Cosmología moderna

Description

Introducción
1 ¿`Qué es la cosmología?
Objeto de estudio de la cosmología
La cosmología a finales del siglo XX
Historia reciente y perspectivas de la cosmología
2 Test de Cosmología
La expansión del Universo
Radiación de fondo cósmica
Estructura a gran escala del Universo
Difusión de los elementos ligeros
Anisotropía de la radiación de fondo cósmica
Lentes gravitatorias
3 Épocas de nuestro Universo
Universo temprano
Nuestra era en el Universo
4 Leyes evolutivas del mundo
Modelo de Fridman
Evolución de un mundo homogéneo
5 Nacimiento del Universo
Nacimiento del Universo de la espuma del espacio-tiempo
6 Física de las partículas elementales y cosmología
Búsqueda de la unificación de las interacciones y de las partículas elementales en la física
¿`Qué es un campo escalar?
Renormalización en la teoría de las partículas elementales
Mecanismo de Higgs. Nuevo campo escalar
7 Problemas metafísicos de la cosmología
Problema del horizonte
Problema de la planitud
¿`Por qué se expande el Universo?
¿`Cómo surge la expansión según la ley de Hubble?
8 El Universo inflacionario
Solución del problema del horizonte
Solución del problema de la planitud
¿`Por qué se expande el Universo?
¿`Cómo surge la expansión según la ley de Hubble?
Fin de la fase inflacionaria
9 Surgimiento de las protogalaxias
Perturbaciones de densidad
Espectro de Zeldóvich–Harrison
Ondas gravitatorias
Restablecimiento del potencial de la inflación
10 Modelos del Universo inflacionario
“Nuevo” escenario inflacionario
Inflación eterna o caótica
11 Asimetría bariónica
Asimetría bariónica del Universo
Desintegración del protón
El protón debe ser inestable
Bariosíntesis caliente
Bariogénesis fría
12 Radiación de fondo cósmica
¿`Qué es la radiación de fondo cósmica?
Anisotropía de la radiación de fondo cósmica
Perturbaciones de densidad y ondas gravitatorias
Polarización de la radiación de fondo cósmica
Medición de la contribución de las ondas gravitatorias
Efecto Siuniáev–Zeldóvich
Perspectivas de las investigaciones de la anisotropía
13 Estructura a gran escala del Universo
Distribución a gran escala de las galaxias
Fase inicial del crecimiento de las perturbaciones de densidad
Fase no lineal del desarrollo de las perturbaciones
Gran Atractor
14 La materia oscura del Universo
¿`Qué es la materia oscura?
Formas de distribución de la materia oscura
Búsqueda de las partículas de la materia oscura
15 Lentes gravitatorias
Mecanismo de las lentes gravitatorias
Ejemplos de lentes gravitatorias
16 ¿`Qué han descubierto los astrónomos?
Expansión acelerada del Universo
17 ¿`Quiere Ud. crear el Universo?
¿`Cómo se crea un universo?
Mundo semicerrado
El nacimiento de un mundo nuevo
18 ¿`Qué nos depara el futuro?
El futuro de nuestra civilización
Inflación eterna
Mensaje al futuro
Bibliografía
Índice de autores
Índice de materias
Introducción
Este libro ha sido escrito a finales del siglo XX. Naturalmente, el autor quiere mencionar aquí los sucesos más importantes de la cosmología acontecidos en los últimos cien años.

El siglo XX se caracteriza por un notable progreso de la ciencia. En el año 1905 nació una nueva física: la física relativista (A.Einstein) y, un poco antes, la física cuántica (M.Planck), las cuales cambiaron nuestra visión sobre la estructura del espacio-tiempo y de las interacciones físicas. La consecuencia de estos descubrimientos fueron los grandes logros alcanzados en la explicación de la estructura de la materia y del Universo. A inicios de siglo apareció también la cosmología moderna. La fecha del nacimiento de la cosmología moderna se considera generalmente el año 1922, fecha en que en la revista alemana “Zeitschrift für Physik” se publicó el artículo de A.A.Fridman “Sobre la curvatura del espacio”. La conclusión principal de este trabajo consistía en que nuestro Universo evoluciona, se expande, y su propio volumen aumenta.

Estas conclusiones fueron tan insólitas que incluso A.Einstein las recibió inicialmente con escepticismo. Por supuesto, la idea de un cambio constante no es algo tan fuera de lo común. Cambios constantes son observados en la vida diaria; se observan incluso en el cosmos. El día es reemplazado por la noche; el verano, por el invierno; un año por otro, etcétera. Pero los astrónomos están más acostumbrados a los cambios cíclicos, y éstos tienen lugar sobre el fondo de un cuadro estacionario de estrellas. La idea de A.A.Fridman acerca de una evolución progresiva en el tiempo fue realmente revolucionaria. El mismo A.Einstein en el año 1917 creó un modelo de Universo estacionario donde no había evolución, el cual habría tenido un tiempo infinito en el pasado y tendría un tiempo infinito en el futuro; no obstante, más tarde él admitió la validez de las ideas de A.A.Fridman. El modelo cosmológico de Fridman, en el cual hubo un inicio o, como se dice hoy, un instante de nacimiento, fue inicialmente recibido con rechazo, mas fue confirmado posteriormente mediante las observaciones y hoy es admitido por todos.

A inicios del siglo XX la cosmología era considerada por muchos científicos como una ciencia abstracta, alejada incluso de las exigencias principales de la física fundamental y de la astronomía. Antes de la Segunda Guerra Mundial los especialistas dedicados a la cosmología se podían contar con los dedos. Esto no era sorprendente, pues la cosmología científica se basaba en un único hecho: la expansión del Universo.

La situación cambió significativamente en los años 60 del siglo XX. En aquel entonces comenzó la “época de los grandes descubrimientos astronómicos”. Entre los descubrimientos que cambiaron nuestra noción del Universo se encuentra la radiación de fondo cósmica.

Los descubrimientos cosmológicos se realizaban uno tras otro. Sobre todo las últimas dos décadas del siglo XX resultaron muy fructíferas. Todo esto condujo a un crecimiento extraordinario de la popularidad de la cosmología tanto entre los astrónomos como entre los físicos. El número de especialistas que de una u otra forma hoy está involucrado con la cosmología es de varios millares. La cantidad de artículos dedicados a la cosmología y a las ramas de la ciencia vinculadas con ella crece rápidamente. Ha aparecido una nueva ciencia, la cosmomicrofísica, la cual reúne en un campo científico único a la cosmología y a la física de las partículas elementales, las cuales ahora se enriquecen conceptualmente la una a la otra.

Este libro es una exposición popular de las ideas y hechos básicos de la cosmología, y ha sido organizado por el siguiente principio.

Primero se explica qué es la cosmología y cuál es el objeto de su estudio; se narra el estado de esta ciencia en las dos últimas décadas.

Como cualquier otra ciencia, la cosmología tiene un conjunto de observaciones o testimonios experimentales que para ella son críticos. Cada uno de estos experimentos ha sido decisivo en la elección de las ideas actuales de la evolución y de la estructura de nuestro Universo. Inmediatamente después del primer capítulo se describen estos test de observación críticos de la cosmología.

Luego se da una descripción breve de la historia del Universo, se caracterizan las épocas importante que han constituido hitos en la existencia de nuestro mundo. Los primeros tres capítulos son una especie de introducción amplia.

La cosmología propiamente dicha se expone luego. Su exposición comienza con la descripción de las leyes que dirigen la evolución de nuestro Universo y el relato detallado acerca de cada época de su desarrollo y de las investigaciones experimentales que proveen de hechos a la cosmología.

Los últimos dos capítulos del libro se alejan un poco de la exposición fundamental y están dedicados a algunos problemas interesantes, aunque exóticos, de la cosmología moderna. Estos capítulos pertenecen más bien al género de la ciencia ficción, y han sido incluidos en el libro por su atractivo, debido a que plantean problemas que emocionan a todos las personas.

La información histórica que aparece en el libro de vez en cuando, se refiere principalmente a los cosmólogos soviéticos y a su contribución en el estudio de la cosmología del siglo XX.

La cosmología moderna constituye un campo muy amplio de investigación. Ella puede ser subdividida convencionalmente en cosmología de observación, cosmología física y cosmología matemática. Cada una de ellas es, prácticamente, un campo aparte de la ciencia. El autor no pretende conocer a la perfección todos los apartados de la cosmología, por lo que se presta especial atención sólo a la cosmología de observación y a la cosmología física, así como a aquellos de sus apartados que son atractivos desde el punto de vista gnoseológico.

Algunas palabras referentes al estilo de la exposición del material. El libro es un libro de ciencia popular. El autor ha procurado explicar con detalle los términos, ideas y nociones principales de la cosmología. No obstante, en un libro de ciencia popular esto es casi imposible de realizar totalmente. Como cualquier ciencia natural, la cosmología tiene su propio lenguaje: la descripción matemática de los fenómenos y procesos. El lenguaje humano es muy pobre para poder describir los fenómenos físicos y cosmológicos sin hacer uso de la matemática. Tampoco es posible recurrir siempre a las analogías, y para algunos procesos simplemente no existen analogías de la vida cotidiana.

De todas maneras el autor ha intentado obviar algunas descripciones complejas, que incluyen fórmulas matemáticas. El lector encontrará en el libro una pequeña cantidad de fórmulas, las cuales se utilizan en caso de que la descripción verbal sea imposible o haga pesado el libro. Para que las principales ideas sean comprendidas y captadas por los no especialistas, se han usado nociones matemáticas no más complejas que las incluidas en el programa de los grados superiores de la escuela media.

Y lo último. Hoy día la cosmología está viviendo su “edad de oro”, se está haciendo muy popular. Están surgiendo organizaciones científicas para el estudio de la cosmología; en la sociedad está de moda y es de prestigio hablar de ella, así como asistir a conferencias de especialistas-cosmólogos. Los institutos sociales han dirigido su atención a la cosmología. El Papa Juan Pablo II, en un mensaje especial, indicó que la cosmología moderna no contradice las verdades bíblicas; los jerarcas de la iglesia ortodoxa le dedica libros; la televisión le ofrece a S.Hawking, uno de los cosmólogos modernos más famosos, y a otros especialistas la posibilidad de intervenir ante un amplio auditorio. Todo esto testimonia la gran popularidad de la cosmología en la sociedad moderna y, por consiguiente, infunde esperanza de que este campo de las ciencias naturales continuará siendo aún reclamado durante largo tiempo.

El autor, cumpliendo con un deber placentero, expresa su agradecimiento a M.E.Prójorov, V.N.Sementsov y O.S.Jovánskaya, quienes ayudaron en la preparación del libro, así como a V.G.Surdín, el cual me inspiró con sus pláticas a escribir este libro.