Se considera el origen del universo, al instante en que surgió toda la materia y la energía que existe como consecuencia de una gran expansión.
La teoría del big bang, acepta que el universo podría haberse originado hace unos 13.800 millones de años. En los años 1930, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble confirmó que el universo se estaba expandiendo. Por otra parte, a Einstein le parecía absurdo que el universo se encontrara en infinita expansión, por lo que agregó a sus ecuaciones la famosa constante cosmológica, que resolvía el problema de la expansión infinita, a la cual posteriormente denominaría él mismo como el mayor error de su vida. Por esto Hubble fue reconocido como el científico que descubrió la expansión del universo.
La teoría inflacionaria, propuesta por Alan Guth en los años ochenta, intenta explicar los primeros instantes del universo, basandose en estudios sobre campos gravitatorios demasiado fuertes, como los que hay cerca de un agujero negro.
No se conoce la naturaleza del macro-universo que antecede al instante en que nuestro universo era de la dimensión de un punto con densidad infinita, conocida como una singularidad espacio-temporal, donde se concentraba toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo.
Según esta teoría, lo que desencadenó el primer impulso del big bang es una fuerza inflacionaria, ejercida en una cantidad de tiempo prácticamente inapreciable. Se supone que de esta fuerza inflacionaria se dividieron las fuerzas fundamentales.
La teoría del big bang consiste en que el universo, que antes era una singularidad infinitamente densa, matemáticamente paradójica, con una temperatura muy elevada, en un momento dado, comenzó a expandirse, generando una gran cantidad de energía y materia separando todo, hasta ahora.
Esta teoría postula que toda la materia y energía del universo estaban concentradas en un punto extremadamente pequeño y denso que, hace aproximadamente 13.800 millones de años, experimentó una gran expansión. Esta expansión dio origen al espacio, el tiempo y la materia tal como la conocemos hoy. El universo comenzó en un estado extremadamente caliente y denso, más pequeño que un átomo.
Durante la expansión, el universo se enfrió y permitió la formación de partículas subatómicas y posteriormente átomos, principalmente hidrógeno y helio. La gravedad actuó sobre la materia para formar estrellas, galaxias y otras estructuras cósmicas. La observación de que las galaxias se están alejando unas de otras a gran velocidad, confirma la expansión del universo.
El universo empezó a enfriarse y a expandirse. Este enfriamiento produjo que toda la energía comenzara a estabilizarse. Los protones y los neutrones se crearon y se estabilizaron cuando el universo tenía una temperatura de 100 000 millones de grados, aproximadamente una centésima de segundo después del inicio. Los electrones tenían una gran energía e interactuaban con los neutrones, que inicialmente tenían la misma proporción que los protones, pero debido a esos choques los neutrones se convirtieron más en protones que viceversa.
La proporción continuó bajando mientras el universo se seguía enfriando; así, cuando el universo tenía 30.000 millones de grados, una décima de segundo, había treinta y ocho neutrones por cada sesenta y dos protones, y veinticuatro por setenta y seis cuando tenía 10 000 millones de grados, un segundo.
Lo primero en aparecer fue el núcleo del deuterio, casi catorce segundos después, cuando la temperatura de 3.000 millones de grados permitía a los neutrones y protones permanecer juntos. Para cuando estos núcleos podían ser estables, el universo necesitó algo más de tres minutos, cuando esa bola incandescente se había enfriado a unos 1000 millones de grados.
La detección de la radiación de fondo, vestigio del calor inicial del universo, es una de las principales pruebas del Big Bang, junto con la proporción de hidrógeno y helio en el universo coincidente con las predicciones de esta teoría, que ofrece una explicación plausible y respaldada por evidencias sobre el origen del universo, aunque la investigación científica continúa explorando los misterios del cosmos.
Antes de seguir con la explicación del Bing Bang es conveniente hablar del concepto de singularidad. Una singularidad se refiere a un punto en el espacio-tiempo donde las leyes físicas, dejan de ser válidas debido a que ciertas magnitudes como la densidad, la curvatura o el campo gravitacional se vuelven infinitas. Es un lugar donde las ecuaciones que describen el universo colapsan o dejan de tener sentido.
En la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo es una representación del campo gravitacional y una singularidad implica una curvatura infinita.
En los agujeros negros, una singularidad se asocia con una densidad de materia infinita en un punto infinitesimal. En el centro de un agujero negro existe una singularidad donde toda la masa del objeto se concentra en un punto de densidad infinita.
Las singularidades indican que las teorías físicas actuales no son válidas para describir ciertas condiciones extremas, como las que podrían existir en el centro de un agujero negro o en el origen del universo.
Durante los primeros segundos, la temperatura fue de más de un billón de grados y toda la energía se hallaba en forma de radiación. Durante los primeros 10 segundos se formaron las partículas elementales y al cabo de 15 minutos se formaron núcleos de hidrógeno y helio, en proporción de cuatro a uno.
Cúmulo abierto NGC 6530. Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA
Antes del Big Bang el tiempo no existía, y tampoco existía el espacio. Hace 13,8 mil millones de años apareció una minúscula mota blanca, pero con energía muy caliente y concentrada. Fuera de ahí no había nada.
Dentro estaban todos los ingredientes del universo entero, y desde entonces, lo único que han hecho ha sido cambiar de forma, como si el universo fuera una bola remodelada en un sinfín de formas a lo largo de miles de millones de años.
Una diminuta fracción de segundo, el espacio de tiempo más breve que cabría medir, en el universo nada puede moverse lo bastante rápido como para poner de manifiesto que se había producido el mínimo cambio en una cantidad de tiempo menor.
Al cabo de unos segundos, el universo medía más o menos un metro. Había comenzado el tiempo. En la primera fracción de segundo, nuestro destino ya quedó grabado en la propia estructura del cosmos.
Al cabo de diez segundos, el universo creció hasta alcanzar los diez años luz de extensión, atravesado por partículas diminutas que se habían solidificado a partir de pura energía mientras seguía enfriándose hasta llegar a los cinco mil millones de grados Kelvin.
Había quarks y anti-quarks, positrones y electrones. Los contrarios de cada uno. Materia y antimateria. Gran parte de la materia chocó contra la antimateria y explotó provocando un fogonazo, y se convirtió de nuevo en energía.
Los quarks son partículas subatómicas elementales, y junto con los leptones, son los componentes fundamentales de la materia bariónica, la materia que forma los átomos. Son fermiones y se combinan para formar partículas más grandes llamadas hadrones, como los protones y neutrones. Se consideran partículas puntuales e indivisibles y no pueden existir de forma aislada, siempre están confinados dentro de hadrones.
Los leptones son partículas elementales que no interactúa a través de la fuerza nuclear fuerte. Interactúan a través de la fuerza débil y la fuerza electromagnética, pero no a través de la fuerza fuerte. Son partículas con espín 1/2 y existen seis leptones conocidos: el electrón, el muon, el tau y sus respectivos neutrinos. Son fundamentales en la construcción de la materia y participan en las interacciones débiles y electromagnéticas. Son componentes fundamentales de la materia y desempeñan un papel crucial en diversos fenómenos físicos, como las reacciones nucleares en las estrellas y los procesos de desintegración radiactiva.
Solo una mil millonésima parte de la materia no fue capaz de encontrar una contraparte de antimateria, y es solo esta pequeñísima fracción de materia la que constituye todo el material del universo que vemos en la actualidad. Fue entonces, en esos primeros diez segundos de la historia, cuando se produjo un milagro gracias al cual existimos.
En los tres minutos siguientes el universo continuó agrandándose. Medía más de mil años luz y el entorno estaba dominado por una radiación gruesa. El intenso calor transformó los quarks supervivientes en protones y neutrones. A su vez, estos, constituyeron el centro de los átomos de hidrógeno y de helio. El hidrógeno y el helio iban a ser los primeros elementos, y más simples, que existirían.
El universo siguió expandiéndose y enfriándose durante miles de años. Transcurridos 380.000 años desde el Big Bang, el universo tenía más de diez millones de años luz de extensión y se había enfriado hasta llegar a los 3.000 grados Kelvin, el doble de caliente que la lava y capaz de fundir el oro o hacer que un diamante goteara como un cubito de hielo en un día de verano.
El calor todavía era suficiente para anular la mayor parte de la complejidad, si bien la temperatura era suficientemente baja para que los núcleos de hidrógeno y helio capturasen electrones y se volviesen átomos. El universo empezó a llenarse de nubes de gas.
Como el universo se había vuelto también menos denso, los fotones de luz pudieron empezar a desplazarse libremente por la espesa sopa de radiación y partículas. Hubo un destello de luz cegador pues esos fotones se movieron en todas las direcciones imaginables. Este destello se conoce como radiación de fondo de microondas y actualmente es posible detectarlo en cualquier dirección del universo
Varios cálculos han demostrado que toda la materia y la energía que conocemos es muy poca en relación con la que debería existir para que el big bang sea correcto. Por ello se postuló la existencia de una materia imaginaria para llenar ese vacío, a la cual se la llamó materia oscura. Los científicos consideran que no interactúa con ninguna de las fuerzas nucleares, fuerza débil y fuerte, ni con el electromagnetismo, solo con la fuerza gravitacional, aunque de hecho no hay ni ha habido ninguna forma de comprobar su existencia.
Las singularidades son importantes porque señalan las limitaciones de nuestras teorías físicas actuales y nos impulsan a buscar teorías más completas que puedan describir el universo en condiciones extremas.
La búsqueda de una teoría de gravedad cuántica busca reconciliar la relatividad general, que describe la gravedad a gran escala, con la mecánica cuántica, que describe el mundo subatómico y evitar las singularidades.
