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Ecos del futuro

Reflexiones sobre ciencia, economía, ecología, política y comportamiento humano

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    Pedro J. Hernández



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  • Inicio > Historias > Viendo fluctuaciones cuánticas

    Viendo fluctuaciones cuánticas

    Entrada actualizada con los datos de PLANCK

    Continuación de Imagen del principio del universo

    380,000 años después de la Gran Explosión, el universo no era un lugar muy agradable, aunque sí que era bien simple. A una temperatura de 3000 K pululaban del orden de unos 3000 protones y 3000 electrones en cada metro cúbico de espacio. Estos no habían podido hasta ese momento emparejarse para formar átomos de hidrógeno debido a que una fracción importante de los mil millones de fotones existente por cada par protón-electrón eran suficientemente energéticos para mantenerlos desemparejados. En realidad, cada vez habría menos fotones con la energía suficiente para mantener ese plasma de protones y electrones, produciendose poco a poco el emparejamiento y la aparición de los átomos de hidrógeno. Cuando el plasma pasa a convertirse gradualmente en hidrógeno neutro, los fotones dejan de estar en interacción estrecha con la materia y pueden viajar libremente.

    Nosotros sólo podemos ver los fotones procedentes de los que se conoce como última superficie de dispersión. Imagine el lector que se encuentra en medio de una multitud que está dando fuertes gritos, y de repente todo el mundo deja de gritar. Debido a la velocidad finita del sonido, el lector se verá en el centro de una circunferencia de personas de las que proviene el sonido de los gritos. Esa circunferencia se va alejando de usted a la velocidad del sonido. El observador del universo se encuentra justo en la misma situación, pero en lugar de oír gritos ve fotones que provienen de una superficie que se ha alejado a la velocidad de la luz desde entonces hasta situarse muy lejos, a unos 45,000 millones de años luz de distancia. Esos fotones que han perdido energía hasta convertirse en microondas por la expansión del universo constituyen precisamente el Fondo Cósmico de Microondas detectado por la sonda MAP.




    El ambiente en el que se encontraban esos fotones era extremadamente uniforme, pero no del todo. Existían pequeñas variaciones de densidad respecto a la media. ¿Por qué?. El mejor modelo que tenemos del origen de esas pequeñas variaciones de densidad es la aplificación de las fluctuaciones cuánticas de vacío producida por una expansión enorme y ultrarápida del universo conocida como periodo inflacionario, donde un universo observable de tamaño subatómico se convertiría en un universo con una escalas típicas del actual. Para que nos hagamos una idea, si lo mismo ocurriese hoy en día, cada milímetro de espacio se convertiría en todo el universo observable de la actualidad en apenas una trillonésima de trillonésima de segundo --10^(-35) s--.

    Un modelo realista del crecimiento de las fluctuaciones cuánticas durante el periodo inflacionario puede verse en el siguiente gif animado.




    Las fluctuaciones crecen de una manera muy particular si el periodo inflacionario existió de hecho. Las fluctuaciones que se producen antes tienen más tiempo de crecer. Las que se producen más tarde son más pequeñas. Pero ¡el área del cielo que abarcan es el mismo independientemente del tamaño que hayan alcanzado! como vemos en la siguiente figura.



    Pues bien. Miren ahora cómo se refleja ese modelo en las variaciones de temperatura detectadas por WMAP --en realidad la comparación es con los datos de la sonda anterior de la NASA --COBE--




    Los datos de COBE y de WMAP son perfectamente compatibles con este modelo.

    Cuando el lector mira el mapa del cielo que nos proporciona WMAP está viendo nada más y nada menos que el rastro de fluctuaciones cuánticas producidas a escala subatómica amplificadas a escalas astronómicas. Para ver las cosas más pequeñas que pueden modelar nuestras teorías físicas, tenemos que mirar al universo entero.

    Continúa en El último grito cósmico

    2008-03-12 20:27 | Astronomia, Fisica | 8 Comentarios


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    Comentarios

    1
    De: germanPG Fecha: 2008-03-13 14:09

    Muy sugerente tu ultima frase, sobre la conexion de lo mas pequeño y lo mas grande del universo.
    Me hace recordar que esta primavera tendremos abiertas dos nuevas ventanas a estas dimensiones.
    El GLAST (satelite detector de rayos Gamma) y el LHC (colisionador de hadrones en Ginebra.
    Esperemos que sus observaciones se complementen y nos aclaren algo mas en que Universo nos hallamos metidos.



    2
    De: Pedro J. Fecha: 2008-03-13 16:29

    También está la misión Planck --el hermano europeo de WMAP-- que ya debería estar volando, pero que lleva algo de retraso. Planck será otro salto adelante porque será mucho más sensible a la polarización de los fotones --es decir, la dirección de vibración de la onda EM asociada--. Eso dará información valiosa sobre la reionización del medio debido a las primeras estrellas, la proporción precisa de fotones ionizantes en la superficie de última dispersión, el origen de las variaciones de densidad y además puede dar información sobre las ondas gravitatorias presentes en esa época.

    Así que dentro unos pocos años esto puede ponerse más interesante aún.



    3
    De: RICARDO PARDO Fecha: 2009-07-12 18:37

    SI LE INTERESA UN MEDIO IMPRESO DE DIVULGACIÓN CIENTÍFICA ESCRÍBAME AL CORREO. YO ESTOY ARMENIA COLOMBIA



    4
    De: Manuel Díaz Fecha: 2013-08-18 20:42

    Excelente divulgación de ciencia.

    Gracias.



    5
    De: Anónimo Fecha: 2014-05-30 16:47

    Lee "Origen del Universo:Reflexiones en torno a las conjeturas de Stephen Hawkin"



    6
    De: Albert Fecha: 2015-07-30 11:43

    Pedro, una pregunta, igual la respuesta es obvia pero no caigo. Los fotones del CMB de la superficie de última dispersión que estamos recibiendo ahora (z=1100 aprox.) partieron con una longitud de onda unas 1100 veces menor que la que observamos ahora cuando nos llegan.
    Es decir cada fotón partió con una energía 1100 veces mayor a la que tiene ahora cuando lo observamos.
    Según he entendido, la mayoría de estos fotones que recibimos no han interaccionado con nada, simplemente han enrojecido por la expansión del Universo. ¿Dónde está la diferencia de energía entre la que tenían los fotones al partir hace 13.798 Maños y la que tienen ahora, que es 1100 veces menor?
    Muchas gracias y saludos cordiales.



    7
    De: Pedro J. Fecha: 2015-07-30 18:22

    Maravillosa pregunta Albert. La respuesta ha terminado en una discusión casi interminable sobre la conservación de la energía en cosmología. La respuesta rápida es que no es necesario que se conserve a nivel clásico. Es decir, los fotones pierden energía debido a la expansión y esa energía simplemente no está ahí. Si eso te crea problemas, se puede ver el universo como un gas en expansión, como cuando aprietas y sueltas el aire en una jeringuilla. La pérdida de energía del aire, que se manifiesta como enfriamiento, se convierte en trabajo sobre el aire circundante. Puedes hacer una analogía con el universo donde esa energía se pierde como trabajo de la expansión. Pero se trata simplemente de una ilusión clásica, pues el universo no tiene que expandirse en ningún medio.

    Con la constante cosmológica la situación es aún más grotesca. A medida que aumenta el tamaño de un volumen de universo, la densidad de energía de la constante cosmológica se mantiene constante. Por tanto aparece energía en ese volumen, digamos que de la nada.

    El asunto es que en Relativiad General (que es la teoría en la que hay que tienes que basar tu manera de razonar en comología) sí que tiene una cantidad conservada, el tensor energía-impulso y lo hace de una manera muy particular, respetando cómo se entiende la conservación de la energía hoy en física que es como una simetría de traslación espacio-temporal (siguiendo el famoso teorema de Noether) Lo relevante es que esa conservación es local, es decir, que globalmente no puedes encontrar una cantidad que representa la energía del universo y por tanto carece de sentido hablar de la conservación de la energía del universo. Sólo en determinados tipos de universo se puede definir una cantidad que podría interpretarse como la energía total del universo y que puede igualarse a cero. De ahí vienen todos esos modelos de creación del universo donde uno tiene cero energía y un universo no-físico (algo así como nada) y luego tienes un universo físico con cero energía por una fluctuación cuántica.



    8
    De: Albert Fecha: 2015-07-30 20:48

    Muchas gracias por contestar tan rápido. Voy a intentar procesar, asimilar y entender lo que me has explicado, pero me temo que tardaré un poco.
    Eres una persona muy amable ayudando de forma tan altruista.
    Gracias de nuevo y saludos.



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