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19

¿La masa perdida? ¿O no entendemos nada?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (6)

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                                  Recreación artística del WHIM en la Pared del Escultor. Fuente: NASA.

La idea de la masa perdida se introdujo porque la densidad observada de la materia en el universo está cerca del valor crítico (10-29 g/cm3). Sin embargo, hasta comienzo de los ochenta, no hubo una razón teórica firme para suponer que el universo tenía efectivamente la masa crítica. En 1981, Alan Guth, publicó la primera versión de una teoría que desde entonces se ha conocido como “universo inflacionista”. desde entonces la teoría ha sufrido cierto número de modificaciones técnicas, pero los puntos centrales no han cambiado. Lo cierto es que la idea del universo inflacionista, estableció por primera vez una fuerte presunción de que la masa del universo tenía realmente el valor crítico.

File:End of universe.jpg

Diagrama de las tres posibles geometrías del universo: cerrado, abierto y plano, correspondiendo a valores del parámetro de densidad Ω0 mayores que, menores que o iguales a 1 respectivamente. En el universo cerrado si se viaja en línea recta se llega al mismo punto, en los otros dos no. ( Ω es lo que los cosmólogos llaman el Omega Negro, es decir, la cantidad de materia que hay en el Universo).

La predicción de Guht viene de las teorías que describen la congelación de la fuerza fuerte en el segundo 10-35 del Big Bang. Entre los muchos otros procesos en marcha en ese tiempo estaba una rápida expansión del universo, un proceso que vino a ser conocido como inflación. Es la presencia de la inflación la que nos lleva a la predicción de que el universo tiene que ser plano.

El proceso mediante el cual la fuerza nuclear fuerte se congela es un ejemplo de un cambio de fase, similar en muchos aspectos a la congelación del agua. Cuando el agua se convierte en hielo, se expande; una botella de leche explotará si se deja en el exterior una noche fría del crudo invierno. No debería ser demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.
Lo que sí sorprende es la enorme magnitud de la expansión. El tamaño del universo aumentó en un factor no menor de 1050. Este número es tan inmenso que virtualmente no tiene significado para la mayoría de la gente. Y es lógico que así sea, ya que, si su altura aumentase de repetente en un factor tan grande como ése, se extendería de un extremo del universo al otro y les faltaría sitio. Incluso un solo protón de un solo átomo de su cuerpo, si sus dimensiones aumentaran en 1050, sería mayor que el universo.
En 10-35 segundos, el universo pasó de algo con un radio de curvatura mucho menor que la partícula elemental más pequeña a algo con el tamaño de una buena naranja. No es extraño que el nombre inflación esté ligado a este proceso en un cambio de fase tan descomunalmente inusual.
Todas estas ideas han dado lugar a que los científicos se planteen el problema de la clase de universo en el que vivimos, y, se ha llegado a la conclusión de que será el que determine la cantidad de materia que contenga, es decir, conforme lo determine Ω, signo que significa toda la masa que contiene el universo y que será la que determine su geometría final y también, qué clase de final le espera en función de ese parámetro que llamamos Densidad Crítica del Universo y que según las medidas más afinadas está en 10-29 g/cm3.
Claro que cuando uno lee estas cosas y le dicen que el universo sufrío una expansión de tal magnitud, no se puede sustraer a la pregunta: ¿No violaría un crecimiento tan rápido las reglas de Einstein contra viajar más rápido que la luz? Si un cuerpo material viajó de un extremo de una naranja al otro en 10-35 segundos, su velocidad excedió la de la luz en una cantidad muy considerable.
Claro que la respuesta a tal objeción la podemos encontrar, de manera simple y sencilla, en un globo que tiene dibujadas algunas galaxias. A medida que le añadimos aire y el globo se hincha (se expande), podemos apreciar cómo las galaxias se van separando las unas de las otras. Sin embargo, no son las galaxias las que viajan velozmente a medida que el aire entra en el globo, sino que es, el espacio mismo dentro del globlo el que se infla haciendo que las galaxias se muevan y dando la sensación de que son éstas las que corren, cuando, en realidad, es el espacio el que se está expandiendo. Ningún cuerpo material, ninguna de las galaxias se mueve a altas velocidades en el espacio. Las reglas contra el viaje a velocidad mayor que la luz sólo se aplica al movimiento dentro del espacio, no al movimiento del espacio mismo. Así que, nunca se ha violado la regla impuesta por la relatividad especial y la velocidad de la luz es una constante del universo inviolable.
La consecuencia de la ráoida expansión se puede describir mejor con referencia a la visión einsteniana de la gravitación. Antes de que el universo tiuviera 10-35 segundos de edad, es de suponer que habia algún tipo de distribución de la materia (su forma precisa no importa). A causa de esta materia, el espacio-tiempo tendrá alguna forma caracteríostica. Podríamos suponer que estaba algo arrugado o banboleado, es decir, no era uniforme y en presencia de materia se curvaba en función de la masa allí presente. Pero llegó la inflación y comenzó una especie de estiramiento del espacio-tiempo que dejó al universo como lo podemos ver hoy, es decir, según la materia que parece que contiene, es casi perfectamente plano por lo general.

 

Se ha tratado de medir la Densidad Crítica del Universo par apoder saber en qué calse de universo estamos y, parece que es plano

Universo cerrado

Si Ω>1, entonces la geometría del espacio sería cerrada como la superficie de una esfera. La suma de los ángulos de un triángulo exceden 180 grados y no habría líneas paralelas. Al final, todas las líneas se encontrarían. La geometría del universo es, al menos en una escala muy grande, elíptico.

En un universo cerrado carente del efecto repulsivo de la energía oscura, la gravedad acabará por detener la expansión del universo, después de lo que empezará a contraerse hasta que toda la materia en el universo se colapse en un punto. Entonces existirá una singularidad final llamada el Big Crunch, por analogía con el Big Bang. Sin embargo, si el universo tiene una gran suma de energía oscura (como sugieren los hallazgos recientes), entonces la expansión será grande.

 

 

                                 Universo abierto

 

Si Ω<1, la geometría del espacio es abierta, p.ej., negativamente curvada como la superficie de una silla de montar. Los ángulos de un triángulo suman menos de 180 grados (llamada primera fase) y las líneas paralelas no se encuentran nunca equidistantes, tienen un punto de menor distancia y otro de mayor. La geometría del universo sería hiperbólica.

Incluso sin energía oscura, un universo negativamente curvado se expandirá para siempre, con la gravedad apenas ralentizando la tasa de expansión. Con energía oscura, la expansión no sólo continúa sino que se acelera. El destino final de un universo abierto es, o la muerte térmica” o “Big Freeze” o “Big Rip”,  dónde la aceleración causada por la energía oscura terminará siendo tan fuerte que aplastará completamente los efectos de las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas y los enlaces débiles.

 

                           Universo plano

 

Si la densidad media del universo es exactamente igual a la densidad crítica tal que Ω=1, entonces la geometría del universo es plana: como en la geometría ecuclidiana,  la suma de los ángulos de un triángulo es 180 grados y las líneas paralelas nunca se encuentran.

Sin energía oscura, un universo plano se expande para siempre pero a una tasa continuamente desacelerada: la tasa de expansión se aproxima asintóticamentre a cero. Con energía oscura, la tasa de expansión del universo es inicialmente baja, debido al efecto de la gravedad, pero finalmente se incrementa. El destino final del universo es el mismo que en un universo abierto, la muerte caliente del universo, el “Big Freeze” o el “Big Rip”. En 2005, se propuso la teoría del destino del universo Fermión-Bosón,  proponiendo que gran parte del universo estaría finalmente ocupada por condensado de Bose-Einstein  y la quasipartícula análoga al fermión,  tal vez resultando una implosión. Muchos datos astrofísicos hasta la fecha son consistentes con un universo plano.

 

 

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/Big_rip.gif

     Simulación del Big Rip
En un Universo abierto, la relatividad general predice que el Universo tendrá una existencia indefinida, pero con un estado donde la vida que se conoce no puede existir. Bajo este escenario, la energía oscura causa que las tasa de expansión del universo se acelere.  Llevándolo al extremo, una aceleración de la expansión eterna significa que toda la materia del Universo, empezando por las galaxias y eventualmente todas las formas de vida, no importa cuán pequeñas sean, se disgregarán en partículas elementales  desligadas. El estado final del Universo es una singularidad, ya que la tasa de expansión es infinita.
File:Big crunch.png
      El Big Crunch. El eje vertical se puede considerar como tiempo positivo o negativo

La teoría del Big Crunch es un punto de vista simétrico del destino final del Universo. Justo con el Big Bang empezó una expansión cosmológica, esta teoría postula que la densidad media del Universo es suficiente para parar su expansión y empezar la contracción. De ser así, se vería cómo las estrellas tienden a ultravioleta, por efecto Doppler.  El resultado final es desconocido; una simple extrapolación sería que toda la materia y el espacio-tiempo en el Universo se colapsaría en una singularidad espaciotemporal adimensional, pero a estas escalas se desconocen los efectos cuánticos necesarios para ser considerados -se aconseja mirar en Gravedad-Cuántica-..

Este escenario permite que el Big Bang esté precedido inmediatamente por el Big Crunch de un Universo precedente. Si esto ocurre repetidamente, se tiene un universo oscilante. El Universo podría consistir en una secuencia infinita de Universos finitos, cada Universo finito terminando con un Big Crunch que es también el Big Bang del siguiente Universo. Teóricamente, el Universo oscilante no podría reconciliarse con la segunda ley de la termodinámica:

 

 

 

 

la entropía aumentaría de oscilación en oscilación y causaría la muerte caliente. Otras medidas sugieren que el Universo no es cerrado. Estos argumentos indujeron a los cosmólogos a abandonar el modelo del Universo oscilante. Una idea similar es adoptada por el modelo cíclico, pero esta idea evade la muerte caliente porque de una expansión de branas se diluye la entropía acumulada en el ciclo anterior.

Como podéis comprobar por todo lo anteriormente leído, siempre estamos tratando de saber en qué universo estamos y pretendemos explicar lo que pudo pasar desde aquel primer momento que no hemos podido comprender de manera exacta y científicamente autosuficiente para que sea una ley inamovible del nacimiento del universo. Simplemente hemos creado modelos que se acercan de la mejor manera a lo que pudo ser y a lo que podría ser.

 

 

Cuando pasen algunos miles de millones de años más, no sabemos que será del Universo ni que rumbo habrán tomado las cosas, toda vez que, el Universo es dinámico y cambiante. Si todo sigue como ahora lo podemos contemplar, lo que parece es que vamos, sin remisión, hacia una muerte térmica del Universo en el que el espacio continuará expandiéndose y las galaxias se alejanran las unas de las otras hasta que, la entropía deje sin energía a todo el universo que, como sistema cerrado, se verá abocado a quedar estático, en el frío más profundo de los -273 ºC. Allí, entonces, nada se moverá, ni los átomos tendrán la posiblidad de que sus componentes se muevan.
Claro que, nada de todo lo anterior… ¡lo podemos asegurar!
emilio silvera
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Esta entrada fue publicada el domingo, 19 de junio de 2016 a las 5:24 y está clasificada bajo: Astronomía y Astrofísica. Puede hacer un seguimiento de los comentarios de esta entrada gracias al feed RSS 2.0. Puede dejar un comentario, o enviar un trackback desde su sitio.
 

  1. 1
    Emilio Silvera
    el 19 de junio del 2016 a las 19:07

    Lo cierto es que, de aquellas primeras fraciones del primer segundo de vida del universo, nadie sabe lo que pudo pasar. No hemos sido capaces de ir más allá del Tiemplo de Planck, es decir:



    “El tiempo de Planck representa el tiempo que tarda un fotón viajando a la velocidad de la luz en atravesar una distancia igual a la longitud de Planck. Desde la perspectiva de la mecánica cuántica, se ha considerado tradicionalmente que el tiempo de Planck representa la unidad mínima que podría medirse en principio; es decir, que no sería posible medir ni discernir ninguna diferencia entre el Universo en un instante específico de tiempo y en cualquier instante separado por menos de 1 tiempo de Planck. No obstante, las imágenes de campo profundo tomadas por el telescopio espacial Hubble en 2003 han arrojado dudas sobre esta teoría. La predicción era que las imágenes de objetos situados a muy largas distancias deberían ser borrosas. Esto se debería a que la estructura discontinua del espacio-tiempo a la escala de Planck distorsionaría la trayectoria de los fotones, del mismo modo que la atmósfera terrestre distorsiona las imágenes de los objetos situados fuera de ella. No obstante, dichas imágenes son más nítidas de lo esperado, lo que ha sido interpretado como una indicación de que el tiempo de Planck no es el intervalo más corto del Universo.”

    Lo cierto es que nos queda mucho por saber de aquellos primeros momentos y, también, la ignorancia está presente en lo que pueda resultar el final. Investigamos y cada vez tenemos mejores aparatos tecnológicos para mirar hacia lo más lejano del Universo, hacia lo más profundo y pequeño y hacia lo más grande. Sin embargo, no hemos podido alcanzxar todas las respuestas que necesitamos para saber, un sin fin de cuestiones que nos darían las respuestas que incansables buscamos.

    Si nos preguntan qué es la masa o que es la energía… ¡No lo sabemos! Y, sólo tenemos la respuesta que nos dio Einstein de que se trata de dos aspectos de la misma cosa pero, decir, lo que se dice decir lo que en realidad es… ¡No podemos! Y, de la misma manera, tenemos un sin fin de dudas sobre todas esas cuestiones de las que no paramos de hablar y de las que no estamos seguros.

     

    Responder
  2. 2
    Fandila Soria
    el 19 de junio del 2016 a las 22:34

    La masa perdida es una forma de “discriminarla” frente a la energía. Pienso que toda energía que se precie, la generada por intermedio de la masa, siempre la poserá por muy pequeña o infinitesimal que sea.
    No se puede confundir un la onda fotón pongamos por caso, con una onda en el agua, con una onda de sonido o con una onda calorífica.
    Estas ondas que se llaman materiales, en si mismas, que de materiales nada, pues son ni más ni menos que la transmisión de un movimiento en un medio. ¡Pero que poco alcance tienen¡, compararlas con una onda electromagnética por ejemplo, es como comparar una mosca con el Universo. Las ondas electromagnéticas tienen una cualidad fundamental que las ondas de calor o las olas en el agua no poseen: son autónomas, es decir se mueve como cualquier partícula con impulso propio. Tambien las partículas poseen campo eléctrico y magnético y cómo no, masa. Pero es que además son ondas partícula como pueda serlo el fotón, solo cambian relativamente los modos de traslación y maneras de oscilación.
    Si es así y las ondas electromagnéticas u otras (Gravitones gluones…) posen su masa por pequeña que pueda ser, adonde quedarian las pérdidas de masa, podrá haber disminuciones parciales de esa energía interna como también de energía de traslación, pero el total del Universo aislado se mantiene. En el “vacío” tambien hay masas, que eso de campos no masivos solo es teórico.
    Ni explosiones nucleares, ni estallido de estrellas, ni agujeros negros, harían que la masa se pierda como tampoco la energía. Globales se entiende. Se perderá masa para nuestra dimensión macro si acaso. Pero se nos olvidan los agujeros negros como los grandes reservorios.
    El big-bang propiamente hablando no se comprende, como tampoco la gran inflación, a no ser que se trate de un cambio de estado consecuente a unos sucesos anteriores, igual que ocurre cuando explosiona una estrella por ejemplo, o que la gran inflación no sea lo que quiere expresar sino con el arreglo de una detección de microondas indiscriminadas en dirección en el espacio que siguen ocurriendo a partir que dichas ondas nacieron.
    Se os saluda contertulios todos

    Responder
    • 2.1
      emilio silvera
      el 20 de junio del 2016 a las 6:19

      Totalmente de acuerdo amigo Fandila, la masa no se pierde nunca, lo que ocurre es que, cuando suceden cambios de fase, alguna porción puede ir a lugares que, ni conocemos.
      Un saludo cordial.

      Responder
      • 2.1.1
        Fandila Soria
        el 20 de junio del 2016 a las 7:10

         
        LLevas razón. Lo que pasa que habría que saber hasta donde llega el Universo, o si éste no es mas que una parte de otro mayor.
        No se puede determinar cuanto tarda o cuanto ha de caminar una onda partícula (Fotón u otra cualquiera) hasta difumínarse o destruirse por agotamiento y pérdidas de su entropia. Pero eso no significa que su masa o energía se pierda.
        La expansión material no puede ser un suceso más o menos duradero. La expansión sui generis es algo consecuente al movimiento y éste es imperecedero, internamente, externamente, y siempre como consecuencia o relación de muchas unidades materiales. Moverse significa conquistar espacio, y cuando son ingentes cantidades de elementos que se mueven a la vez en un mismo espacio la consecuencia es la expansión. Hay fenómenos que llamamos cambios de fase y o recesiones de esas fases que tambien han de influir en esa expansión intrínseca material. Es de suponer que influyan posiva o negativamente en la expansión localizada y que pueda darse la concentración.
        El tema no está agotado pero avanzar más tal vez sea meterse en berenjenales de los que sea díficil deslindar y salir.
         

        Responder
  3. 3
    Andrés Borja
    el 19 de junio del 2016 a las 23:36

    Realmente es de agradecer el empeño que pone usted en mostrar el estado actual de la física teórica, para que sea fácil de entender por la mayoría de los aficionados a las ciencias que tenemos la gran suerte de poder leerle. Sobretodo, me llama la atención por la gran honestidad demostrada al dejar claro qué es lo sabemos (o creemos saber) y qué es lo que, simplemente, desconocemos. Algunos científicos divulgan las teorías mayoritariamente aceptadas con vehemencia, guardando para sí las dudas que éstas le puedan suscitar. No es su caso y le felicito por ello.
    Dicho esto, permítame que les presentes, a usted y a los lectores de su blog, una nueva teoría que podría dar respuesta a muchas de las cuestiones que actualmente están por resolver, se llama teoría de ruedas y la pueden encontrar visitando la página web: http://teoriaderuedas.com
    Muchas gracias.
    Nos leemos.

    Responder
    • 3.1
      Emilio Silvera
      el 20 de junio del 2016 a las 6:37

      Estimado Señor:
      Agradezco sus palabras y tengo que decir que, no reconocer nuestra ignorancia sería como negarnos a seguir avanzando. El saber se alcanza con ese primer paso, ¡reconocer lo que no sabemos! Es tan grande y rica la Naturaleza que perseguir sus secretos es toda una aventura (como nos decía Feynmann). Está claro que vamos haciendo camino y que poco a poco, estamos logrando entrar en zonas que antes permanecían a oscuras, y, aunque aún no nos ciega el resplandor de la sabiduría, sí es cierto que se vislumbra un poco de claridad. Me gustaría que todos, sin excepción, pudieran saber en qué mundo estamos y cómo son las cosas fundamentales de la Naturaleza, del Universo en fin, es un empeño alucinante el que gente como usted, con sus contribuciones, hagan posible que cada día, el océano de ignorancia en el que estamos inmersos se empequeñezca cada día un poco más.
      He dado una rápida mirada a su ofrecimiento de que entremos a leer la Teoría de ruedas que nos propone, y, aunque no he tenido mucho tiempo para profundizar en el su lectura, lo cierto es que, es muy prometedora y, precisamente por eso, aconsejo a todos los visitantes de este humilde lugar que accedan a esos nuevos conocimientos, en la seguridad que, cuando finalicen su lectura, serán un poco más sabios.
      Gracias amigo.

      Responder
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