Universo
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El universo se define comúnmente como la totalidad de la existencia, incluyendo planetas , estrellas , galaxias , el contenido de el espacio intergaláctico, y toda la materia y la energía . Definiciones y uso varían y términos similares incluyen la cosmos, la mundo y la naturaleza .
La observación científica del Universo, la parte observable de que está a unos 93 mil millones de años luz de diámetro, ha dado lugar a inferencias de sus etapas más tempranas. Estas observaciones sugieren que el Universo se ha regido por las mismas leyes físicas y constantes a lo largo de la mayor parte de su extensión y de la historia. El Big Bang teoría es el modelo cosmológico predominante que describe el desarrollo temprano del Universo, que en la cosmología física se cree que ha ocurrido hace unos 13770 millones años.
Hay varios hipótesis de multiversos, en los que los físicos han sugerido que el Universo podría ser uno entre muchos universos que igualmente existen. La mayor distancia que es teóricamente posible que los humanos ven es descrito como el Universo observable . Las observaciones han demostrado que el universo parece estar expandiéndose a un ritmo acelerado, y una serie de modelos han surgido para predecir su destino final .
Historia
Historia observacional
Hubble eXtreme Deep Field (XDF)
A lo largo de la historia, varias cosmologías y Se han propuesto cosmogonías para dar cuenta de las observaciones del Universo. La primera cuantitativa modelos geocéntrico fueron desarrolladas por los antiguos filósofos griegos . A través de los siglos, las observaciones más precisas y mejores teorías de la gravedad llevaron a Copérnico modelo heliocéntrico y la newtoniana modelo del Sistema Solar , respectivamente. Otras mejoras en la astronomía condujo a la comprensión de que el Sistema Solar está incrustado en una galaxia compuesta por miles de millones de estrellas, la Vía Láctea , y que otras galaxias existen fuera de él, por lo que los instrumentos astronómicos pueden alcanzar. Estudios detallados de la distribución de estas galaxias y su líneas espectrales han llevado a gran parte de la cosmología moderna . Descubrimiento del desplazamiento hacia el rojo y cósmico de radiación de fondo de microondas sugerido que el Universo se está expandiendo y tuvo un principio.
Historia del Universo
De acuerdo con el modelo científico predominante del Universo, conocida como el Big Bang , el Universo se expandió de una fase densa extremadamente caliente llamado Época de Planck, en el que toda la materia y energía del Universo observable se concentró. Desde la época de Planck, el Universo ha sido ampliando a su forma actual, posiblemente con un breve período (menos de 10 -32 segundos) de la inflación cósmica . Varias medidas experimentales independientes apoyan esta teoría expansión y, más en general, la teoría del Big Bang. Observaciones recientes indican que esta expansión se está acelerando debido la energía oscura, y que la mayor parte de la materia en el Universo puede estar en una forma que no puede ser detectado por los instrumentos actuales, llamada materia oscura . El uso común de la "materia oscura" y "energía oscura" nombres de marcador de posición para las entidades desconocidas presuntamente representan alrededor del 95% de la densidad de masa-energía del universo demuestra las deficiencias actuales y las incertidumbres acerca de la naturaleza y de observación y conceptuales destino final del Universo.
Interpretaciones actuales de observaciones astronómicas indican que la edad del Universo es 13.772 ± 0.059 mil millones de años, (mientras que el desacoplamiento de la luz y la materia, ver CMBR , pasó ya 380.000 años después del Big Bang), y que el diámetro del Universo observable es de al menos 93 mil millones años luz o 8.80 × 10 26 metros. De acuerdo con la relatividad general , el espacio puede expandirse más rápido que la velocidad de la luz, aunque podemos ver sólo una pequeña parte del universo debido a la limitación impuesta por la velocidad de la luz. Ya que no podemos observar el espacio más allá de las limitaciones de la luz (o cualquier radiación electromagnética), es incierto si el tamaño del Universo es finito o infinito.
Etimología, sinónimos y definiciones
La palabra Universo deriva de la Antiguo palabra francesa Univers, que a su vez deriva del latín palabra Universum. La palabra latina fue utilizado por Autores Cicero y posteriormente Latina en muchos de los mismos sentidos como la moderna Inglés se utiliza la palabra. La palabra latina se deriva de la contracción Unvorsum poética - primero utilizado por Lucrecio en el libro IV (línea 262) de su De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas) - que conecta un, uni (la forma de combinar unus, o "uno") con vorsum, VERSUM (un sustantivo hecho del participio perfecto pasivo de vertere, que significa "algo girado, rodó , cambiado ").
Una interpretación alternativa de unvorsum es "todo lo que hace girar como una" o "todo lo que hace girar por uno". En este sentido, se puede considerar una traducción de una palabra griega que antes para el Universo, περιφορά, (periforá "circunvalación"), originalmente usado para describir un curso de una comida, la comida se lleva alrededor del círculo de invitados a la cena. Esta palabra griega se refiere a esferas celestiales, un modelo griego temprana del Universo. En cuanto a la de Platón La metáfora del sol, Aristóteles sugiere que la rotación de la esfera de estrellas fijas inspirados en la motor primario, motiva, a su vez, el cambio terrestre a través del Sol Cuidadosas astronómicos mediciones y físicas (tales como la Péndulo de Foucault) tienen la obligación de demostrar que la Tierra gira sobre su eje.
Un término para "Universo" en la antigua Grecia era πᾶν τὸ (a la sartén, El Todo, Pan (mitología)). Términos relacionados fueron la materia, (τὸ ὅλον, hasta Olón, consulta Hyle, lit. madera) y lugar (τὸ κενόν, hasta Kenon). Otros sinónimos para el Universo entre los antiguos filósofos griegos incluían κόσμος ( cosmos) y φύσις (que significa la naturaleza , de la que deriva la palabra física ). Los mismos se encuentran en sinónimos autores latinos (totum, mundus, natura) y sobreviven en lenguas modernas, por ejemplo, las palabras en alemán Das todos, Weltall y Natur de Universo. Las mismas sinónimos se encuentran en Inglés, como todo (como en el teoría del todo), el cosmos (como en la cosmología ), la mundo (como en el muchos mundos hipótesis), y la naturaleza (como en leyes naturales o filosofía natural).
La más amplia definición: la realidad y la probabilidad
La definición más amplia del Universo se encuentra en De divisione naturae por el medieval filósofo y teólogo Juan Escoto Eriúgena, quien lo definió como simplemente todo: todo lo que se crea y todo lo que no se crea.
Definición como realidad
Más habitualmente, el Universo se define como todo lo que existe, (ha existido y existirá). De acuerdo con nuestro conocimiento actual, el Universo está formado por tres principios: el espacio-tiempo, las formas de energía , incluyendo el impulso y la materia , y la leyes físicas que los relacionan.
Definición como espacio-tiempo conectado
Es posible concebir desconectado espacio-tiempos, cada uno existente, pero incapaz de interactuar unos con otros. Una metáfora fácilmente visualizado es un grupo de separada pompas de jabón, en la que los observadores que viven en una burbuja de jabón no pueden interactuar con los de otras burbujas de jabón, ni siquiera en principio. De acuerdo con una terminología común, cada "burbuja de jabón" del espacio-tiempo se denota como un Universo, mientras que nuestro especial espacio-tiempo se denota como el Universo, al igual que nosotros llamamos nuestra luna la luna . La colección completa de estos espacios-tiempo separadas se denota como la multiverso. En principio, los otros universos inconexos pueden tener diferentes dimensionalidades y topologías de espacio-tiempo, las diferentes formas de materia y energía , y diferente leyes físicas y constantes físicas, aunque estas posibilidades son puramente especulativas.
Definición como realidad observable
Según una definición aún más restrictivo, el Universo es todo dentro de nuestra conectado espacio-tiempo que podría tener la oportunidad de interactuar con nosotros y viceversa. De acuerdo con la teoría general de la relatividad , algunas regiones de espacio nunca puede interactuar con los nuestros, incluso en el curso de la vida del Universo, debido a la limitada velocidad de la luz y el curso expansión del espacio. Por ejemplo, los mensajes de radio enviadas desde la Tierra nunca pueden llegar a algunas regiones del espacio, incluso si el Universo sería vivir para siempre; espacio puede expandirse más rápido que la luz puede atravesarlo.
Se toman las regiones distantes del espacio para existir y ser parte de la realidad tanto como somos; sin embargo, nunca podemos interactuar con ellos. La región espacial dentro del cual podemos afectar y ser afectado es el Universo observable . Estrictamente hablando, el Universo observable depende de la ubicación del observador. Al viajar, un observador puede entrar en contacto con una gran región del espacio-tiempo que un observador que permanece todavía, por lo que el Universo observable para los primeros es mayor que para los segundos. Sin embargo, incluso al viajero más rápido no será capaz de interactuar con todo el espacio. Por lo general, el universo observable se entiende el Universo observable desde nuestro punto de vista en la Vía Láctea.
El tamaño, la edad, el contenido, la estructura y las leyes
El tamaño del Universo es desconocida; puede ser infinita. La región visible desde la Tierra (el universo observable ) es una esfera con un radio de unos 46 mil millones años luz, a partir de donde el expansión del espacio tiene tomado los objetos más distantes observadas. En comparación, el diámetro de una típica galaxia está a sólo 30.000 años luz, y la distancia típica entre dos galaxias vecinas es sólo 3 millones años luz. A modo de ejemplo, nuestra Vía Láctea es la galaxia aproximadamente 100.000 años luz de diámetro, y nuestra galaxia hermana más cercana, la galaxia de Andrómeda , está situado a unos 2,5 millones de años luz de distancia. Probablemente hay más de 100 mil millones (10 11) de galaxias en el Universo observable. Galaxias típicas varían de enanos con tan sólo diez millones (10 7) las estrellas hasta gigantes con uno billones (10 12) estrellas, todas orbitando centro de la galaxia de masa. Un estudio de 2010 por los astrónomos estima que el Universo observable contiene 300 trillones (3 × 10 23) estrellas.
La materia observable se extiende de forma homogénea (uniforme) en todo el Universo, cuando se promedian sobre distancias de más de 300 millones de años luz. Sin embargo, en pequeñas tallas escalas, cuestión que se observa a formar "grumos", es decir, a agruparse jerárquicamente; muchos átomos se condensan en estrellas , la mayoría de las estrellas en las galaxias, la mayoría de las galaxias en clusters, supercúmulos y, por último, las estructuras de mayor envergadura , como la Gran Muralla de galaxias. La materia observable del Universo también se extiende isótropa, lo que significa que no dirección de observación parece diferente de cualquier otro; cada región del cielo tiene aproximadamente el mismo contenido. El Universo también se baña en una gran isotrópico microondas de radiación que corresponde a una equilibrio térmico espectro de cuerpo negro de aproximadamente 2.725 grados Kelvin . La hipótesis de que el Universo a gran escala es homogéneo e isotrópico se conoce como el principio cosmológico, que se apoya en las observaciones astronómicas .
El presente global densidad del Universo es muy bajo, aproximadamente 9.9 × 10 -30 gramos por centímetro cúbico. Esta energía de la masa parece consistir en 73% la energía oscura, 23% la materia oscura fría y un 4% la materia ordinaria. Así, la densidad de los átomos es del orden de un solo átomo de hidrógeno por cada cuatro metros cúbicos de volumen. Las propiedades de la energía oscura y la materia oscura son en gran parte desconocido. La materia oscura gravita como la materia ordinaria, y por lo tanto trabaja para frenar la expansión del Universo; por el contrario, la energía oscura acelera su expansión.
La estimación actual de la edad del Universo es 13.772 ± 0059 millones años de edad. Estimaciones independientes (basadas en medidas tales como datación radiactiva) están de acuerdo en 13 hasta 15 mil millones de años. El Universo no ha sido el mismo en todos los momentos de su historia; por ejemplo, las poblaciones relativas de cuásares y galaxias han cambiado y espacio en sí parece tener expandido. Esta expansión representa cómo los científicos con destino a la Tierra pueden observar la luz de una galaxia 30 mil millones de años luz de distancia, incluso si esa luz ha viajado por solo 13 mil millones años; el espacio entre ellos se ha expandido. Esta expansión es consistente con la observación de que la luz de las galaxias distantes se ha desplazado hacia el rojo ; los fotones emitidos se han estirado a más largo longitudes de onda y menor frecuencia durante su viaje. La tasa de esta expansión espacial es acelerar, en base a estudios de Supernovas de tipo Ia y corroborada por otros datos.
La fracciones relativas de los diferentes elementos químicos - en particular los átomos más ligeros, tales como hidrógeno , deuterio y helio - parecen ser idénticos en todo el Universo y en toda su historia observable. El universo parece tener mucho más materia que antimateria, una asimetría posiblemente relacionadas con las observaciones de Violación CP. El universo parece tener ninguna red de carga eléctrica , por lo que la gravedad parece ser la interacción dominante en escalas de longitud cosmológicas. El Universo también parece tener ni neta impulso ni el momento angular . La ausencia de carga neta y el impulso se seguiría de leyes físicas aceptadas ( la ley de Gauss y la no-divergencia de la pseudotensor tensión-energía-impulso, respectivamente), si el Universo fuera finito.
El universo parece tener un liso continuo espacio-tiempo que consta de tres espacial dimensiones y una temporal ( tiempo ) dimensión. En promedio, se observa el espacio a ser casi plana (cerca de cero curvatura), lo que significa que la geometría euclidiana es experimentalmente cierto con gran precisión a lo largo de la mayor parte del Universo. Spacetime también parece tener una simplemente conexo topología , al menos en la longitud escala del Universo observable. Sin embargo, estas observaciones no pueden excluir la posibilidad de que el universo tiene más dimensiones y que su espacio-tiempo pueden tener una topología global multiconexa, en analogía con la forma cilíndrica o topologías toroidales de dos dimensiones espacios.
El universo parece comportarse de una manera que sigue regularmente una serie de leyes físicas y constantes físicas. De acuerdo con el vigente modelo estándar de la física, toda la materia está compuesta de tres generaciones de leptones y quarks , ambos de los cuales son fermiones. Estos partículas elementales interactúan a través de como máximo tres interacciones fundamentales: la interacción electrodébil que incluye el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil; la fuerza nuclear fuerte descrito por cromodinámica cuántica; y la gravedad , que se describe mejor en la actualidad por la relatividad general . Las dos primeras interacciones pueden ser descritos por renormalizado teoría cuántica de campos , y están mediados por bosones de norma que corresponden a un tipo particular de medir la simetría. Una teoría cuántica de campos renormalizado de la relatividad general aún no se ha logrado, a pesar de las diversas formas de la teoría de cuerdas parecen prometedores. La teoría de la relatividad especial se cree para contener todo el Universo, a condición de que las escalas de longitud espaciales y temporales son suficientemente corto; de lo contrario, la teoría más general de la relatividad general se debe aplicar. No hay una explicación para los valores particulares que constantes físicas parecen tener a lo largo de nuestro Universo, tales como H la constante de Planck o la G constante gravitacional. Varios leyes de conservación han sido identificados, tales como el conservación de la carga, el impulso , el momento angular y energía; en muchos casos, estas leyes de conservación se pueden relacionar con simetrías o identidades matemáticas.
Sintonia FINA
Parece que muchas de las propiedades del Universo tienen valores especiales en el sentido de que un Universo donde estas propiedades sólo difieren ligeramente no sería capaz de soportar la vida inteligente. No todos los científicos están de acuerdo en que esta puesta a punto existe. En particular, no se sabe en qué podría formar condiciones de vida inteligente y qué forma o la forma que tomaría. Una observación relevante en esta discusión es que para un observador que exista para observar puesta a punto, el Universo debe ser capaz de soportar la vida inteligente. Como tal, el probabilidad condicional de la observación de un Universo que está afinado para soportar la vida inteligente es 1. Esta observación es conocido como el principio antrópico y es especialmente importante si la creación del Universo fue probabilístico o si múltiples universos con una variedad de propiedades existen (ver más abajo ).
Modelos históricos
Se han propuesto muchos modelos del cosmos (cosmologías) y su origen (cosmogonías), sobre la base de los datos y concepciones del Universo entonces disponibles. Históricamente, cosmologías y cosmogonías se basaron en relatos de dioses que actúan de diversas maneras. Las teorías de un universo impersonal que se rigen por leyes físicas fueron propuestos por primera vez por los griegos y los indios. A través de los siglos, las mejoras en las observaciones y teorías sobre el movimiento y la gravitación astronómicos llevaron a descripciones cada vez más precisas del Universo. La era moderna de la cosmología comenzó con Albert Einstein 1915 la teoría general de la relatividad , que hizo posible predecir cuantitativamente el origen, la evolución y conclusión del Universo en su conjunto. Lo más moderno, teorías aceptadas de la cosmología están basados en la relatividad general y, más concretamente, el predicho Big Bang ; sin embargo, aún se requieren mediciones más cuidadosas para determinar qué teoría es correcta.
Creación
Muchas culturas tienen historias que describen el origen del mundo, que pueden agruparse a grandes rasgos en tipos comunes. En un tipo de historia, el mundo nace de una huevo del mundo; estas historias incluyen la Finlandés poema épico Kalevala, el chino historia de Pangu o el Índico Brahmanda Purana. En historias relacionadas, la idea de la creación es causado por una sola entidad que emana o producir algo por él o ella misma, como en el Budismo tibetano concepto de Adi-Buddha, el griego antiguo historia de Gaia (madre tierra), la Diosa azteca Mito Coatlicue, la antiguo egipcio dios Historia Atum, o la Relato de la creación del Génesis. En otro tipo de historia, el mundo está creado a partir de la unión de las deidades masculinas y femeninas, como en el Historia maorí de Rangi y Papa. En otras historias, el universo es creado por la elaboración que a partir de materiales preexistentes, como el cadáver de un dios muerto - a partir del Tiamat en el Epopeya babilónica Enuma Elish o del gigante Ymir en la mitología nórdica - o de materiales caóticos, como en Izanagi e Izanami en Mitología japonesa. En otras historias, el Universo emana de principios fundamentales, como Brahman y Prakriti, la mito de la creación de la Serers, o la yin y el yang de la Tao.
Modelos filosóficos
A partir del siglo sexto antes de Cristo, el filósofos griegos presocráticos desarrollaron los primeros modelos filosóficos conocidos del Universo. Los primeros filósofos griegos señalaron que las apariencias engañan, y trató de comprender la realidad que subyace detrás de las apariencias. En particular, destacaron la capacidad de la materia para cambiar formas (por ejemplo, el hielo de agua en vapor) y varios filósofos proponen que todas las aparentemente diferentes materiales del mundo son diferentes formas de un solo material primordial, o Arche. El primero en hacerlo fue Thales , que propuso este material se Agua. Estudiante de Thales, Anaximandro, propuso que todo vino de la ilimitada Apeiron. Anaxímenes propuesta Aire a causa de sus cualidades atractivas y repulsivas percibidas que causan la arche para condensar o disociarse en diferentes formas. Anaxágoras, propuso el principio de Nous (Mente). Heráclito propuso fuego (y hablaron de logos). Empédocles proponen los elementos: tierra, agua, aire y fuego. Su teoría de cuatro elementos se hizo muy popular. Al igual que Pitágoras , Platón creía que todas las cosas se componen de número , con elementos de la Empédocles tomando la forma de los sólidos platónicos . Demócrito, y posteriores filósofos más notablemente Propuso-Leucipo que el Universo estaba compuesto de indivisibles átomos se mueven a través void ( vacío). Aristóteles no creía que era factible porque el aire, como el agua, ofertas resistencia al movimiento. Aire acometerá de inmediato a llenar un vacío, y por otra parte, sin resistencia, lo haría de forma indefinida rápido.
Aunque Heráclito defendía eterno cambio, su casi contemporáneo Parménides hizo la sugerencia radical que todo cambio es una ilusión, que la verdadera realidad subyacente es eternamente inmutable y de una sola naturaleza. Parménides denota esta realidad como τὸ ἐν (The One). Teoría de Parménides parecía inverosímil a muchos griegos, pero su alumno Zenón de Elea los desafió con varios famosos paradojas. Aristóteles respondió a estas paradojas mediante el desarrollo de la noción de un potencial infinito numerable, así como el continuo infinitamente divisible. A diferencia de los ciclos eternos e inmutables de tiempo, que creía que el mundo estaba limitado por las esferas celestiales, y por lo tanto la magnitud era sólo un número finito multiplicativo.
La Filósofo indio Canadá, fundador de la Escuela Vaisheshika, desarrolló una teoría de atomismo y propuso que la luz y el calor eran variedades de la misma sustancia. En el siglo 5 dC, la Filósofo atomista budista Dignaga propuso átomos de ser puntos de tamaño, sin duración, y está hecho de energía. Negaron la existencia de la materia sustancial y proponen que el movimiento consistió en destellos momentáneos de una corriente de energía.
La teoría de la finitismo temporal fue inspirado por la doctrina de la creación compartida por los tres Religiones abrahámicas: judaísmo , el cristianismo y el islam . La Filósofo cristiano, John Filópono, presentó los argumentos filosóficos contra la antigua noción griega de un pasado infinito y futuro. Argumentos Filópono 'contra un pasado infinito fueron utilizados por el filósofo musulmán temprano, Al-Kindi (Alkindus); la Filósofo judío, Saadia Gaón (Saadia ben José); y la Teólogo musulmán, Al-Ghazali (Algazel). Los préstamos de la Física y la Metafísica de Aristóteles, emplearon dos argumentos lógicos contra un pasado infinito, siendo el primero el "argumento de la imposibilidad de la existencia de un infinito real", que establece:
- "Un infinito real no puede existir."
- "Un retroceso temporal infinito de eventos es un infinito real."
- "
Un retroceso temporal infinito de eventos no puede existir ".
El segundo argumento, el "argumento de la imposibilidad de completar un infinito real por adición sucesiva", afirma:
- "Un infinito real no puede ser completada por adición sucesiva."
- "La serie temporal de los acontecimientos pasados ha sido completado por adición sucesiva."
- " La serie temporal de los acontecimientos del pasado no puede ser un infinito real ".
Ambos argumentos fueron adoptados por los filósofos y teólogos cristianos, y el segundo argumento, en particular, se hizo más famoso después de su adopción por Immanuel Kant en su tesis de la primera antinomia relativa a tiempo .
Modelos astronómicos
Se propusieron modelos astronómicos del Universo poco después de la astronomía comenzó con la Astrónomos babilonios, que vieron el Universo como un disco plano flotando en el océano, y esto constituye la premisa para los primeros mapas griegos como los de Anaximandro y Hecateo de Mileto.
Más tarde, griegos filósofos, observando los movimientos de los cuerpos celestes, estaban preocupados por el desarrollo de modelos del Universo basado más profundamente en evidencia empírica. El primer modelo coherente fue propuesto por Eudoxo de Cnido. Según la interpretación física de Aristóteles del modelo, esferas celestiales eternamente girar con movimiento uniforme alrededor de una Tierra estacionaria. Normal materia, está contenido completamente dentro de la esfera terrestre. Este modelo también se refinó por Calipo y después fueron abandonados esferas concéntricas, que fue llevado a un acuerdo casi perfecto con las observaciones astronómicas de Ptolomeo . El éxito de un modelo de este tipo es en gran parte debido al hecho de que cualquier función matemática (tales como la posición de un planeta) puede ser descompuesto en un conjunto de funciones circulares (la Modos de Fourier). Otros científicos griegos, como la Filósofo Pitágoras Filolao postula que en el centro del Universo era un "fuego central" en torno al cual la Tierra , Sol , Luna y los planetas giraban en movimiento circular uniforme. La Astrónomo griego Aristarco de Samos fue la primera persona conocida para proponer una heliocéntrica modelo del Universo. Aunque el texto original se ha perdido, una referencia en Arquímedes libro El contador de arena describe Aristarco teoría heliocéntrica. Arquímedes escribió: (traducido al Inglés)
Usted rey Gelón son conscientes del 'Universo' es el nombre dado por la mayoría de los astrónomos a la esfera cuyo centro es el centro de la Tierra, mientras que su radio es igual a la línea recta entre el centro del Sol y el centro de la Tierra. Esta es la cuenta común como lo habéis oído desde los astrónomos. Pero Aristarco ha sacado un libro que consiste en ciertas hipótesis, en el que aparece, como consecuencia de los supuestos hechos, que el universo es muchas veces mayor que el 'Universo' se acaba de mencionar. Sus hipótesis son que las estrellas fijas y el Sol permanecen impasibles, que la Tierra gira alrededor del Sol en la circunferencia de un círculo, el sol tumbado en medio de la órbita, y que la esfera de las estrellas fijas, situado sobre el mismo centro como el Sol, es tan grande que el círculo en el que se supone que la Tierra gira osos una proporción tal que la distancia de las estrellas fijas como el centro de los osos de la esfera de su superficie.
Así Aristarco creyó las estrellas para estar muy lejos, y vio esto como la razón por la cual no había paralaje visible, es decir, un movimiento observado de las estrellas respecto a la otra como la Tierra se movía alrededor del Sol Las estrellas son en realidad mucho más lejos que la distancia que se asume generalmente en la antigüedad, por lo que la paralaje estelar es sólo detectables con telescopios. El modelo geocéntrico, en consonancia con paralaje planetario, se supone que es una explicación de la imposibilidad de observación del fenómeno paralelo, paralaje estelar. El rechazo de la visión heliocéntrica era aparentemente bastante fuerte, ya que el siguiente pasaje de Plutarco sugiere (en la cara aparente en el orbe de la Luna):
Cleantes [a contemporáneos de Aristarco y la cabeza de los estoicos] pensaron que era el deber de los griegos para acusar a Aristarco de Samos en la acusación de impiedad por poner en marcha el Hogar del Universo [es decir, la tierra],. . . suponiendo que el cielo a permanecer en reposo y la tierra a girar en un círculo oblicuo, mientras que gira, al mismo tiempo, sobre su propio eje.
El único otro astrónomo de la antigüedad conocido por su nombre que apoyaron el modelo heliocéntrico de Aristarco fue Seleuco de Seleucia, un Astrónomo helenístico, que vivió un siglo después de Aristarco. De acuerdo a Plutarco, Seleuco fue el primero en probar el sistema heliocéntrico través razonamiento, pero no se sabe cuáles son los argumentos que ha utilizado. Argumentos de Seleuco para una teoría heliocéntrica fueron probablemente relacionados con el fenómeno de las mareas . De acuerdo a Estrabón (1.1.9), Seleuco fue el primero en afirmar que las mareas se deben a la atracción de la Luna, y que la altura de las mareas depende de la Luna posición con respecto al Sol Alternativamente, puede haber demostrado la teoría heliocéntrica determinando las constantes de un geométrico modelo de la teoría heliocéntrica y mediante el desarrollo de métodos para calcular las posiciones planetarias utilizando este modelo, al igual que lo hizo más tarde Nicolás Copérnico en el siglo 16. Durante la Edad Media , los modelos heliocéntrico pueden también han sido propuestos por la Astrónomo indio, Aryabhata, y por el Los astrónomos persas, Albumasar y Al-Sijzi.
El modelo aristotélico fue aceptado en el Mundo occidental por cerca de dos milenios, hasta que Copérnico revivió la teoría de Aristarco que los datos astronómicos podrían explicarse más plausible si la Tierra gira sobre su eje y si el sol se coloca en el centro del Universo.
| " | En el centro descansa el sol. Porque, ¿quién pondría esta lámpara de un templo muy hermoso en otro o lugar mejor que este de donde puede iluminar todo al mismo tiempo? | " |
-Nicolaus Copérnico, en el capítulo 10 del Libro 1 de De Revolutionibus Orbium Coelestrum (1543) | ||
Como se ha señalado por el propio Copérnico, la sugerencia de que la Gira la Tierra era muy viejo, que data al menos a Filolao (c. 450 aC), Heráclides Póntico (c. 350 aC) y Ecphantus de Pitágoras. Aproximadamente un siglo antes de Copérnico, erudito cristiano Nicolás de Cusa también propuso que la Tierra gira sobre su eje, en su libro, La Docta Ignorancia (1440). Aryabhata (476-550), Brahmagupta (598-668), Albumasar y Al-Sijzi, también propuso que la Tierra gira sobre su eje. La primera evidencia empírica de la rotación de la Tierra sobre su eje, mediante el fenómeno de los cometas , fue dada por Tusi (1201-1274) y Ali Qushji (1403-1474).
Esta cosmología fue aceptada por Isaac Newton , Christiaan Huygens y científicos posteriores. Edmund Halley (1720) y Jean-Philippe de Cheseaux (1744) observaron independientemente que la asunción de un espacio infinito lleno uniformemente con estrellas llevaría a la predicción de que el cielo de la noche sería tan brillante como el sol mismo; esto se hizo conocida como la paradoja de Olbers en el siglo 19. Newton creía que un espacio infinito lleno uniformemente con la materia causaría fuerzas infinitas e inestabilidades que causan el asunto a ser aplastados hacia el interior bajo su propia gravedad. Esta inestabilidad se aclaró en 1902 por el criterio de la inestabilidad de los pantalones vaqueros. Una solución a estas paradojas es el Universo Charlier, en el que la materia se organiza jerárquicamente (sistemas de órganos que ellos mismos están orbitando en un sistema más amplio, que orbita ad infinitum ) en un fractal de tal manera que el Universo tiene una insignificante densidad global; como un modelo cosmológico también se había propuesto anteriormente en 1761 por Johann Heinrich Lambert. Un avance astronómico importante del siglo 18 fue la realización por Thomas Wright, Immanuel Kant y otros de las nebulosas.
La era moderna dela cosmología físicacomenzó en 1917, cuandoAlbert Einsteinaplicó por primera vez su teoría general de la relatividad para modelar la estructura y la dinámica del Universo.
Los modelos teóricos
De los cuatro interacciones fundamentales, la gravitación es dominante a escalas de longitud cosmológicas; es decir, las otras tres fuerzas desempeñan un papel insignificante en la determinación de las estructuras a nivel de los sistemas planetarios, galaxias y estructuras de mayor escala. Debido a que toda la materia y energía gravitan, efectos de la gravedad son acumulativos; Por el contrario, los efectos de cargas positivas y negativas tienden a cancelarse entre sí, por lo que el electromagnetismo relativamente insignificante en escalas de longitud cosmológicas. Los dos interacciones restantes, el débil y fuerzas nucleares fuertes, disminuyen muy rápidamente con la distancia; sus efectos se limitan principalmente a escalas de longitud subatómicas.
Teoría general de la relatividad
Predominio de la gravitación Dada en la conformación de estructuras cosmológicas, predicciones exactas del pasado y el futuro del Universo requiere una teoría exacta de la gravitación. La mejor teoría disponible es Albert Einstein teoría general de la relatividad, que ha superado todas las pruebas experimentales hasta ahora 's. Sin embargo, porque los experimentos rigurosos no se han llevado a cabo en escalas de longitud cosmológicas, la relatividad general podría concebiblemente ser inexacta. Sin embargo, sus predicciones cosmológicas parecen ser consistentes con las observaciones, así que no hay razón de peso para adoptar otra teoría.
La relatividad general proporciona un conjunto de diez ecuaciones diferenciales parciales no lineales para el métrica del espacio-tiempo ( Ecuaciones de campo de Einstein) que deben ser resueltos por la distribución de masa-energía y el impulso en todo el Universo. Debido a que estos son desconocidos en detalle exacto, los modelos cosmológicos se han basado en el principio cosmológico, que dice que el universo es homogéneo e isótropo. En efecto, este principio afirma que los efectos gravitacionales de las diversas galaxias que componen el Universo son equivalentes a las de un fino polvo distribuido uniformemente por todo el Universo con la misma densidad media. La asunción de un polvo uniforme facilita resolver ecuaciones de campo de Einstein y predecir el pasado y el futuro del Universo en escalas de tiempo cosmológicas.
Ecuaciones de campo de Einstein incluyen una constante cosmológica ( Λ ), que corresponde a una densidad de energía del espacio vacío. En función de su signo, la constante cosmológica puede o lenta (negativo Λ ) o acelerar (positivo Λ ) la expansión del Universo. Aunque muchos científicos, incluido Einstein, habían especulado que Λ fue cero, recientes observaciones astronómicas de supernovas de tipo Ia han detectado una gran cantidad de " energía oscura "que está acelerando la expansión del Universo. Los estudios preliminares sugieren que esta energía oscura corresponde a una positiva Λ , aunque las teorías alternativas no se pueden descartar por el momento. Rusia físico Zel'dovich sugirió que Λ es una medida de la energía de punto cero asociado con las partículas virtuales de la teoría cuántica de campos , un omnipresente energía del vacío que existe en todas partes, incluso en el espacio vacío. La evidencia de este tipo de energía de punto cero se observa en el efecto Casimir .
La relatividad especial y el espacio-tiempo
El Universo tiene por lo menos tres espaciales y una temporal ( tiempo ) dimensión. Mucho tiempo se pensó que las dimensiones espaciales y temporales eran diferentes en naturaleza e independiente uno de otro. Sin embargo, de acuerdo con la teoría especial de la relatividad , separaciones espaciales y temporales son interconvertibles (dentro de límites) cambiando uno de movimiento.
Para entender esta interconversión, es útil tener en cuenta la interconversión análoga de separaciones espaciales a lo largo de las tres dimensiones espaciales. Considere los dos extremos de una varilla de longitud L . La longitud puede determinarse a partir de las diferencias en las tres coordenadas Dx, Dy y Dz de los dos puntos finales en un marco de referencia dado
utilizando el teorema de Pitágoras . En un marco de referencia rotado, la diferencia de coordenadas diferentes, pero dan la misma longitud
Por lo tanto, las coordenadas diferencias (Dx, Dy, Delta Z) y (Δξ, Δη, Δζ) no son intrínsecos a la barra, sino que simplemente reflejan el marco de referencia utilizado para describirlo; por el contrario, la longitud L es una propiedad intrínseca de la varilla. Las diferencias de coordenadas pueden ser cambiados sin afectar a la varilla, mediante la rotación de uno de marco de referencia.
La analogía en el espacio-tiempo se llama el intervalo entre dos eventos; un evento se define como un punto en el espacio-tiempo, una posición específica en el espacio y un momento específico en el tiempo. El intervalo de espacio-tiempo entre dos eventos está dada por
donde c es la velocidad de la luz. De acuerdo con la relatividad especial , se puede cambiar una separación espacial y temporal ( L 1 , Δ t 1 ) en otro ( L 2 , Δ t 2 ) cambiando uno de marco de referencia, siempre y cuando el cambio mantiene el intervalo de espacio-tiempo s . Tal cambio en el marco de referencia corresponde a la evolución de uno de movimiento; en un marco en movimiento, longitudes y tiempos son diferentes de sus homólogos en un marco de referencia estacionario. La forma precisa en que la coordinación y las diferencias de tiempo cambia con el movimiento se describe mediante la transformación de Lorentz.
Resolución de ecuaciones de campo de Einstein
Las distancias entre las galaxias giratorias aumentan con el tiempo, pero las distancias entre las estrellas dentro de cada galaxia se mantienen más o menos la misma, debido a sus interacciones gravitacionales. Esta animación ilustra un universo Friedmann cerrado con cero Λ constante cosmológica; tal universo oscila entre un Big Bang y un Big Crunch.
En no cartesiana (no cuadrados) o curvada sistemas de coordenadas, el teorema de Pitágoras mantiene sólo en escalas de longitud infinitesimales y debe ser aumentada con un más general tensor métrico g μν , que puede variar de un lugar a otro y que describe la geometría local en el en particular el sistema de coordenadas. Sin embargo, suponiendo que el principio cosmológico que el universo es homogéneo e isotrópico en todas partes, cada punto del espacio es como cualquier otro punto; por lo tanto, el tensor métrico debe ser la misma en todas partes. Esto nos lleva a un formulario único para el tensor métrico, llamada la métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker
donde ( r , θ, φ) corresponden a un sistema de coordenadas esféricas . Este métrica tiene sólo dos parámetros indeterminados: una escala de longitud general R que puede variar con el tiempo, y un índice de curvatura k que sólo puede ser 0, 1 o -1, que corresponde a plana la geometría euclidiana , o espacios de positivo o negativo curvatura. en la cosmología, la solución para la historia del Universo se hace calculando R como una función del tiempo, dado k y el valor de la constante cosmológica Λ , que es un parámetro (pequeño) en las ecuaciones de campo de Einstein. La ecuación que describe cómo R varía con el tiempo que se conoce como la ecuación de Friedmann, después de su inventor, Alexander Friedmann.
Las soluciones para R (t) dependen de k y Λ , pero algunas de las características cualitativas de tales soluciones son general. En primer lugar y lo más importante, la escala de longitud R del Universo puede permanecer constante solamente si el Universo es perfectamente isótropo con curvatura positiva ( k = 1) y tiene un valor preciso de la densidad en todas partes, como primera señalado por Albert Einstein . Sin embargo, este equilibrio es inestable y porque el Universo es conocido por ser homogénea en las escalas más pequeñas, R debe cambiar, de acuerdo con la relatividad general . Cuando R cambios, todas las distancias espaciales en el cambio Universo en conjunto; hay una expansión o contracción general del espacio mismo. Esto explica la observación de que las galaxias parecen estar volando separados; el espacio entre ellos está estirando. El estiramiento del espacio también se explica la aparente paradoja de que dos galaxias pueden ser de 40 millones de años luz de distancia, a pesar de que comenzaron desde el mismo punto hace 13770 millones años y nunca se movían más rápido que la velocidad de la luz .
En segundo lugar, todas las soluciones sugieren que hubo una singularidad espaciotemporal en el pasado, cuando R tiende a cero y la materia y la energía se hizo infinitamente denso. Puede parecer que esta conclusión es incierto, ya que se basa en los supuestos cuestionables de perfecta homogeneidad e isotropía (principio cosmológico) y que sólo la interacción gravitatoria es significativo. Sin embargo, el teoremas de singularidad Penrose-Hawking muestran que una singularidad debe existir para condiciones muy generales . Por lo tanto, de acuerdo a las ecuaciones de campo de Einstein, R creció rápidamente de un estado denso inimaginablemente caliente que existía inmediatamente después de esta singularidad (cuando R tuvo un pequeño, valor finito); esta es la esencia de la Gran Explosión modelo del Universo. Un error común es que el modelo del Big Bang predice que la materia y la energía explotaron desde un único punto en el espacio y el tiempo; eso es falso. Más bien, el espacio mismo fue creado en el Big Bang y imbuido de una cantidad fija de energía y la materia distribuida uniformemente a lo largo; como se expande el espacio (es decir, como R (t) aumenta), la densidad de materia y energía que disminuye.
Espacio no tiene límites - que es empíricamente más seguro que cualquier observación externa. Sin embargo, eso no implica que el espacio es infinito ... (Traducido, original en alemán) |
| Bernhard Riemann(Habilitationsvortrag, 1854) |
En tercer lugar, el índice de curvatura k determina el signo de la curvatura espacial media de espacio-tiempo como promedio durante escalas de longitud superior a mil millones de años luz. Si k = 1, la curvatura es positiva y el Universo tiene un volumen finito. Tales universos a menudo se visualizaron como una esfera tridimensional S 3 incrustado en un espacio de cuatro dimensiones. A la inversa, si k es cero o negativo, el Universo puede tener un volumen infinito, dependiendo de su general topología . Puede parecer contrario a la intuición de que un universo infinito y sin embargo infinitamente denso se podría crear en un solo instante en el Big Bang, cuando R = 0, pero exactamente que se predijo matemáticamente cuando k no es igual a 1. Para la comparación, un plano infinito tiene cero curvatura pero área infinita, mientras que un cilindro infinito es finito en una dirección y un toro es finito en ambos. Un Universo toroidal podría comportarse como un universo normal con condiciones de frontera periódicas, como se ve en los juegos "envolventes" video tales como asteroides ; un viajero que cruza un "límite" exterior del espacio que va hacia el exterior reaparecería instante en otro punto de la frontera en movimiento hacia el interior .
El destino final del Universo aún se desconoce, ya que depende de manera crítica en el índice de curvatura k y la constante cosmológica Λ . Si el Universo es suficientemente densa, k es igual a 1, lo que significa que su curvatura media durante todo es positivo y el Universo eventualmente colapsar en un Big Crunch, posiblemente iniciar un nuevo Universo en un Big Bounce. Por el contrario, si el Universo es suficientemente densa, k es igual a 0 ó -1 y el Universo se expandirá para siempre, refrescarse y llegando a ser inhóspito para toda la vida, como las estrellas mueren y toda la materia se funde en los agujeros negros (la gran congelación y el calor la muerte del Universo). Como se señaló anteriormente, los datos recientes sugieren que la velocidad de expansión del Universo no disminuye como se esperaba en un principio, pero aumentando; si esto continúa indefinidamente, el Universo eventualmente rasgar sí en pedazos (el Big Rip). Experimentalmente, el Universo tiene una densidad total que está muy cerca del valor crítico entre colapsar y expansión eterna; Se necesitan observaciones astronómicas más cuidadosas para resolver la cuestión.
Modelo del Big Bang
El modelo Big Bang prevaleciente representa muchas de las observaciones experimentales descritos anteriormente, tales como la correlación de la distancia y desplazamiento hacia el rojo de las galaxias, la relación universal de hidrógeno: átomos de helio, y el ubicuo, microondas isotrópica fondo de radiación. Como se señaló anteriormente, el desplazamiento al rojo surge de la expansión métrica del espacio; como el propio espacio se expande, la longitud de onda de un fotón que viaja a través del espacio del mismo modo aumenta, disminuyendo su energía. Cuanto más tiempo un fotón ha estado viajando, más expansión que ha sufrido; por lo tanto, los fotones de mayor edad de las galaxias más distantes son los más desplazada al rojo. Determinar la correlación entre distancia y desplazamiento hacia el rojo es un problema importante en experimental cosmología física .
Otras observaciones experimentales pueden ser explicadas mediante la combinación de la expansión global del espacio con nuclear y física atómica . Como se expande el Universo, la densidad de energía de la radiación electromagnética disminuye más rápidamente que lo hace la de la materia , debido a que la energía de un fotón disminuye con su longitud de onda. Así, aunque la densidad de energía del Universo está ahora dominada por la materia, una vez fue dominado por la radiación; poéticamente hablando, todo era luz . Como se expandió el Universo, su densidad de energía disminuyó y se convirtió más fresco; como lo hizo, las partículas elementales de la materia podrían asociar de manera estable en combinaciones cada vez más grandes. Así, en la primera parte de la era dominada por la materia, estables protones y neutrones formados, que entonces asociada a los núcleos atómicos . En esta etapa, la materia en el Universo era principalmente un caliente y denso plasma de negativos electrones y neutros neutrinos y núcleos positivos. Las reacciones nucleares entre los núcleos llevaron a las actuales abundancias de los núcleos más ligeros, sobre todo de hidrógeno , el deuterio y el helio . Eventualmente, los electrones y los núcleos se combinaron para formar átomos estables, que son transparentes a la mayoría de longitudes de onda de la radiación; en este punto, la radiación desacopló de la materia, formando el fondo ubicuo, isotrópica de la radiación de microondas observó hoy.
Otras observaciones no son respondidas definitivamente por la física conocida. De acuerdo con la teoría predominante, un ligero desequilibrio de la materia sobre la antimateria estuvo presente en la creación del Universo, o se desarrolló muy poco después, posiblemente debido a la violación CP que ha sido observado por los físicos de partículas . Aunque la materia y la antimateria mayoría aniquilados entre sí, produciendo fotones , un pequeño residuo de materia sobrevivió, dando el presente asunto dominado Universo. Varias líneas de evidencia sugieren también que una rápida inflación cósmica del Universo ocurrió muy temprano en su historia (aproximadamente 10 -35 segundos después de su creación). Observaciones recientes también sugieren que la constante cosmológica ( Λ ) no es cero y que la red es el contenido de masa-energía del universo está dominado por una energía oscura y la materia oscura que no se han caracterizado científicamente. Ellos difieren en sus efectos gravitatorios. La materia oscura gravita como materia ordinaria hace, y por lo tanto disminuye la expansión del Universo; por el contrario, la energía oscura sirve para acelerar la expansión del Universo.
Teoría del multiverso
Algunas teorías especulativas han propuesto que este universo no es sino una de un conjunto de universos inconexos, denotados colectivamente como el multiverso, definiciones más limitadas desafiantes o potenciadores del Universo. Teorías multiverso científicos son distintos de conceptos tales como aviones alternos de conciencia y realidad simulada, aunque la idea de un universo más grande no es nueva; por ejemplo, el obispo Étienne Tempier de París dictaminó en 1277 que Dios podía crear tantos universos a su antojo, una pregunta que estaba siendo objeto de acalorados debates por los teólogos franceses.
Max Tegmark desarrolló una de cuatro partes esquema de clasificación para los diferentes tipos de multiversos que los científicos han sugerido en varios dominios de problemas. Un ejemplo de esta teoría es el modelo de inflación caótica del Universo temprano. Otra es la universos paralelos de la mecánica cuántica. Mundos paralelos se generan de una manera similar a la superposición cuántica y decoherencia, con todos los estados de la función de onda se realizan en mundos separados. Efectivamente, el multiverso evoluciona como una función de onda universal. Si el Big Bang que creó nuestro multiverso creado un conjunto de multiversos, la función de onda del conjunto se enreda en este sentido.
La categoría menos controversial de multiverso en el esquema de Tegmark es el nivel I, que describe los eventos espacio-temporales distantes "en nuestro propio universo". Si el espacio es infinito, o suficientemente grande y uniforme, las instancias idénticas de la historia de toda la Tierra volumen de Hubble se producen de vez en cuando, sólo por casualidad. Tegmark calcula nuestra llamada más cercana doppelgänger, está a 10 10 115 metros de distancia de nosotros (una función exponencial doble más grande que un googolplex). En principio, sería imposible para verificar científicamente un volumen Hubble idénticos. Sin embargo, se sigue como consecuencia bastante directa a partir de observaciones y teorías científicas de lo contrario no relacionados. Tegmark sugiere que el análisis estadístico explotando el principio antrópico ofrece una oportunidad para poner a prueba las teorías multiverso en algunos casos. En general, la ciencia consideraría una teoría multiverso que postula ni un punto común de la causalidad, ni la posibilidad de interacción entre universos, siendo una especulación ociosa.
Forma del Universo
La forma o la geometría del Universo incluye tanto la geometría local en el Universo observable y la geometría global, lo que podemos o no podemos ser capaces de medir. Forma puede referirse a la curvatura y la topología . Más formalmente, el sujeto en la práctica investiga cuales 3-variedad corresponde a la sección espacial en comóvil coordenadas de las cuatro dimensiones del espacio-tiempo del universo. Los cosmólogos normalmente trabajan con un determinado rebanada-espacio como del espacio-tiempo llamado comóvil coordenadas. En cuanto a la observación, la sección del espacio-tiempo que se puede observar es el revés cono de luz (puntos dentro del horizonte de luz cósmica , dado el tiempo para llegar a un observador dado). Si el Universo observable es más pequeño que el Universo entero (en algunos modelos es muchos órdenes de magnitud más pequeña), no se puede determinar la estructura global de la observación: uno está limitado a un pequeño parche.
Entre las Modelos de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), la forma más popular de la actualidad del Universo encontraron para encajar los datos de observación de acuerdo a los cosmólogos es el modelo plano infinito, mientras que otros modelos FLRW incluyen el espacio dodecaédrica Poincaré y el cuerno de Picard. Los datos se ajustan por estos modelos FLRW de espacio especialmente incluyen la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) mapas de la radiación cósmica de fondo. La NASA lanzó el primer WMAP cósmica de fondo de datos de radiación en febrero de 2003. En 2009, el observatorio Planck fue lanzado para observar el fondo de microondas en mayor resolución que WMAP, posiblemente proporcionar más información sobre la forma del Universo. Los datos deben ser puestos en libertad a principios de 2013.
