Primera mañana: elementos simples
Las primeras partículas provinieron de la colisión de fotones de rayos gamma. Las colisiones también fracturaron los rayos y los fotones. Cada vez que los fotones en colisión tenían un exceso de energía más allá de la necesaria para producir partículas, los fotones de menor energía se llevaban el exceso de la región de interacción junto con otros rayos. Esto produjo la primera luz. La primera mañana amaneció casi tan pronto como la primera tarde comenzó a producir partículas.
El calor, otro subproducto de las colisiones, inició una expansión que enfrió el universo. El enfriamiento y la fractura de los fotones de rayos gamma de mayor energía pusieron fin a la producción de partículas muy poco tiempo después de que comenzara. Ahora que sabemos cuánta energía se necesita para producir partículas, podemos entender por qué se detuvo la producción de partículas.
El fin de la producción de partículas
Puede ser útil comparar los fotones con el dinero. Pensemos en los fotones de rayos gamma como billetes grandes y los fotones de luz o calor como monedas pequeñas. A medida que gastamos grandes billetes para comprar posesiones materiales, gradualmente acumulamos cambios que consisten en billetes y monedas más pequeños. Al final de una juerga de compras podríamos tener una enorme bolsa de monedas pequeñas. Puede que todavía haya suficiente dinero en la bolsa para comprar un coche caro, ¡pero ningún vendedor querría sentarse y contar todas las monedas!
Por esto, ahora hay muy poca creación natural de partículas a partir de fotones. Casi todos los fotones energéticos presentes al principio del universo ahora están descompuestos en fotones débiles. Los fotones débiles rara vez se juntan en gran número y, por lo tanto, no producen partículas.
Desplazamiento Doppler, expansión y enfriamiento
Unos segundos después de que los rayos gamma comenzaran a chocar, apenas quedaban suficientes para formar nuevas partículas. Hay otra razón por la que se detuvo la producción de partículas. La expansión y el enfriamiento debilitaron todos los fotones, incluso los que no habían colisionado y por lo tanto no se habían fracturado.
Si dibujamos una onda en una banda elástica ancha y luego la estiramos, veremos que aumenta la distancia entre las crestas de las ondas. En otras palabras, el estiramiento aumenta la longitud de onda. Pero la energía de un fotón es inversamente proporcional a la longitud de onda, por lo que el estiramiento reduce la energía. Una onda estirada se mueve a la velocidad de la luz como cualquier otra onda electromagnética, pero aporta menos energía por unidad de tiempo que una onda compacta. La temperatura en una región es proporcional a la cantidad de energía en esa región. El reducir la energía baja la temperatura.
Este proceso tiene otra descripción. Christian Johann Doppler (físico austriaco, 1803–1853) descubrió que las estrellas que se alejan de un observador aparecen enrojecidas y las estrellas que se acercan a un observador aparecen más azules de lo habitual. Este efecto se denomina desplazamiento Doppler.
Las personas que han oído pasar un coche mientras se toca la bocina están familiarizadas con el efecto Doppler. La bocina del auto toca una nota musical, es decir, tiene un tono determinado. A medida que el automóvil se acerca, el tono de la bocina es más alto de lo habitual. Cae suavemente a un tono más bajo de lo habitual cuando el automóvil pasa y retrocede en la distancia. No debemos confundir tono con volumen. Es cierto que la bocina de un automóvil suena más fuerte cuando se acerca y más suave cuando se aleja. El volumen y el tono musical en este caso suben y bajan juntos. Pero el efecto Doppler tiene que ver con el tono o la frecuencia musical, no con el volumen.
Uno escucha la nota que el diseñador pretendía cuando el automóvil está parado. Ahora consideremos las ondas de sonido cuando el automóvil toca la bocina y se acerca al oyente. En un momento determinado la bocina emite la cresta de una onda sonora. En el momento en que emite la siguiente cresta de onda, el automóvil está más cerca al oyente. Las crestas llegan al oído del oyente más juntas de lo habitual. Tienen una longitud de onda más corta y, por lo tanto, una frecuencia más alta. Suenan como una nota musical de tono más alto. Después de que el automóvil pasa al oyente, su bocina emite cada cresta de onda sucesiva a una distancia mayor del observador. Esto estira la longitud de onda y disminuye la frecuencia. El tono cae a una nota más baja que la que toca la bocina cuando el automóvil está parado.
Lo mismo sucede cuando una estrella se aleja de un observador. En un momento determinado emite la cresta de una onda de luz. En el momento en que emite otra cresta de onda, la estrella está más lejos, ya que se mueve todo el tiempo. La distancia entre las crestas de las ondas es mayor de lo que sería si la estrella estuviera estacionaria con respecto al observador. La luz roja tiene las longitudes de onda visibles más largas y los fotones visibles de menor energía. Por tanto, decimos que la luz es más roja y fría. Si la estrella se mueve hacia el observador, las crestas de las ondas están más juntas. La luz es más azul y cálida.
La cantidad de cambio en la longitud de onda, dividida por la longitud de onda, se denomina desplazamiento Doppler. El desplazamiento Doppler es positivo si la estrella se aleja del observador. En la misma situación, la distancia entre la estrella y el observador se amplía, la luz es más roja y la luz es más fría. Todas estas son formas diferentes de describir lo mismo.
El comienzo de la nucleosíntesis
Los físicos hablan de muchas teorías de partículas extrañas producidas en la alta temperatura y la enorme presión del universo muy primitivo. Las primeras partículas pueden haber sido complejas y pesadas. Muchas de las partículas extrañas eran antipartículas de otras. Estos encontraron rápidamente partículas de la misma especie y las aniquilaron, produciendo dos o tres rayos gamma. Cada par aniquilador produjo fotones con una energía total equivalente a la masa del par. Esto contribuyó al proceso de descomposición de los fotones originales de alta energía en muchos otros de menor energía. También dividió las partículas extrañas, complejas y pesadas en partículas más familiares, más simples y de baja masa. Eventualmente predominaron los componentes de los átomos ordinarios: protones, neutrones y electrones.
En este punto comenzó la nucleosíntesis. Los protones y los neutrones chocaron entre sí para formar los primeros núcleos, pero solo formaron los tres elementos de mayor simplicidad y menor peso: hidrógeno, helio y litio. El enfriamiento puso fin a la producción de partículas en el momento en que comenzó la nucleosíntesis. La nucleosíntesis también requiere altas temperaturas, aunque no tan altas como las que requiere la producción de partículas. Los protones se repelen entre sí. Deben chocar con la velocidad suficiente para superar su repulsión mutua y acercarse lo suficiente como para permanecer juntos. El enfriamiento continuó tan rápidamente que la nucleosíntesis se detuvo unos minutos después de que comenzara el universo.
La luz suele acompañar a las colisiones de alta energía. Los ciclos de oscuridad y luz nos permiten rastrear las dos etapas de la nucleosíntesis en el universo. La primera etapa hizo los núcleos de los tres elementos más simples, y la segunda etapa hizo los elementos más pesados. Hemos repasado la primera etapa en este capítulo, y trataremos la segunda en otro, cuando lleguemos a la segunda vez que la luz llenó el universo.
Después de que se detuvo la primera etapa de la nucleosíntesis, el enfriamiento continuó durante miles de años. Finalmente, los núcleos se enfriaron lo suficiente como para capturar los electrones libres y formar átomos. En este punto, los rayos de luz podrían viajar libremente. Sin partículas cargadas libres como electrones y núcleos positivos, la dispersión era mucho menor. El enfriamiento continuó, haciendo la luz más y más roja.
En la Tierra, la última luz del día es rojiza debido a la creciente dispersión a lo largo de trayectos cada vez más largos a través de la atmósfera. El crepúsculo suele ser más frío porque los rayos del Sol inciden sobre la Tierra de forma cada vez más oblicua. Hacia el final del primer día hubo menos dispersión, pero más enfriamiento, por diferentes razones.
Un ciclo de oscuridad y luz hizo los primeros átomos. El proceso de formación comenzó con partículas. Todo esto vino de la oscuridad. La oscuridad energética de los rayos gamma es causa, pero también efecto de una causa anterior. Si queremos volver al origen de todas las cosas, debemos entender algo acerca de las fuerzas físicas.
Las primeras partículas provinieron de la colisión de fotones de rayos gamma. Las colisiones también fracturaron los rayos y los fotones. Cada vez que los fotones en colisión tenían un exceso de energía más allá de la necesaria para producir partículas, los fotones de menor energía se llevaban el exceso de la región de interacción junto con otros rayos. Esto produjo la primera luz. La primera mañana amaneció casi tan pronto como la primera tarde comenzó a producir partículas.
El calor, otro subproducto de las colisiones, inició una expansión que enfrió el universo. El enfriamiento y la fractura de los fotones de rayos gamma de mayor energía pusieron fin a la producción de partículas muy poco tiempo después de que comenzara. Ahora que sabemos cuánta energía se necesita para producir partículas, podemos entender por qué se detuvo la producción de partículas.
El fin de la producción de partículas
Puede ser útil comparar los fotones con el dinero. Pensemos en los fotones de rayos gamma como billetes grandes y los fotones de luz o calor como monedas pequeñas. A medida que gastamos grandes billetes para comprar posesiones materiales, gradualmente acumulamos cambios que consisten en billetes y monedas más pequeños. Al final de una juerga de compras podríamos tener una enorme bolsa de monedas pequeñas. Puede que todavía haya suficiente dinero en la bolsa para comprar un coche caro, ¡pero ningún vendedor querría sentarse y contar todas las monedas!
Por esto, ahora hay muy poca creación natural de partículas a partir de fotones. Casi todos los fotones energéticos presentes al principio del universo ahora están descompuestos en fotones débiles. Los fotones débiles rara vez se juntan en gran número y, por lo tanto, no producen partículas.
Desplazamiento Doppler, expansión y enfriamiento
Unos segundos después de que los rayos gamma comenzaran a chocar, apenas quedaban suficientes para formar nuevas partículas. Hay otra razón por la que se detuvo la producción de partículas. La expansión y el enfriamiento debilitaron todos los fotones, incluso los que no habían colisionado y por lo tanto no se habían fracturado.
Si dibujamos una onda en una banda elástica ancha y luego la estiramos, veremos que aumenta la distancia entre las crestas de las ondas. En otras palabras, el estiramiento aumenta la longitud de onda. Pero la energía de un fotón es inversamente proporcional a la longitud de onda, por lo que el estiramiento reduce la energía. Una onda estirada se mueve a la velocidad de la luz como cualquier otra onda electromagnética, pero aporta menos energía por unidad de tiempo que una onda compacta. La temperatura en una región es proporcional a la cantidad de energía en esa región. El reducir la energía baja la temperatura.
Este proceso tiene otra descripción. Christian Johann Doppler (físico austriaco, 1803–1853) descubrió que las estrellas que se alejan de un observador aparecen enrojecidas y las estrellas que se acercan a un observador aparecen más azules de lo habitual. Este efecto se denomina desplazamiento Doppler.
Las personas que han oído pasar un coche mientras se toca la bocina están familiarizadas con el efecto Doppler. La bocina del auto toca una nota musical, es decir, tiene un tono determinado. A medida que el automóvil se acerca, el tono de la bocina es más alto de lo habitual. Cae suavemente a un tono más bajo de lo habitual cuando el automóvil pasa y retrocede en la distancia. No debemos confundir tono con volumen. Es cierto que la bocina de un automóvil suena más fuerte cuando se acerca y más suave cuando se aleja. El volumen y el tono musical en este caso suben y bajan juntos. Pero el efecto Doppler tiene que ver con el tono o la frecuencia musical, no con el volumen.
Uno escucha la nota que el diseñador pretendía cuando el automóvil está parado. Ahora consideremos las ondas de sonido cuando el automóvil toca la bocina y se acerca al oyente. En un momento determinado la bocina emite la cresta de una onda sonora. En el momento en que emite la siguiente cresta de onda, el automóvil está más cerca al oyente. Las crestas llegan al oído del oyente más juntas de lo habitual. Tienen una longitud de onda más corta y, por lo tanto, una frecuencia más alta. Suenan como una nota musical de tono más alto. Después de que el automóvil pasa al oyente, su bocina emite cada cresta de onda sucesiva a una distancia mayor del observador. Esto estira la longitud de onda y disminuye la frecuencia. El tono cae a una nota más baja que la que toca la bocina cuando el automóvil está parado.
Lo mismo sucede cuando una estrella se aleja de un observador. En un momento determinado emite la cresta de una onda de luz. En el momento en que emite otra cresta de onda, la estrella está más lejos, ya que se mueve todo el tiempo. La distancia entre las crestas de las ondas es mayor de lo que sería si la estrella estuviera estacionaria con respecto al observador. La luz roja tiene las longitudes de onda visibles más largas y los fotones visibles de menor energía. Por tanto, decimos que la luz es más roja y fría. Si la estrella se mueve hacia el observador, las crestas de las ondas están más juntas. La luz es más azul y cálida.
La cantidad de cambio en la longitud de onda, dividida por la longitud de onda, se denomina desplazamiento Doppler. El desplazamiento Doppler es positivo si la estrella se aleja del observador. En la misma situación, la distancia entre la estrella y el observador se amplía, la luz es más roja y la luz es más fría. Todas estas son formas diferentes de describir lo mismo.
El comienzo de la nucleosíntesis
Los físicos hablan de muchas teorías de partículas extrañas producidas en la alta temperatura y la enorme presión del universo muy primitivo. Las primeras partículas pueden haber sido complejas y pesadas. Muchas de las partículas extrañas eran antipartículas de otras. Estos encontraron rápidamente partículas de la misma especie y las aniquilaron, produciendo dos o tres rayos gamma. Cada par aniquilador produjo fotones con una energía total equivalente a la masa del par. Esto contribuyó al proceso de descomposición de los fotones originales de alta energía en muchos otros de menor energía. También dividió las partículas extrañas, complejas y pesadas en partículas más familiares, más simples y de baja masa. Eventualmente predominaron los componentes de los átomos ordinarios: protones, neutrones y electrones.
En este punto comenzó la nucleosíntesis. Los protones y los neutrones chocaron entre sí para formar los primeros núcleos, pero solo formaron los tres elementos de mayor simplicidad y menor peso: hidrógeno, helio y litio. El enfriamiento puso fin a la producción de partículas en el momento en que comenzó la nucleosíntesis. La nucleosíntesis también requiere altas temperaturas, aunque no tan altas como las que requiere la producción de partículas. Los protones se repelen entre sí. Deben chocar con la velocidad suficiente para superar su repulsión mutua y acercarse lo suficiente como para permanecer juntos. El enfriamiento continuó tan rápidamente que la nucleosíntesis se detuvo unos minutos después de que comenzara el universo.
La luz suele acompañar a las colisiones de alta energía. Los ciclos de oscuridad y luz nos permiten rastrear las dos etapas de la nucleosíntesis en el universo. La primera etapa hizo los núcleos de los tres elementos más simples, y la segunda etapa hizo los elementos más pesados. Hemos repasado la primera etapa en este capítulo, y trataremos la segunda en otro, cuando lleguemos a la segunda vez que la luz llenó el universo.
Después de que se detuvo la primera etapa de la nucleosíntesis, el enfriamiento continuó durante miles de años. Finalmente, los núcleos se enfriaron lo suficiente como para capturar los electrones libres y formar átomos. En este punto, los rayos de luz podrían viajar libremente. Sin partículas cargadas libres como electrones y núcleos positivos, la dispersión era mucho menor. El enfriamiento continuó, haciendo la luz más y más roja.
En la Tierra, la última luz del día es rojiza debido a la creciente dispersión a lo largo de trayectos cada vez más largos a través de la atmósfera. El crepúsculo suele ser más frío porque los rayos del Sol inciden sobre la Tierra de forma cada vez más oblicua. Hacia el final del primer día hubo menos dispersión, pero más enfriamiento, por diferentes razones.
Un ciclo de oscuridad y luz hizo los primeros átomos. El proceso de formación comenzó con partículas. Todo esto vino de la oscuridad. La oscuridad energética de los rayos gamma es causa, pero también efecto de una causa anterior. Si queremos volver al origen de todas las cosas, debemos entender algo acerca de las fuerzas físicas.