes de Newton pudo ‘pesar’ la tierra
•Hasta finales del siglo XIX queda la gran pregunta: Es el universo eterno y
estático o bien tuvo un inicio? Los cosmólogos del siglo XX debían contestar
hipérbola
parábola
elipse
Newton 1643­1727
• Einstein 1905 ‘Sobre la Electrodinamica de los Cuerpos en Movimiento’
termina con el ‘ether’ (Michelson­Morley 1880), doscientos años de supremacía de las leyes de Newton y mas importante: la concepción
de espacio y tiempo como dos entidades independientes y absolutas
• Velocidad de la luz es constante relativa al observador y es la velocidad
máxima (dilación intervalos de tiempo, contracción de longitudes)
• Nueva entidad: espacio­tiempo
• Relatividad Especial: descripción movimiento en sistemas de referencia
inerciales
• 1915 Teoría General de la Relatividad, valida en cualquier sistema de
referencia, es una nueva teoría de la gravedad. Einstein sospecha que la teoría de Newton
podría fallar en situaciones de gravedad extrema.
• Espacio­tiempo curvo! Materia curva el espacio y el
espacio determina como se mueve la materia!
Espacio curvo en Relatividad General
Avance del perihelio de Mercurio
43 segundos de arco por siglo inexplicables
(Le Verrier 1856)
Desviación de la luz por el campo gravitacional
del sol (Eclipse 1919)
• Einstein 1917 ‘Consideraciones Cosmológicas de la Relatividad General’,
rol de la gravedad a la escala cósmica
• Einstein asume que a grandes escalas el universo es isotrópico y homogéneo (Principio Cosmológico)
• Solución inestable: la gravitación a escala cósmica hace colapsar el universo • Introduce ad hoc una constante cosmológica
(importante solo a distancias cósmicas) y selecciona su valor para balancear exactamente la gravitación y
y evitar un colapso para obtener
un universo estático y eterno •
A. Friedmann estudia las soluciones de Relatividad
General sin la constante cosmológica. Que tipo de universo emerge lógicamente de la teoría?
•
Friedmann 1922 ‘Zeitschrift fur Physik’: universo
dinámico que evoluciona a la escala cósmica vs. eternamente estático. Condiciones iniciales: a) expansión y contracción
b) expansión permanente
c) expansión se detiene
Friedmann 1888­1925
•
Einstein escribe al Zeitschrift pero debe retractarse! Acepta finalmente
que las soluciones dinámicas de Friedmann son matemáticamente correctas, pero las considera físicamente irrelevantes.
• G. Lemaitre redescubre las soluciones dinámicas
de la Relatividad General (RG) de Einstein
• Lemaitre 1927 ‘Hypotesis del Atomo Primario’. RG
implica un inicio del universo en una región reducida
y compacta, que explota y evoluciona al universo
actual y continuara evolucionado
Lemaitre 1894­1966 • Galaxias deben alejarse con velocidades
proporcionales a la distancia
Einstein a Lemaitre: ‘ Sus calculos son
correctos, pero su física es abominable’
Conferencia Solvay Bruselas 1927
• En ausencia de evidencia experimental el universo estático permanece
como la ortodoxia
• 1912 H. Leavitt: estrellas variables cefeidas, indicador de distancias
• 1923 E. Hubble identifica una cefeida en Andrómeda
• 1926 E. Hubble velocidad de recesión de las galaxias
• 1931 Einstein anuncia públicamente que renuncia a su
Modelo estático y endorsa el modelo dinámico del
Big Bang de un universo en expansión
Telescopio de 100 pulgadas
Observatorio Monte Wilson
Andromeda M 31
NGC 1300
Supernova Cluster de Virgo
• F. Hoyle, T. Gold, H Bondi: Teoria del Estado Continuo,
universo eterno con elemento de creación continua
(distribución de quasares ?)
• G. Gamow, R. Alpher, R. Herman: Big Bang
a) Predicen abundancia de hidrogeno 90% y helio 9%
b) Transición del universo 300.000 años: recombinación 3000 C.
Formación de átomos , la luz (radiación) se desacopla de
la materia y el universo se vuelve transparente! De acuerdo al Big Bang el universo se ha expandido 1000 veces, por
consiguiente temperatura actual de la radiación: 3 K
Herman, Alpher y Gamow
• 1964 R. Wilson y A. Penzias (Laboratorios Bell) detectan la radiación
de microondas de origen cósmico que permea el espacio en todas las
Direcciones: CMB: Cosmic Microwave Backgrond radiation.
T = 2.7 K, longitud de onda = 2 cm
Origen de estructura en el universo: variaciones de temperatura
• 1989­1992 COBE (Cosmic Background Explorer)
• 2001 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
El Big Bang no es una explosión en el
Espacio, pero una explosión del espacio
Galaxias en formación al borde
del universo conocido
Hubble Deep Field Telescope