Fuerzas presentes en el espacio vacío
Si no hay partículas presentes, decimos que el espacio está vacío, incluso si contiene ondas electromagnéticas y líneas de campo gravitatorio. Al principio (o muy poco después) los fotones de rayos gamma se distribuyeron casi uniformemente en todo el espacio. El equivalente en masa de su energía (energía dividida por el cuadrado de la velocidad de la luz) produjo la gravedad.
Dado que la energía electromagnética tiene masa y produce gravedad, el espacio vacío puede tener energía, masa y gravedad, pero nada más. Si hubiera partículas masivas, el espacio no estaría vacío. Sin embargo, si la energía se distribuye casi uniformemente en todas partes, entonces su masa también se distribuye casi uniformemente. En ese caso, la fuerza promedio de la gravedad es baja porque la atracción gravitacional desde todas las direcciones es casi igual. La atracción igual en direcciones opuestas se cancela a sí misma.
Si el universo comenzó como un espacio vacío, entonces no tenía las cuatro fuerzas actuando a la vez. Las fuerzas nucleares fuerte y débil no pudieron actuar en un principio cuando sólo había energía pura. Tuvieron que esperar hasta que se formaran los nucleones. Los neutrinos no aparecieron hasta que la fuerza nuclear débil estuviera operando. La gravedad era débil o casi inexistente si la energía electromagnética se distribuía casi uniformemente. La gravedad fuerte tuvo que esperar hasta que hubiera fluctuaciones, regiones con mayor o menor densidad que la densidad media.
Por eso es razonable pensar que las fuerzas electromagnéticas actuaron primero, antes de que existieran las partículas. La primera energía debía tener la capacidad de formar materia. Esto sugiere que la primera energía fue electromagnética. Tomó la forma de rayos gamma muy energéticos distribuidos uniformemente en todos los puntos del universo y dirigidos en todas las direcciones.
Antes de que cualquier rayo de luz visible pudiera comenzar a vibrar, todo estaba oscuro. No sabemos cuánto duró la oscuridad porque no sabemos cuánto viajaron los rayos gamma en el espacio vacío antes de las primeras colisiones. Aparentemente, los rayos chocaron en todas partes del universo aproximadamente al mismo tiempo. Después de eso, además de las ondas, había partículas en la oscuridad y el espacio ya no estaba vacío. Una vez que había partículas, la fuerza nuclear fuerte comenzó a actuar. La fuerza nuclear débil también comenzó a actuar, pero tardó mucho más en producir sus efectos.
En algunos lugares chocaron más rayos que en otros lugares. Esto provocó fluctuaciones en la distribución uniforme de la energía y las partículas. Las fluctuaciones permitieron que la gravedad entrara en acción. Por fin, las cuatro fuerzas estaban actuando, pero las fuerzas electromagnéticas llegaron primero.
Nucleosíntesis
¿Cómo se formaron los núcleos de los elementos? Hemos comenzado a dar la respuesta tal como la conocemos ahora. Durante la segunda mitad del siglo XX hubo un largo debate sobre este tema. Algunas personas pensaron que los 92 elementos se formaron en los primeros minutos del universo. Otros pensaron que todos estaban hechos en los centros de las primeras estrellas. Al final resultó que, ningún grupo venció al otro. Ambos tenían parte de la razón.
Para empezar, varias personas propusieron teorías de equilibrio sobre la formación de los elementos. En estas teorías, generalmente se suponía que, en las primeras etapas de la historia del universo, cuando toda la materia estaba apretada y presumiblemente a una temperatura muy alta, las condiciones podrían estar maduras para producir los elementos mediante un proceso de cocción nuclear. Tales teorías adolecían de la dificultad de que ningún conjunto único de condiciones de temperatura y presión daría todos los elementos en las abundancias relativas observadas, por lo que fue necesario hacer tales teorías extremadamente complicadas, con diferentes conjuntos de condiciones asumidas como responsables de diferentes regiones de la tabla periódica de los elementos.[i]
[i] Truran, J. W. y A. G. W. Cameron, Capítulo 23, “Nucleosíntesis”, op. cit., pág. 984.
Nadie ha encontrado un conjunto de condiciones que pueda producir todos los elementos a partir de hidrógeno puro o de una mezcla de protones y neutrones. Se necesitaron dos épocas diferentes de intensa presión, calor y luz para producir todos los elementos. Estas épocas fueron las mañanas del día uno y del día dos.
Si no hay partículas presentes, decimos que el espacio está vacío, incluso si contiene ondas electromagnéticas y líneas de campo gravitatorio. Al principio (o muy poco después) los fotones de rayos gamma se distribuyeron casi uniformemente en todo el espacio. El equivalente en masa de su energía (energía dividida por el cuadrado de la velocidad de la luz) produjo la gravedad.
Dado que la energía electromagnética tiene masa y produce gravedad, el espacio vacío puede tener energía, masa y gravedad, pero nada más. Si hubiera partículas masivas, el espacio no estaría vacío. Sin embargo, si la energía se distribuye casi uniformemente en todas partes, entonces su masa también se distribuye casi uniformemente. En ese caso, la fuerza promedio de la gravedad es baja porque la atracción gravitacional desde todas las direcciones es casi igual. La atracción igual en direcciones opuestas se cancela a sí misma.
Si el universo comenzó como un espacio vacío, entonces no tenía las cuatro fuerzas actuando a la vez. Las fuerzas nucleares fuerte y débil no pudieron actuar en un principio cuando sólo había energía pura. Tuvieron que esperar hasta que se formaran los nucleones. Los neutrinos no aparecieron hasta que la fuerza nuclear débil estuviera operando. La gravedad era débil o casi inexistente si la energía electromagnética se distribuía casi uniformemente. La gravedad fuerte tuvo que esperar hasta que hubiera fluctuaciones, regiones con mayor o menor densidad que la densidad media.
Por eso es razonable pensar que las fuerzas electromagnéticas actuaron primero, antes de que existieran las partículas. La primera energía debía tener la capacidad de formar materia. Esto sugiere que la primera energía fue electromagnética. Tomó la forma de rayos gamma muy energéticos distribuidos uniformemente en todos los puntos del universo y dirigidos en todas las direcciones.
Antes de que cualquier rayo de luz visible pudiera comenzar a vibrar, todo estaba oscuro. No sabemos cuánto duró la oscuridad porque no sabemos cuánto viajaron los rayos gamma en el espacio vacío antes de las primeras colisiones. Aparentemente, los rayos chocaron en todas partes del universo aproximadamente al mismo tiempo. Después de eso, además de las ondas, había partículas en la oscuridad y el espacio ya no estaba vacío. Una vez que había partículas, la fuerza nuclear fuerte comenzó a actuar. La fuerza nuclear débil también comenzó a actuar, pero tardó mucho más en producir sus efectos.
En algunos lugares chocaron más rayos que en otros lugares. Esto provocó fluctuaciones en la distribución uniforme de la energía y las partículas. Las fluctuaciones permitieron que la gravedad entrara en acción. Por fin, las cuatro fuerzas estaban actuando, pero las fuerzas electromagnéticas llegaron primero.
Nucleosíntesis
¿Cómo se formaron los núcleos de los elementos? Hemos comenzado a dar la respuesta tal como la conocemos ahora. Durante la segunda mitad del siglo XX hubo un largo debate sobre este tema. Algunas personas pensaron que los 92 elementos se formaron en los primeros minutos del universo. Otros pensaron que todos estaban hechos en los centros de las primeras estrellas. Al final resultó que, ningún grupo venció al otro. Ambos tenían parte de la razón.
Para empezar, varias personas propusieron teorías de equilibrio sobre la formación de los elementos. En estas teorías, generalmente se suponía que, en las primeras etapas de la historia del universo, cuando toda la materia estaba apretada y presumiblemente a una temperatura muy alta, las condiciones podrían estar maduras para producir los elementos mediante un proceso de cocción nuclear. Tales teorías adolecían de la dificultad de que ningún conjunto único de condiciones de temperatura y presión daría todos los elementos en las abundancias relativas observadas, por lo que fue necesario hacer tales teorías extremadamente complicadas, con diferentes conjuntos de condiciones asumidas como responsables de diferentes regiones de la tabla periódica de los elementos.[i]
[i] Truran, J. W. y A. G. W. Cameron, Capítulo 23, “Nucleosíntesis”, op. cit., pág. 984.
Nadie ha encontrado un conjunto de condiciones que pueda producir todos los elementos a partir de hidrógeno puro o de una mezcla de protones y neutrones. Se necesitaron dos épocas diferentes de intensa presión, calor y luz para producir todos los elementos. Estas épocas fueron las mañanas del día uno y del día dos.