Cosmología: Origen y evolución del Universo

Cosmología: Origen y evolución del Universo

Cosmología, del griego: κοσμολογία (cosmología, κόσμος (cosmos) orden + λογια (logia) discurso) es el estudio a gran escala de la estructura y la historia del Universo en su totalidad y, por extensión, del lugar de la humanidad en él.

 A lo largo de la historia, se ha podido ir conociendo poco a poco a través de mucha observación, mucho trabajo, y por supuesto a través de muchas equivocaciones cada vez un poco más acerca de nuestro Universo. Poco a poco hemos ido alejando nuestro conocimiento a épocas más remotas en las que el Universo no se parecía en nada al actual, hemos retrocedido en el tiempo hasta que el Universo no era mas que una “sopa” de partículas elementales como quarks y leptones (ambos tipos de partículas forman la materia de la que todos estamos constituidos), e incluso parece ser que conocemos cómo se dio el comienzo de todo en el Big-Bang (Gran Explosión) hace aproximadamente unos diez mil millones de años. A partir de ahí y a un ritmo vertiginoso al principio y más calmado posteriormente, se sucedieron diversas épocas del Universo, algunas de las cuales se muestran en el esquema siguiente:

    1.- Big-Bang.

    2.- Era de Planck: El Universo tenía 10-43 segundos de vida, una temperatura de 1032 grados Kelvin y un radio que se conoce con el nombre de radio de Planck de 10-33 cm (el radio de los núcleos es de unos 10-13 Compensación). Aquí se encontraban unificadas las cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electro-magnética, débil y fuerte

    3.- Era de la inflación: En esta época, que se dio unos 10-32 segundos después del Big-Bang, el Universo sufre una expansión exponencial y adquiere un tamaño apreciable.  De esta época hablaremos más adelante un poco más.

    4.-Era electrodébil: En ésta época después de una ruptura en la simetría sólo permanecen unidas la fuerza electromagnética y la fuerza débil.

    5.-Ruptura de la unificación electrodébil.

    6.- Era de la bariogénesis: En esta época que ocurre a los 10-5 segundos se crean las partículas (bariones), antes de esta época lo que existían eran quarks y leptones  y no partículas ya que el exceso de temperatura rompería los posibles enlaces entre éstos. Se dio cuando el Universo era unas 1012 más pequeño que el actual y tenía una temperatura de unos 3 1012 K

    7.- Era de la aniquilación: Pasados unos minutos desde el big-bang, se aniquilan los electrones (e-) con los positrones (e+ ), además se forman los núcleos de helio y los neutrinos, que hasta entonces habían interaccionado, con la materia se separan de ella ya que la densidad del Universo ha disminuido mucho. Los hechos que ocurren en esta época son muy importantes, dado que por ejemplo si no se hubiesen formado los núcleos de helio, los neutrones se habrían desintegrado.

    8.- Era de los fotones: Debido a la cantidad de energía electromagnética liberada de la aniquilación e- -e+ , existe mayor cantidad de energía que de materia, esto se da hasta que el Universo tiene unos 100000 años, momento en el que se da un equilibrio entre la materia y la energía.

    9.- Era del plasma: El Universo está dominado por la materia.

10.- Era de la recombinación: Se da en el Universo con un millón de años de edad. En esta época se desacoplan los fotones de la materia y se forman las primeras estructuras pregalácticas.

11.- Era de los átomos: Era en la que nos encontramos actualmente diez mil millones de años después del inicio. En nuestro Universo existen dos “Universos independientes “ que cohabitan, el Universo de la materia y el Universo de la radiación.

  En primer lugar quiero hacer notar que la evolución del Universo que vamos a utilizar es la que se obtiene según el Modelo Cosmológico Estándar que se basa en las ideas que actualmente parecen más acertadas y se acercan más a los datos que se obtienen experimentalmente. También hay que tener en cuenta que para acceder al conocimiento de las primeras épocas del Universo, se tubo que esperar hasta tener conocimientos suficientes en física de partículas y en otras ramas de la física sin las cuales no se puede acceder a las eras anteriores a la era de la aniquilación.

Modelo de la inflación + materia oscura fría

 Éste modelo nació en la década de los 80 ante la necesidad de dar explicación a diversos hechos experimentales así como para intentar ampliar nuestro conocimiento a épocas anteriores del Universo.

 La teoría sostiene que la materia oscura está compuesta por partículas que se mueven lentamente, y mediante el modelo de la inflación consigue explicar las inhomo-geneidades de densidad que pueblan la estructura del Universo. También explica las anisotropías detectadas en la radiación de microondas de fondo.

 La necesidad de la materia oscura (según los últimos datos parece que la materia oscura mantiene el 35% de la densidad del Universo) aparece porque la masa máxima que se puede obtener de la materia ordinaria es como mucho el 5% de la masa total que parece tener el Universo, por lo que se necesita un tipo de materia diferente para explicar la masa que  falta.

 Los últimos datos obtenidos sobre la densidad de materia ordinaria y densidad de materia total a partir de la medida tanto del deuterio (hidrógeno con un núcleo formado por un protón y un neutrón) primigenio que existe en el Universo y que se debió formar totalmente en los primeros instantes del mismo, como de la medida del corrimiento al rojo que se observa al medir la distancia de diversas supernovas de tipo Ia, apoyan lo que predice la teoría.

 El modelo de la inflación por su parte explica cómo el Universo puede ser plano y suave (inhomogeneidades no excesivamente bruscas). Además explica que las inhomogeneidades de la densidad (que darán lugar a la formación de las estructuras) provienen de fluctuaciones cuánticas durante la era de la inflación, momento en el que se produjo una expansión considerable del Universo con lo cual las fluctuaciones que en un principio eran importantes (teniendo en cuenta el tamaño del Universo antes de la expansión) se "estiraron" hasta que se hicieron "despreciables" frente al tamaño del Universo (las fluctuaciones del tamaño aproximado de unos 10-23 cm frente a los Megaparsecs del Universo).

 Los últimos datos que se han tomado sobre la velocidad de retroceso de las galaxias indican que el Universo está acelerando su expansión y no disminuyéndola, como se ha estado diciendo en mucho tiempo. Se realizaron estudios independientes por dos grupos de astrofísicos, midiendo la distancia a más de 50 supernovas de tipo Ia en otras galaxias. Los resultados están de acuerdo con lo que dice la teoría de la inflación + materia oscura fría. Este hecho  nos indica que aproximadamente el 40% de la densidad total del Universo se debe a materia (de todas las clases), mientras que el 60% se debe a energía.

La Teoría del Big Bang de la Cosmología propone que el universo surgió de una explosión inicial y se encuentra prácticamente aceptada con generalidad; si bien, no se puede decir que haya sido demostrada. En cualquier caso, como no se conocen más detalles antes de la supuesta explosión inicial o Big Bang se dice que fue una singularidad o, en otras palabras, que no se sabe nada sobre su causa u origen.

Sea cierta o no la Teoría del Big Bang, en el universo se dan grandes explosiones como las que originan lassupernovas y también muy grandes implosiones como los denominados agujeros negros, aunque no sean tan rápidas como las primeras. Últimamente se acepta también que agujeros negros expulsen grandes cantidades de materia en ocasiones.

SEMANA16 SESIÓN 46	Física 2 UNIDAD 6: FÍSICA Y TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS (30 horas)
contenido temático	6.15 Cosmología: Origen y evolución del Universo.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales Conoce los modelos actuales del origen y evolución del Universo. Procedimentales ·       Elaboración de indagaciones bibliográficas y resúmenes. ·       Presentación en equipo Actitudinales Cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia, contribuirá al trabajo en un ambiente de confianza.
Materiales generales	Computo: -          PC, Conexión a internet De proyección: -          Cañón Proyector Programas: -           Moodle, Google docs, correo electronico, Excel, Word, Power Point. Didáctico:  Video Cosmología.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA -          El Profesor   presenta las preguntas siguientes: ¿Cuáles son las teorías del origen y fin del universo? Preguntas Superconductores Fibras ópticas Ventajas de la tecnología de la fibra óptica Desventajas de la fibra óptica Breve Historia de la Astronomía Big-Bang y Big Crunch Equipo 3 2 1 5 6 4 Respuesta Un  súper conductor es un material que no opone ninguna resistencia a la corriente eléctrica generalmente funciona en temperaturas muy bajas, aparte los superconductores suelen ser rechazados por los campos magnéticos. La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bi-direccional: TX y RX. El grosor del filamento es comparable al grosor de un cabello humano, es decir, aproximadamente de 0,1 mm. En cada filamento de fibra óptica podemos apreciar 3 componentes: La fuente de luz: LED o laser. -el medio transmisor: fibra óptica. -el detector de luz: fotodiodo. Un cable de fibra óptica está compuesto por: Núcleo, manto,recubrimiento, tensores y chaqueta. Son el medio físico con menor atenuación. Tienen la capacidad de transmisión muy elevada. El diámetro de una fibra óptica es similar al de un cabello humano, entre otras cosas. 1.- La alta fragilidad de las fibras. 2.-Necesidad de usar transmisores y receptores más caros. 3.-Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable. 4.-No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios. 5.-La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica. 6.-La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas. 7.-No existen memorias ópticas. La Astronomía es una de las ciencias mas antiguas…surgió casi con el Hombre y fue utilizada para determinar en que momento del año estaban… encontraron en el cielo un Calendario para sus cosechas y temporadas de caza…y un Mapa de ruta para sus viajes… Los astrónomos-sacerdotes-astrólogos de la antigüedad practicaban la adivinación astrológica junto con el pronóstico astronómico y la compilación de leyendas míticas. La Gran Implosión, también conocida como Gran Colapso o directamente mediante el término inglés Big Crunch, es una de las teorías cosmológicas que se barajaban en el siglo XX sobre el destino último del universo. La teoría del Big Bang (Gran explosión nota ) es el modelo cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del Universo y su posterior evolución a gran escala.2 3 4 Afirma que el universo estaba en un estado de muy alta densidad y luego se expandió. -           Los alumnos discuten en equipo y presentan sus respuestas y se lleva a cabo una discusión extensa. FASE DE DESARROLLO               Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor -            Solicitar : estar atentos antes, durante y después de ver el video. -          Escribir en una hoja de papel, lo que se, que quiero saber y al final lo que aprendí. -          Escribir ideas e hipótesis sobre lo que van a ver. -          Escribir  tres a cinco detalles específicos del mismo, uno del principio, dos o tres de la parte media, y uno o dos del final. -          Que escriban algo nuevo que hayan aprendido del video en la tercera columna. -          Los alumnos discuten y obtiene conclusiones. FASE DE CIERRE     Al final de las presentaciones, se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió y aclaración de dudas por parte del Profesor.                     Actividad Extra clase: Los alumnos llevaran la información  a su casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.                Los alumnos que tengan PC y Programas elaboraran su informe, empleando el                   programa  Word, para registrar los resultados.
Evaluación	Informe en Power Point de la actividad.     Contenido:     Resumen de la Actividad.
Referencias	1 Programa de Estudios, Física I a IV, CCH, UNAM, México, 1993. http://www.molwick.com/es/astrofisica/185-teoria-big-bang.html

SEMANA16 SESIÓN 47	Física 2 UNIDAD 6: FÍSICA Y TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS (30 horas)
contenido temático	REPASO GENERAL

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Comprenderá las características las nuevas tecnologías y sus aplicaciones en la vida cotidiana. Procedimentales ·       Elaboración de resúmenes y conclusiones. ·       Presentación en equipo Actitudinales Cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia, contribuirá al trabajo en un ambiente de confianza.
Materiales generales	Computo: -          PC, Conexión a internet De proyección: -          Cañón Proyector Programas: -           Moodle, Google docs, correo electronico, Excel, Word, Power Point. Didáctico: -          Presentación de los temas de la Unidad cinco del programa del curso.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA -          El Profesor  hace su presentación de repaso general en Power Point. FASE DE DESARROLLO               Los alumnos desarrollan las actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor -          El Profesor solicita a los alumnos que  presenten dudas respecto a las temáticas desarrolladas, empleando la técnica seleccionada por él y forman sus equipos de trabajo. El Profesor solicita a cada equipo que de acuerdo al cronograma, elaboren un mapa conceptual  del curso  en su cuaderno y  presentara  sus resultados en Power Point, proyectándolo a sus compañeros. El método permitirá a los alumnos, tener un panorama de los temas que se desarrollaron durante el curso.(Que, cuando, como y donde)  FASE DE CIERRE     Al final de las presentaciones, se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió y aclaración de dudas por parte del Profesor.                     Actividad Extra clase: Los alumnos llevaran la información  a su casa y los que tengan computadora e internet, estudiaran los temas para el examen de la siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.
Evaluación	Informe en Power Point de la actividad.     Contenido:     Resumen de la Actividad.

SEMANA 16

5 y 7. 05. 2015