Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas

• Protón que una partícula elemental estable que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón  y posee una masa de 1,672614×10^-27 kg, que es 1836,12 veces la del electrón.  El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que está formado por partículas más simples, los quarks.
• Neutrón que es un hadrón como el protón pero con carga neutra y también permanece en el núcleo, pero que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 12 minutos fuera del núcleo.  Su masa es ligeramente mayor que la del protón (símbolo m_n), siendo de 1,6749286(10)x10^-27 kg.  Los neutrones aparecen en todos los núcleos atómicos excepto en el del hidrógeno normal que está formado por un solo protón.  Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1.932 por James Chadwick (1891-1974).
• Neutrino, que es un leptón que existe en tres formas exactas pero con distintas masas.  Tenemos el v_e (neutrino electrónico) que acompaña al electrón, v_u (neutrino múonico) que acompaña al muón, y, v_T (neutrinotan) que acompaña a la partícula tan, la más pesada de las tres.  Cada forma de neutrino tiene su propia antipartícula.
  El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la “energía perdida” en la desintegración beta, fue identificado de forma tentativa en 1.953 y, definitivamente, en 1.956.  Los neutrinos no tienen carga y se piensa que tienen masa en reposo nula y viajan a la velocidad de la luz, como el fotón.  Hay teorías de gran unificación que predicen neutrinos con masa no nula, pero no hay evidencia concluyente.
• Electrón, que es una partícula elemental clasificada como leptón, con una carga de 9, 109 3897 (54)x10^-31 Kg y una carga negativa de 1, 602 177 33 (49)x10^-19 culombios.  Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.  Su antipartícula es el positrón, predicha por Paul Dirac.
  El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856-1940).  El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto.  Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorente-Dirac.
  Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio p_°o =e²/(mc²)=2,82×10^-13 cm., donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz.  Este modelo también tiene problemas, como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.
  Ahora se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica.
• Pión, que es una partícula elemental clasificada como mesón de la familia de los Hadrones al igual que el protón y el neutron que siendo hadrones están clasificados como bariones.
  El pión existe entre formas diferentes: neutro, con carga positiva y, con carga negativa.
  Los piones cargados se desintegran en muones y neutrinos (leptones); el pión neutro se desintegra en dos fotones de rayos gamma.
  Los piones como los kaones y otros mesones, como hemos dicho son una subclase de los hadrones; están constituidos por pares quark-antiquark y se cree que participan en las fuerzas que mantienen a los nucleones juntos en el núcleo.  Al principio se pensó que el muón era un mesón, pero ahora se incluye entre los leptones como la variedad intermedia entre el electrón y la partícula tau.

Con nuestro conocimiento actual de física de partículas de altas energías, podemos hacer avanzar el reloj hacia atrás a través de la teoría leptónica y la era hadrónica hasta una millonésima de segundo después del Big Bang, cuando la temperatura era de 10^{13 K}. Utilizando una teoría más especulativa, los cosmólogos han intentado llevar el modelo hasta 10³⁵ s  después de la singularidad, cuando la temperatura era de 10²⁸ K.  Esa infinitesimal escala de longitud es conocida como límite de Planck: Lp=Ö¯(Gђ/c³) =10^–35m que en la Ley de radiación de Planck, es distribuida la energía radiada por un cuerpo negro mediante pequeños paquetes discretos llamados cuantos, en vez de una emisión continua.  A éstas distancias, la Gravedad está ausente para dejar actuar a la mecánica cuántica.

La teoría del Big Bang es capaz de explicar la expansión del Universo; la existencia de una radiación de fondo cósmica, y la abundancia de núcleos ligeros como el helio, el helio^-3, el deuterio y el litio-7, cuya formación se predice que ocurrió alrededor de un segundo después del Big Bang, cuando la temperatura reinante era de 10¹⁰ .K

La radiación de fondo cósmica proporciona la evidencia más directa de que el Universo atravesó por una fase caliente y densa.  En la teoría del Big Bang, la radiación de fondo es explicada por el hecho de que, durante el primer millón de años más o menos (es decir, antes del desacoplo de la materia y la radiación y, por tanto, en equilibrio término con ella.  Esta fase es habitualmente denominada “bola de fuego primordial”.

Cuando el Universo se expandió y se enfrió a unos 3000 K se volvió transparente a la radiación, que es la que observamos en la actualidad, mucho más fría y diluida, como radiación térmica de microondas.  El descubrimiento del fondo de microondas en 1.956 puso fin a una larga batalla entre el Big Bang y su rival la teoría del Universo estacionario de Hoyle y otros, que no podía explicar la forma de cuerpo negro del fondo de microondas.  Es irónico que, el termino Big Bang, tuvo inicialmente un sentido burlesco y fue acuñado por Hoyle, contrario a la teoría del Universo inflacionario y defensor del estacionario.

Para fijar más claramente los hechos se debe extender la explicación evolutiva del Universo en las fases principales que son:

Era: de la materia, hadrónica y leptónica.

‾‾‾‾‾‾‾‾   ERAS EN EL PROCESO DEL BIG BANG   ‾‾‾‾‾‾‾‾‾

De la radiación

Período entre 10^-43 s (la era de Planck) y 300.000 años después del Big Bang.  Durante este periodo, la expansión del Universo estaba dominada por los efectos de la radiación o de las partículas rápidas (a altas energías todas las partículas se comportan como la radiación).  De hecho, la era leptónica y la era hadrónica son ambas subdivisiones de la era de radiación.

La era de radiación fue seguida por la era de la materia que antes se reseña, durante la cual los partículas lentas dominaron la expansión del Universo.

Era Hadrónica

Corto periodo de tiempo entre 10^-6 s y 10^-5 s después del Big Bang en el que se formaron las partículas atómicas pesadas, como protones, neutrones, piones y kaones entre otras.  Antes del comienzo de la era hadrónica, los quarks se comportaban como partículas libres.  El proceso por el que se formaron los quarks se denomina transición de fase quark-hadrón.  Al final de la era hadrónica, todas las demás especies hadrónicas habían decaído o se habían desintegrado, dejando sólo protones o neutrones.  Inmediatamente después de esto el Universo entró en la era leptónica.

Era Leptónica

Intervalo, que comenzó unos 10^-5 s después del Big Bang, en el que diversos tipos de leptones eran la principal contribución a la densidad del Universo.  Se crearon pares de leptones y antileptones en gran número en el Universo primitivo, pero, a medida que el Universo se enfrió, la mayor parte de las especies leptónicas fueron aniquiladas.  La era leptónica se entremezcla con la hadrónica y ambas, como ya dije antes, son subdivisiones de la era de la radiación.  El final de la era leptónica se considera normalmente que ocurrió cuando se aniquilaron la mayor parte de los pares electrón-positrón, a una temperatura de 5×10⁹ K, más o menos un segundo después del Big Bang.  Después, los leptones se unieron a los hadrónes para formar átomos.

Así se formó nuestro Universo, a partir de una singularidad que explotó expandiendo toda la densidad y energía a unas temperaturas terroríficas y, a partir de ese mismo instante nacio el tiempo y el espacio junto con la materia que, finalmente desembocó en lo que ahora conocemos como Universo.

El Universo es el conjunto de todo lo que existe, incluyendo (como he dicho) el espacio, el tiempo y la materia.  El estudio del Universo se conoce como cosmología.  Los cosmólogos distinguen al Universo con “U” mayúscula, significando el cosmos y su contenido, y el universo con “u” minúscula, que es normalmente un modelo matemático deducido de alguna teoría física como por ejemplo, el universo de Friedmann o el Universo de Einstein-de  Sitter.  El Universo real está constituido en su mayoría de espacios que aparentemente están “vacíos”, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas, planetas, gases y otros objetos cosmológicos.

El Universo se está expandiendo, de manera que el espacio entre las galaxias está aumentando gradualmente, provocando un desplazamiento al rojo cosmológico en la luz procedente de los objetos distantes.

Existe evidencia creciente de que el espacio puede estar lleno de una materia oscura invisible que puede constituir muchas veces la masa total de las Galaxias visible.

Como ya quedó claro antes, el concepto más favorecido de origen del Universo es la teoría del Big Bang, de acuerdo con la cual el Universo se creó a partir de una densa y caliente concentración enorme de materia (una singularidad) en una bola de fuego que explotó y se expandió para crear el espacio, el tiempo y toda la materia que lo conforme.  Todo ello, ocurrió, según los datos de que se disponen, hace ahora aproximadamente 15.000 millones de años o 15 eones (10⁹⁾.

¿Cuántas partículas hay en el Universo?

¿De donde vino la sustancia del Universo?

¿Qué hay más allá del borde del Universo?

En realidad, no existen respuestas concretas para estas preguntas, porque para empezar no sabemos como es de grande el Universo.  Sin embargo, si podemos hacer algunas hipótesis.

Podemos calcular que hay unas 100.000.000.000 de Galaxias en el Universo.  Cada una de estas Galaxias tiene una media de masa igual a 100.000.000.000 la masa del Sol.

Quiere decir que la cantidad total de materia en el Universo sería igual a 10¹¹x10¹¹ ó 10²² veces la masa del Sol.

Dicho de otra manera, en el Universo hay materia suficiente para hacer 10.000.000.000.000.000.000.000 (diez mil trillones) de soles como el nuestro.

La masa del Sol es de 2×10²³ gramos.  Esto significa que la cantidad total de materia en el Universo tiene una masa de:  10²²x2x10³³ ó  2×10⁵⁵ gramos.  Lo que podemos reseñar

20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.  que es igual a veinte nonillones.

Miremos ahora al revés.  La masa del Universo está concentrada casi por entero en los nucleones que contiene.  Los nucleones son partículas diminutas y hacen falta 6×10²³ de ellas para formar una masa equivalente a un gramo.

Pues bien, si 6×20²³ nucleones hacen 1gr. y si hay 2×10⁵⁵gr. en el Universo, entonces el número total de nucleones en el Universo podría ser de 6×10²³x2x10⁵⁵ ó 12×10⁷⁸, que de manera más convencional se escribiría 1,2×10⁷⁹.

Los astrónomos opinan que el 90 por 100 de los átomos de Universo son hidrógeno, el 9 por 100 helio y el 1 por 100 elementos más complejos.  Una muestra de 100 gramos, o mejor 100 átomos consistiría entonces en 90 átomos de hidrógeno, 9 de helio y 1 de oxígeno (por ejemplo).  Los núcleos de los átomos de hidrógeno contendrían 1 nucleón cada uno: 1 protón.  Los núcleos de los átomos de helio contendrían 4 nucleones cada uno: 2 protones y 2 neutrones.

El núcleo del átomo de oxígeno contendría16 nucleones: 8 protones y 8 neutrones.

Los 100 átomos juntos contendrían, por tanto, 145 nucleones: 116 protones y 26 neutrones.

Existe una diferencia entre estos dos tipos de nucleones. El neutrón no tiene carga eléctrica y no es preciso considerar ninguna partícula que lo acompañe.  Pero el protón tiene una carga eléctrica positiva, y como el Universo es, según creemos, eléctricamente neutro en su conjunto, tiene que existir un electrón (con carga eléctrica negativa) por cada protón, creando así el equilibrio existente.

De esta manera, por cada 142 nucleones hay 116 electrones (para compensar los 116 protones).  Para mantener la proporción, los 1’2×10⁷⁹ nucleones del Universo tienen que ir acompañados de 1×10⁷⁸ electrones.  Sumando los nucleones y electrones, tenemos un número total de 2,2×10⁷⁹ partículas de materia en el Universo.  Lo cual se puede escribir como:

22.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.
000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. (ó 22 tredécillones).

De las demás partículas, las únicas que existen en cantidades importantes en el Universo son los fotones, los neutrinos y posiblemente los gravitones.  Pero son partículas sin masa.  Veintidós tredecillones es después de todo un número apreciable para un Universo de importancia.

Nadie sabe de donde vino la sustancia del Universo, no siempre la ciencia puede dar respuesta a todo, es la manera de regular los sistemas para obtener respuestas tras el duro trabajo del estudio, la investigación y el experimento.  Hasta el momento nos falta información para contestar esa pregunta y también la otra que se interesaba por lo que habría más allá del borde o final del Univervo.

Pero, ¿Hay final? ¿Quién lo garantiza? ¿Cómo lo podemos saber? y, si me apuraris mucho… ¿Será cierto que el Universo se formó en el Big Bang?.

emilio silvera

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