Historia de la teoría del Big Bang para niños

La historia de la teoría del Big Bang nos cuenta cómo los científicos han llegado a entender el origen y la evolución de nuestro universo. Todo comenzó con las ideas de Alexander Friedmann en los años 1920, quien encontró soluciones a las ecuaciones de Albert Einstein. Más tarde, Georges Lemaître y Edwin Hubble hicieron importantes descubrimientos que ayudaron a dar forma a esta teoría.

Aunque la idea principal del Big Bang tiene casi cien años, se han añadido muchas otras ideas para explicar mejor el universo. Por ejemplo, en los años 1940 se propuso la nucleosíntesis primordial, que explica cómo se formaron los primeros elementos. En los años 1980, la inflación cósmica ayudó a resolver algunos misterios. Un gran cambio reciente fue el descubrimiento en 1998 de que el universo se está expandiendo cada vez más rápido. Esto llevó a ajustar el modelo y a crear el modelo ΛCDM.

¿Cómo se desarrolló la teoría del Big Bang?

Ideas antiguas y medievales sobre el universo

Desde hace mucho tiempo, la gente se ha preguntado si el universo siempre ha existido o si tuvo un comienzo. En la filosofía medieval, se discutía si el universo tenía un pasado infinito o finito. Filósofos como Aristóteles pensaban que el universo era eterno.

Sin embargo, pensadores de la Edad Media como Juan Filópono, Al-Kindi y Al-Ghazali propusieron argumentos lógicos de que el universo sí tuvo un comienzo. Querían conciliar la idea de un universo creado con las ideas de Aristóteles.

En el año 1225, el teólogo inglés Robert Grosseteste escribió un tratado llamado De Luce (De la luz). En este texto, describió el nacimiento del universo como una explosión. Luego, la materia se fue organizando para formar estrellas y planetas. Fue uno de los primeros intentos de explicar el cielo y la Tierra con un mismo conjunto de reglas físicas.

Ideas modernas que prepararon el camino

En 1610, Johannes Kepler usó la oscuridad del cielo nocturno para apoyar la idea de un universo finito. Más tarde, en 1687, Isaac Newton formuló sus famosas leyes del movimiento. Estas leyes describían cómo se mueven los objetos a gran escala en todo el universo.

En 1791, Erasmus Darwin (abuelo de Charles Darwin) publicó un poema que hablaba de un universo que se expande y se contrae en ciclos. Edgar Allan Poe también presentó una idea similar en su ensayo Eureka en 1848. Aunque no era un trabajo científico, Poe imaginó que el universo comenzó con una "partícula primordial" que se fragmentó. Luego, los átomos se agruparon para formar estrellas, y el universo se comprimiría de nuevo por la gravedad.

La evolución del modelo teórico del Big Bang

Primeras observaciones y la relatividad de Einstein (1910-1920)

En la década de 1910, científicos como Vesto Melvin Slipher y Carl Wilhelm Wirtz descubrieron algo importante. Notaron que la mayoría de las "nebulosas espirales" (que hoy sabemos que son galaxias) se estaban alejando de la Tierra. Slipher usó la espectroscopia para medir sus velocidades. Wirtz observó un corrimiento al rojo en estas nebulosas, lo que significaba que se estaban alejando. Sin embargo, en ese momento no sabían que estas "nebulosas" eran en realidad galaxias fuera de nuestra Vía Láctea.

Según el modelo del Big Bang, el universo se expandió desde un estado muy denso y caliente y sigue expandiéndose hoy. Una analogía común es que el espacio mismo se expande, llevando las galaxias consigo, como manchas en un globo que se infla. Este dibujo muestra cómo se expande una parte del universo.

También en esa década, Albert Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general. Esta teoría se convirtió en la base del modelo cosmológico del Big Bang. Las ecuaciones de Einstein describen cómo la forma del universo (el espacio-tiempo) cambia con el tiempo. Al principio, Einstein pensó que sus ecuaciones implicaban que el universo no podía ser estático. Por eso, añadió una "constante cosmológica" para que el universo pareciera fijo. Sin embargo, más tarde se daría cuenta de que el universo no es estático.

El universo en expansión: Friedmann, Lemaître y Hubble (1921-1935)

La primera persona que aplicó la relatividad general a la cosmología sin la constante cosmológica fue Alexander Friedmann. En 1922, Friedmann encontró soluciones a las ecuaciones de Einstein que describían un universo en expansión. Sus ecuaciones de Friedmann son fundamentales para entender cómo se expande el universo.

En 1927, el sacerdote y científico belga Georges Lemaître propuso un modelo de universo en expansión. Quería explicar el corrimiento al rojo que se observaba en las galaxias. Lemaître calculó la ley de Hubble-Lemaître, que relaciona la distancia de las galaxias con la velocidad a la que se alejan.

En 1930, Edwin Hubble proporcionó pruebas muy importantes para la teoría de Lemaître. Las observaciones de Hubble mostraron que las galaxias se alejan de nosotros en todas direcciones. Además, cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja. En 1929, Hubble y Milton Humason formularon lo que hoy se conoce como la ley de Hubble. Esta ley demostró que el espacio mismo se está expandiendo, llevando las galaxias consigo. Este descubrimiento fue clave para el desarrollo del modelo del Big Bang.

En 1931, Lemaître propuso su "hipótesis del átomo primigenio". Sugirió que el universo comenzó con la "explosión" de un "átomo primigenio", lo que más tarde se llamó el Big Bang. Lemaître pensó que los rayos cósmicos eran restos de esta explosión. Aunque hoy sabemos que los rayos cósmicos tienen otro origen, Lemaître tuvo la visión de un universo que comenzó de forma muy densa y caliente. Poco antes de su muerte, se descubrió la radiación de fondo cósmico de microondas, que sí es un resto de esa fase inicial del universo.

La formación de elementos y el horno cósmico (1936-1949)

En esta época, científicos como George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann, junto con Hans Bethe, estudiaron cómo se forman los elementos en las estrellas. En los años 1940, desarrollaron la teoría de la nucleosíntesis primordial. Esta teoría explicaba cómo se produjeron los elementos más ligeros (como el hidrógeno y el helio) en el universo primitivo.

Imaginaron el universo temprano como un "horno nuclear" donde se cocinaron estos elementos. Sus cálculos se basaron en dos ideas principales:

• El universo es uniforme y se puede describir con la teoría de la relatividad general.
• La temperatura del universo al principio era tan alta que permitía la formación de elementos.

Big Bang contra el Estado Estacionario

La ley de Hubble-Lemaître, que muestra que el universo se expande, llevó a dos ideas opuestas sobre el universo:

1. La primera era la teoría del Big Bang de Lemaître, apoyada por George Gamow.
2. La segunda era la teoría del estado estacionario, propuesta por Fred Hoyle. Esta teoría decía que el universo siempre ha sido más o menos igual. Para que las galaxias se alejaran, se creaba nueva materia constantemente en el espacio. Fue Hoyle quien, de forma un poco despectiva, llamó a la teoría de Lemaître "la idea del big bang" en un programa de radio en 1949.

Con el tiempo, el modelo del Big Bang fue ganando más pruebas y se convirtió en la teoría más aceptada.

Pruebas clave y nuevos misterios (1950-1980)

Entre 1950 y 1965, el apoyo a ambas teorías estaba bastante dividido. Sin embargo, el modelo del Big Bang explicaba mejor la cantidad de hidrógeno y helio que se observa en el universo.

Además, se descubrió que objetos como los cuásares y las galaxias de radio eran mucho más comunes en el universo lejano (es decir, en el pasado) que en el universo cercano. Esto apoyaba la idea de que el universo ha evolucionado. El descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB) en 1965 fue una prueba muy fuerte a favor del Big Bang. Esta radiación es como un eco del universo primitivo, muy caliente y denso.

Después de esto, el modelo del Big Bang se consolidó como la mejor explicación para el origen y la evolución del cosmos. Científicos como Stephen Hawking demostraron que el universo, según la relatividad general, tuvo un comienzo en el tiempo. Sin embargo, aún no se sabe si ese punto inicial fue una "singularidad" real o si hay otros procesos físicos que lo rigen.

En esta época, también se planteó el misterio de la materia oscura. Se calculó que la cantidad de materia normal (bariones) en el universo primitivo era mucho menor que la masa total observada. Esto llevó a la idea de que existe una materia que no podemos ver, la materia oscura, que compone gran parte del universo.

La inflación cósmica (1981-1990)

En los años 1970 y 1980, la mayoría de los científicos aceptaban el modelo del Big Bang. Sin embargo, había algunos problemas sin resolver. Por ejemplo, el problema del horizonte (¿por qué el universo es tan uniforme en todas direcciones?) y el problema de la planitud (¿por qué el universo es tan "plano"?).

Para resolver estos problemas, Alan Guth y Andréi Linde propusieron la teoría de la inflación cósmica. Esta teoría sugiere que el universo tuvo un período de expansión extremadamente rápida justo después del Big Bang. Aunque sigue siendo una idea especulativa, la inflación cósmica es generalmente aceptada como una forma razonable de explicar estos misterios.

Avances y la expansión acelerada (1991-2000)

Radiación cósmica de fondo captada por el satélite COBE.

En 1990, las mediciones del satélite COBE confirmaron que el fondo cósmico de microondas tiene un espectro de cuerpo negro casi perfecto. Esto demostró que el universo fue muy caliente y denso en el pasado. En 1992, COBE también descubrió pequeñas variaciones en el CMB, tal como se predecía en los modelos del Big Bang con materia oscura. A partir de entonces, el modelo del Big Bang se convirtió en la teoría dominante.

A finales de los años 1990, hubo grandes avances gracias a la mejora de los telescopios, como el Telescopio Espacial Hubble. En 1998, ocurrió algo inesperado: las observaciones de supernovas lejanas indicaron que la expansión del universo se está acelerando. Esto significaba que la constante cosmológica que Einstein había descartado ¡era necesaria! Este descubrimiento, junto con otras observaciones, llevó a la formulación del submodelo ΛCDM dentro del Big Bang.

El universo hoy: WMAP y Planck (2001 en adelante)

Entre 2003 y 2010, el satélite WMAP de la NASA tomó imágenes muy detalladas del fondo cósmico de microondas. Estas imágenes sugieren que el universo tiene unos 13.700 millones de años. También apoyan el modelo ΛCDM y la teoría de la inflación cósmica. Ninguna otra teoría cosmológica puede explicar tan bien una gama tan amplia de observaciones.

Más tarde, entre 2013 y 2018, el satélite Planck surveyor tomó medidas aún más precisas del CMB. Esto ha permitido determinar con mayor exactitud varios parámetros del universo. Sin embargo, algunas de estas mediciones, como el valor de la constante de Hubble, aún no coinciden perfectamente con las obtenidas por otros métodos, lo que sigue siendo un misterio para los científicos.

Actualmente, gran parte del trabajo en cosmología se centra en entender cómo se forman las galaxias dentro del modelo del Big Bang. También se investiga qué ocurrió en los primeros momentos después del Big Bang. Los científicos siguen midiendo los parámetros del Big Bang con mayor precisión y buscan más pistas sobre la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura.

Véase también

En inglés: History of the Big Bang theory Facts for Kids