Big Bang Lemaitre y Gamow Top

8/11/2019 Big Bang Lemaitre y Gamow Top

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UNIVERSIDAD DE CHILE Curso EH28BFacultad de Ciencias Fsicas y Matemticas Prof. Jos Maza SanchoDepartamento de Astronoma 6 Noviembre 2006

2.16. El Big Bang: Lematre y Gamow.

2.16.1 Introduccin:

En 1929 el astrnomo norteamericano Edwin Hubble (1889-1953) publica susresultados acerca de las velocidades radiales y las distancias de las galaxiasencontrando una relacin entre ambas: las velocidades radiales son mayores para lasgalaxias ms distantes. Las galaxias se alejan de nosotros con velocidades mayorescuanto ms distantes. Dichos resultados apuntan a una expansin global del Universo.

La relacin encontrada por Hubble se puede resumir en la ecuacin:

Hdv =

La expansin implica que el universo se est haciendo ms grande y por ende en elpasado era ms pequeo. Si se asume que el universo se ha expandido siempre a lavelocidad actual es fcil mostrar que en un tiempo !definido por la siguiente ecuacin,

el universo debe hacer sido muy denso.

H

1=!

El tiempo ! se conoce como el tiempo de Hubble y la constante H como la

constante de Hubble. Con un valor para la constante de Hubble cercano a 70km/seg/Mpc resulta un tiempo de Hubble del orden de 14.000.000.000 aos.


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2.16.2 Georges Lematre (1894-1966):

El sacerdote jesuita belga Georges Lematre (1894-1966) redescubri lassoluciones de Friedman a las ecuaciones de Einstein en 1927. Friedman las habapublicado en parte en ruso en la Unin Sovitica y en parte en alemn, en una revista

alemana; Lematre las public en francs en una revista belga de muy poca circulacin.El astrofsico ingls Arthur Eddington las hizo traducir y re-publicar en la revista inglesaMonthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) en 1930. Las solucionesde Lematre son ms generales que las de Friedmann pues resultan en universos conexpansin o contraccin pero tambin utiliza la constante "de Einstein y por ende hay

universos de Lematre que presentan expansin acelerada. A partir de 1930 y gracias aLematre las soluciones de las ecuaciones de Einstein fueron conocidas en el mundoentero; adems ya se saba que el universo no es esttico sino que se encuentra enexpansin gracias a Hubble.

En 1931 Lematre propuso que el universo observable actual haba surgido a

partir de un estado de muy alta densidad que el llam: tomo primitivo.Ese tomoprimitivo contena en un pequeo volumen toda la materia del universo actual. Segn lesa forma de altsima densidad del Universo habra sido inestable, algo as como ungran tomo radioactivo que explot y dio origen al universo actual.


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La idea del tomo primitivo la desarroll Lematre durante los aos treinta, ms anivel de una descripcin cualitativa del origen del universo que como una teoracientfica exacta, derivada desde primeros principios; ese rol le cupo en la dcadasiguiente a George Gamow. La explicacin que da el propio Lematre en la introduccinde su libro The Primeval Atom es que en 1931, al leer un artculo de Arthur Eddington

acerca del origen y destino del cosmos, le vino la idea basada en lo siguiente:

Sir Arthur Eddington asevera que, filosficamente, la nocin de un comienzopara el orden actual de la Naturaleza le parece repugnante. Yo me inclino ms bien apensar que el estado actual de la teora cuntica sugiere un comienzo del mundo muydistinto del orden actual de la Naturaleza. Los principios de la termodinmicaestablecen desde el punto de vista de la teora cuntica lo siguiente: 1) Una cantidad deenerga total constante es distribuida en distinto quanta; 2) El nmero de quantadistintos es siempre creciente. Si vamos hacia atrs en el tiempo debemos encontrar laenerga del universo empaquetada en cada vez menos quanta, hasta que encontremostoda la energa empaquetada en unos pocos o incluso un solo quantum. .. Si eldesarrollo futuro de la teora cuntica ocurriese en esa direccin, podramos concebir elcomienzo del universo en la forma de un nico tomo, cuyo peso atmico fuese la masatotal de universo. Esta tomo, altamente inestable se dividira en tomos cada vez mspequeos por obra de un proceso de super-radioactividad. Algunos remanentes de esteproceso podran, de acuerdo con la idea de Sir James Jean, proporcionar el calor de lasestrellas hasta que los tomos sean lo suficientemente pequeos para posibilitar lavida. En estos trminos describe Lematre su teora o hiptesis del tomo primordial.

2.16.3 George Gamow: El Big Bang Caliente.

El fsico ruso-norteamericano George Gamow (1904-1968) retom la teora deltomo primitivo de Lematre y la profundiz. Gamow naci en Forben, Ucrania. Estudien la Universidad de Odessa, Rusia y alcanz a estudiar brevemente cosmologa con

Aleksandr Friedmann. Posteriormente estudi en la Universidad de Leningrado (SanPetesburgo) entre 1923 y 1929. Su talento en fsica nuclear lo hizo ganar la atencin deNiels Bohr en Copenhague, donde estuvo un tiempo entre 1928 y 1931, al igual que enCambridge, Inglaterra trabajando con Ernest Rutherford en el Cavendish Laboratory,estuvo un tiempo en Pars, hasta que finalmente se estableci finalmente en losEstados Unidos, en 1934. Inicialmente trabaj en la George Washington University.Permaneci all hasta 1954 cuando se mud a la Universidad de California en Berkeley.Posteriormente acept una invitacin de la Universidad de Colorado en Boulder, dondefue profesor entre 1956 y 1968.

En 1946 Gamow plantea que la expansin del Universo debe irlo enfriando puesun gas al expandirse se enfra. En el pasado el Universo era no tan slo ms densosino tambin ms caliente. Gamow predijo entonces la existencia de una radiacin dedebe permear al Universo entero y ser observable como una radiacin de fondocsmico. Esta teora recibi el sobrenombre de la teora del Big-Bang(teora de la granexplosin). En la versin de Gamow se trata de la teora del big-bang caliente. Suscolaboradores R. Alpher y R. Herman calcularon una temperatura de 25 K para la


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radiacin de fondo csmico; posteriormente Gamow, en 1953, calcul 7 K para dicharadiacin.

Con densidades mayores que 100 gr/cm3y temperaturas superiores a 1010K sepuede producir ncleosntesis y Gamow, fsico nuclear, se preocup de calcular la

posible ncleosntesis ocurrida en el big-bang, pensando que la composicin qumicadel universo actual tendra su origen en el big-bang. Slo calcul el Helio producido apartir del Hidrgeno. Sin embargo con el trabajo monumental de Burbidge, Burbidge, F.Hoyle y W. A. Fowler acerca de la ncleosntesis en interiores estelares, que publicaronen 1957 y donde se explica en muy buena forma la mayor parte de las abundancias delos elementos pesados como producto de la ncleosntesis en interiores estelares, seperdi inters en la teora del big-bang y su explicacin de la sntesis de los elementos.

2.16.4 La Radiacin de Fondo Csmico:

El gran giro en la teora del big-bang vino en 1964 cuando los fsicos ArnoPenzias (1933-) y Robert Wilson (1936-), trabajando para la Bell Telephoneen NewJersey detectaron una radiacin en la banda de las micro-ondas que vena de todaspartes del cielo. Arno Allan Penzias naci en Munich, Alemania, el 26 de Abril de 1933.

A los seis aos Arno escap a Inglaterra y al ao siguiente a los Estados Unidos. En1946 se nacionaliz norteamericano. Estudi en el Liceo Tcnico de Brooklyn y segradu en el City College of New Cork en 1954. Obtuvo un grado de M.Sc. y de Ph.D.


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de la Universidad de Columbia en 1958 y 1962, respectivamente. Obtuvo un trabajo enHolmdel, Nueva Jersey, en los Laboratorios Bell.

Robert Woodrow Wilson (1936-), astrnomo norteamericano, naci en Houston,Texas, el 10 de Enero de 1936. Estudi en la Universidad de Rice donde obtuvo un B.A.

(Bachillerato) en fsica en 1957 para luego completar sus estudios en el CaliforniaInstitute of Technology (CalTech), donde obtuvo su Ph.D. en astronoma en 1962.Obtuvo un trabajo en los laboratorios de la Bell en Holmdel, New Jersey

La Bell Telephone le haba encargado a Penzias y Wilson desarrollar un receptorde microondas criognico ultra sensible, con el propsito de utilizarlo en investigacionesde radio-astronoma. Penzias y Wilson, utilizando una antena y un receptor muysensibles en microondas, lograron detectar una interferencia que vena de todaspartes del cielo y que no poda ser atribuida a fuentes de contaminacin terrestres. Lallamaron radiacin de fondo csmico (en ingls cosmic microwave backgroundradiation), y tiene un espectro plankiano con una temperatura de 2,7 K. Lo quePenzias y Wilson haban encontrado era la temperatura actual del universo.

La teora alternativa al big-bang llamada teora del estado estacionario (steady-state), propuesta a fines de los aos cuarenta por los ingleses Bondi, Bonnor, Hoyle yThomas Gold, planteaba que el universo es homogneo en el espacio y en el tiempo ypor ende el universo no tiene ni comienzo ni fin. La expansin hace que se generemateria, en la cantidad justa para mantener la densidad constante. La nueva materiagenera nuevas galaxias, donde nacen nuevas estrellas. El universo sera una mezclade galaxias viejas y nuevas, con estrellas a punto de agotarse y estrellas recinnacidas.

La radiacin de fondo csmico de Penzias y Wilson encaja en forma natural conla teora del big-bang de Gamow y es muy difcil de explicar para la teora del estadoestacionario. La inmensa mayora de los astrnomos la aceptan como la versinglobalmente correcta de los eventos ocurridos en nuestro universo. A partir de los aosochenta la teora del big-bang ha sido enriquecida con la teora de la inflacin queresuelve algunos de los problemas ms difciles de la teora inicial. Con ello la teora delbig bang es el actual paradigma cosmolgico. Penzias y Wilson no saban exactamentelo que haban observado. Sin embargo en la cercana Universidad de Princeton ungrupo de astrofsicos estaban tratando de medir la temperatura del cosmos cuando seenteraron que Penzias y Wilson ya lo haban logrado. La academia sueca reconoci eltrabajo de Penzias y Wilson otorgndoles el premio Nobel de Fsica, en 1978.

REFERENCIAS:

Georges Lematre The Primeval Atom, van Nostrand Co., Inc., New York, 1950.

J. Silk The Big-Bang, Third Edition, W.H. Freeman & Co., New York, 2001

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