Francis en @TrendingCiencia: El annus mirabilis de la teoría del big bang

Dibujo20131013 timeline for 1948 papers on formation elements and galaxies - alpher herman gamow

Mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia ya está disponible en este enlace. Como siempre una transcripción, enlaces e imágenes.

El tema de hoy es “The Big Bang Theory”, pero no la popular sitcom de televisión, sino la historia de la teoría del big bang de George Gamow y Ralph Alpher, y su annus mirabilis, el año 1948. Pero antes tengo una primicia para tí, que me oyes todos los lunes en Trending Ciencia. Si estás en Málaga el próximo 12 de noviembre podrás asistir a mi conferencia “Lo que sabemos que no sabemos sobre el Big Bang.” Esta conferencia se iniciará recordando la historia que te voy a contar en este podcast, la historia del annus mirabilis de la teoría del big bang, el año 1948. ¡Ah! Por cierto, ¿conoces la historia del término “big bang” para referirse a la teoría de Gamow y Alpher?

Este podcast está basado en el artículo de P. J. E. Peebles, “Discovery of the Hot Big Bang: What happened in 1948,” arXiv:1310.2146 [physics.hist-ph], 8 Oct 2013.

Ya lo conté el 20 de enero de 2013 en una nota dominical en mi blog titulada “El debate radiofónico entre Gamow y Hoyle que nunca existió.” El 28 de marzo de 1949, Fred Hoyle dio una charla de 20 minutos sobre su nueva teoría cosmológica (la teoría del estado estacionario que introdujo en 1948). La charla se retransmitió en un programa de la Radio 3 de la BBC británica (aquí puedes leer una transcripción de la charla). En su charla mencionaba tres veces el término “big bang” para referirse a “la hipótesis de que toda la materia del universo fue creada en una gran explosión (big bang) en un cierto momento del pasado remoto.” En su charla, Hoyle no mencionó a Gamow o su teoría de forma explícita en ningún momento. Te recuerdo que la teoría de Hoyle, introducida también por sus amigos Hermann Bondi y Tommy Gold explica la expansión cósmica gracias a la creación continua de materia por todo el universo a un ritmo tan pequeño que no es detectable.

Hay un mito que afirma que en el programa de la BBC también intervino Gamow. Se cree que su origen fue un Simposio sobre la Historia de la Cosmología en Bolonia, 1988. Alpher y Herman, colegas de Gamow, afirmaron que: “De acuerdo con Gamow, Hoyle usó el término “big bang” en un sentido peyorativo durante un debate en la radio BBC con Gamow.” Años más tarde mucha gente cree que esta historia fue verdad y que Gamow tuvo un debate transatlántico con Hoyle en la BBC en el año 1949. Nunca tuvo lugar dicho debate. Seguramente, Alpher y Herman entendieron mal algo que les dijo Gamow o quizás Gamow contaba esta historia como un chiste gracioso.

¿Sabes por qué Hoyle utilizó el término “big bang” en su charla radiofónica? En un entrevista en 1989, Alan Lightman le preguntó a Hoyle por el origen del término “big bang” y el contestó que impartía muchas charlas radiofónicas de divulgación y que en “los programas de radio trataba de usar palabras que sugirieran imágenes visuales de lo que se estaba hablando y que utilizó la palabra “big bang” en este sentido, sin ningún tipo de connotación peyorativa” porque es un término muy sonoro, muy radiofónico.

Dibujo20131013 Alpher-Bethe-Gamow paper Physical Review 1948

El annus mirabilis de la teoría del big bang (la teoría de la gran explosión en español) fue el año 1948. George Gamow, su alumno de doctorado Ralph Alpher y su colega Robert Herman publicaron 11 trabajos científicos sobre esta teoría en 1948. Gamow tuvo la idea en 1946 y puso a trabajar en ella a su alumno de doctorado Alpher, que defendió su tesis doctoral en 1948. El artículo más famoso, el artículo αβγ de Alpher, Bethe y Gamow de 1948, fue firmado por Hans Bethe, amigo de Gamow, sin contribuir al mismo, algo que no gustó nada a Alpher, pero que en su momento calló por no contradecir a su “jefe” Gamow. Este famoso artículo αβγ no habla de un big bang caliente como lo entendemos hoy en día, ni predice la radiación cósmica de microondas, la observación clave que demostró la teoría del big bang. El artículo αβγ sólo habla de nucleosíntesis primordial. Sin embargo, el resto de las ideas asociadas a la teoría del big bang aparecieron en los otros 10 artículos y trabajos científicos que Gamow, Alpher y Herman publicaron en 1948.

Como supongo que ya habrás oído en alguna ocasión, el famoso artículo αβγ fue firmado por Bethe sin haber contribuido al mismo porque Gamow tuvo la “divertida” idea de usar las tres primeras letras del alfabeto griego para firmar un artículo sobre la nucleosíntesis primordial de los primeros elementos atómicos. Años más tarde Alpher confesó que le disgustó mucho la idea de Gamow pues le hubiera gustado que la idea del big bang pasara a la historia asociada sólo a Alpher y Gamow. Además, el artículo  αβγ tiene una nota a pie de página donde se afirma que “Alpher está realizando cálculos más detallados,” cuando en realidad dichos cálculos ya habían sido realizados por Alpher como parte de su propia tesis doctoral, que defendió el 28 de abril de 1948 (por cierto, el artículo αβγ apareció en la revista el 1 de abril, pero se envió el 18 de febrero). Aunque Bethe defendió durante muchos años la teoría del big bang como si hubiera sido uno de sus autores y trabajó en muchos detalles técnicos sobre la nucleosíntesis primordial, no realizó ninguna contribución al trabajo original de Alpher y Gamow.

El artículo de Ralph A. Alpher, Hans Bethe y George Gamow, titulado “The Origin of Chemical Elements,” publicado en el volumen 73 de la revista Physical Review el 1 de abril de 1948 tiene sólo una página de tamaño, aunque se inicia en la página 803 y acaba en la 804 [PR 73: 803–804, 1 Apr 1948; pdf gratis]. Este breve artículo estudia la formación de los elementos químicos a partir de un gas de neutrones caliente y de alta densidad que se enfría debido a la expansión cósmica; los neutrones se enfrían y se desintegran en protones y electrones que se ligan entre sí para dar lugar a los primeros átomos. A partir de un plasma caliente de neutrones, protones y electrones se estudia la formación de los núcleos atómicos más ligeros, como el hidrógeno y sus isótopos pesados, el deuterio y el tritio. La captura de neutrones (n) por protones (p) para formar deuterones (d) y la disociación de deuterones por fotones (γ), reacción n+p ↔ d+γ, tiene una temperatura crítica de unos mil millones de Kelvin (≃ 10^9 K), que corresponde a una energía cinética de los neutrones de unos 0,1 MeV; por encima de esta temperatura la reacción va hacia la izquierda, fotodisociación, y por debajo hacia la derecha, formación de deuterones. Los núcleos más pesados, como el tritio, se formaron por reacciones como d+d → t+p. El artículo αβγ ocupa una sola página y omite todos los detalles importantes del proceso; por ejemplo, la proporción entre neutrones y protones en el universo primitivo, que fue estimada por Hayashi en 1950 y por Alpher, Follin y Herman en 1953.

De hecho, quizás no lo sepas, pero el artículo αβγ contiene un grave error, ya que supone que el proceso de formación de los elementos ocurrió cuando el universo tenía una edad de 20 segundos, un tiempo inferior a la vida media del neutrón. Este error aparece corregido en la tesis doctoral de Alpher donde la edad se estima entre 200 y 300 segundos. Alpher afirma que su cálculo ya estaba realizado cuando se envío el artículo αβγ, siendo un error tipográfico en dicho artículo; sin embargo, no hay constancia documental de este hecho y algunos historiadores de la ciencia creen que Alpher realizó el cálculo en los dos meses que separan el envío del artículo y la defensa de su tesis doctoral. Un resumen de su tesis aparece en un artículo de trece páginas en Physical Review titulado “A Neutron-Capture Theory of the Formation and Relative Abundance of the Elements,” del que es único autor (74, 1577-1589,1948). Pero ¿cuándo se publicó por primera vez la idea de que el universo está lleno de la radiación térmica que ahora se denomina la Fondo Cósmico de Microondas?

Dibujo20131013 composite picture 1949 Robert Herman left Ralph Alpher right George Gamow center - bottle of Ylem initial cosmic mixture of protons neutrons and electrons

La idea de la radiación cósmica de microondas aparece en un artículo sobre la nucleosíntesis primordial y la formación de las primeras galaxias escrito por Gamow en Physical Review, titulado “The Origin of Elements and the Separation of Galaxies” (74: 505-506, 1948), sin embargo, Gamow no calcula la temperatura de esta radiación en la actualidad. Dicho cálculo, la primera estimación de la temperatura del fondo cósmico de microondas la publicaron Alpher y Herman en Nature, en un artículo titulado “Evolution of the Universe” (162: 774-775, 1948). Dicho artículo contiene una frase lapidaria “the temperature in the universe at the present time is found to be about 5 K,” es decir, “la temperatura en el universo en el momento actual debería ser unos 5 K.” Alpher y Herman se estaban refiriendo a la temperatura del fondo cósmico de microondas, que hoy sabemos que es de  2,725 K. Por tanto, la estimación de Alpher y Herman no era tan mala. Sin embargo, hay que destacar que en este artículo no se afirma que se trate de una radiación de cuerpo negro ni se calculan los detalles. Como son artículos muy breves, de una página y pico, los historiadores de la ciencia asumen que muchos detalles que se publicaron más tarde están sugeridos entre líneas.

Por cierto, la teoría cosmológica del estado estacionario también fue publicada por Fred Hoyle en 1948, en un artículo titulado “A New Model for the Expanding Universe” (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 108: 372-381, 1948) y por Hermann Bondi y Thomas Gold, en “The Steady-State Theory of the Expanding Universe ” (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 108: 252-270, 1948). A Gamow no le gustaba la teoría de Hoyle y a Hoyle no le gustaba la de Gamow, sin embargo, Hoyle tenía un argumento más firme en contra de su competidor: Utilizando el valor de la constante de Hubble conocida en aquella época resulta que la edad del universo según la teoría del big bang era bastante menor que la edad de nuestra galaxia, la Vía Láctea. O bien la constante de Hubble para la expansión del universo estaba mal calculada (pues es muy difícil de estimar con precisión) o bien la teoría del big bang era completamente errónea. Sin embargo, en honor a la verdad histórica, Hoyle siempre reconoció que el cálculo realizado por Gamow y sus colegas de la temperatura a la que se produjo la nucleosíntesis parecía correcto.

Por supuesto, la contienda entre los modelos cosmológicos del big bang y del estado estacionario quedó zanjada a favor del primero tras el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas a 3 K en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson. Sin embargo, las primera pruebas de la existencia de esta radiación ya aparecieron en 1960 y desde entonces los argumentos a favor de la teoría del big bang eran aplastantes, pero esa será otra historia que tendremos que contar en otra ocasión.

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6 pensamientos en “Francis en @TrendingCiencia: El annus mirabilis de la teoría del big bang

  1. En estos momentos -leí hace poco- la energía oscura es la quinta fuerza de la naturaleza.

    Estiman los que saben que la energía oscura lleva a la disolución del cosmos, menos denso día a día, haciéndolo evaprarse el vacío.

    El vacío, que es como un mar pleno de partículas virtuales: aparece un par, vive un instante, y vuelven al mar donde nacieron.

    En física clásica existe lo que los profes llaman la presión de vapor (http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor); la concentración de moléculas a partir de la que el número de moléculas que pasan a gas iguala al de las que vuelven al líquido originario.

    ¿podría haber en el universo una especia de “presión de vacío”? Que el universo estuviera en un equilibrio dinámico, saturado de materia; la cantidad de materia -virtual- que se cree, será inmediatamente desintegrada.

    Quizá el extremado vacío, -esa menguante densidad de materia que nos lleva al “big rip” debido a la energía oscura- haga que las partículas virtuales que constantemente se crean/destruyen. se “desvirtualice” dando lugar a nueva materia.

    No sería lo de Hoyle, que imaginaba la creación continua de átomos “This means you will remember that in a volume equal to 10 litres about one atom is created in two thousand million years”, sino algo aún mas difícil de detectar: la creación contínua de partículas elementales.

    Bien pensado, quizá no se necesite siquiera al Big Bang: el universo es un sistema cerrado en equilibrio dinámico materia/vacío, en constate, eterna evolución.

    • Abuela, te refieres a la quintaesencia, la posibilidad de que la energía oscura sea el resultado de un campo escalar (similar al Higgs, pero que no es atractivo para la gravedad, sino repulsivo). El problema con esta idea es que no hay un modelo cuántico claro (la teoría cuántica de campos predice que la gravedad debe actuar de forma atractiva en un campo escalar). Se han propuesta modelos exóticos (algunos les llaman “campos fantasmas” porque contradicen el teorema CPT y otras leyes físicas asumidas por todo el mundo). Pero, abuela, recuerda que no hay argumentos físicos sólidos para su existencia, ni tampoco indicios experimentales claros. Por todo ello, la mayoría de los físicos cree que la energía oscura es la constante cosmológica (es decir, la energía del vacío) e ignora los modelos de quintaesencia que estuvieron muy de moda en la década de los 1980 (y que ahora algún que otro físico quiere recuperar).

      Por otro lado, la quintaesencia no tiene nada que ver con las ideas de Hoyle y la creación continua de materia.

  2. Hola, anciana abuela, las cuestiones que planteas no tienen fácil solución.

    “Estiman los que saben que la energía oscura lleva a la disolución del cosmos, menos denso día a día, haciéndolo evaporarse el vacío”…

    Si malamente sabemos lo que es la materia oscura, imagina saber algo acerca de la energía oscura. Básicamente lo que planteas es el efecto de la entropía de la energía oscura en la materia ordinaria. Sin embargo la estabilidad el sol y el sistema planetario no depende de la energía oscura para evaporarse sino de la contracción de la estrella por agotamiento de su reserva de hidrógeno.

    “En física clásica existe lo que los profes llaman la presión de vapor […] la concentración de moléculas a partir de la que el número de moléculas que pasan a gas iguala al de las que vuelven al líquido originario”…

    ¿Qué relación hay entre la energía oscura y la dinámica de los gases? No veo una relación causal.

    “¿podría haber en el universo una especia de “presión de vacío”? Que el universo estuviera en un equilibrio dinámico, saturado de materia; la cantidad de materia -virtual- que se cree, será inmediatamente desintegrada”…

    Podría haberla, pero el sol está ahí hace 4.500 millones de años y no se desintegra.

    “Quizá el extremado vacío, -esa menguante densidad de materia que nos lleva al “big rip” debido a la energía oscura- haga que las partículas virtuales que constantemente se crean/destruyen. se “desvirtualice” dando lugar a nueva materia”…

    Si hay creación de nueva materia la energía oscura neutraliza la entropía que genera, o eso me parece.

    “Bien pensado, quizá no se necesite siquiera al Big Bang: el universo es un sistema cerrado en equilibrio dinámico materia/vacío, en constante, eterna evolución”.

    ¿Sistema cerrado? No lo tengo claro. Desde el punto de vista térmico tiene que haber disparidad de temperaturas para que se produzca trabajo, las estrellas similares al sol logran su estabilidad por miles de millones de años porque el equilibrio dinámico no es tal, aun cuando sea un sistema cerrado. Hay diferencias de temperatura en el interior de la estrella y fuera de ella. Es decir, los objetos como la estrellas realizan trabajo radiativo porque su dinamismo tiende al desequilibrio, aumenta la entropía. A medida que en un sistema cerrado aumenta la entropía la energía se dispersa por medio de múltiples transformaciones, entonces la probabilidad de que se mantenga la complejidad de las estructuras disminuye. El mantenimiento de las estructuras requiere trabajo, cuanto más aumenta la entropía más energía se vuelve inutilizable y por tanto menos trabajo puede realizarse.

    La paradoja inherente a la entropía es que el trabajo se realiza en condiciones de desequilibrio, para el supuesto térmico esto sucede por las diferencias de temperatura.

    Si la hipótesis de Hoyle es correcta, no hay que descartar que la materia oscura catalice la creación de materia ordinaria.

    • Hombre, tampoco me toméis demasiado en serio. Francis sabe que no soy “del gremio”.

      De hecho empecé el comentario con una idea totalmente distinta, y poco a poco me fui dando cuerda.

      …el tema es que a lo del Big Bang, desde mi punto de vista, cada día le salen mas goteras; de jovencita yo me lo iba creyendo todo a pies juntillas, hasta que llegó Guth con la copla de la Inflación. Me pareció algo así como hacerse trampas en el solitario…

      …los científicos tenéis “obligación” de creer en esas cosas, pero los de fuera podemos echarle hilo a la cometa. ;)

      Un saludo para los dos.

  3. Lo del big bang es una cosa rara que al parecer comienza con el abad Lemaître y Gamow y que adquirió movimiento uniforme con la ayuda de la fantasía y los medios de comunicación. Ser o no ser del gremio no quita para estudiar y pulir el asunto de la entropía y tratar de discernir las sutilezas de los sistemas cerrados y abiertos, así que puedes echarle hilo a la cometa, no hay problema ;-)

  4. La querencia del abad Lemaître por la gran explosión tiene explicación; al ser un sacerdote católico transcribe a su modelo la creación ex-nihilo del universo por Dios tal como dice la Biblia. Aunque Lemaître utiliza una partícula mediadora entre Dios y la creación cósmica, un átomo primordial que se despliega por el espacio tiempo. Entonces tenemos cuatro vectores que impulsan esa cosa rara llamada big bang: la fantasía, la religión, los medios de comunicación y ciertas conjeturas científicas. No niego que haya aspectos interesantes en este asunto, de hecho los hay, pero también hay goteras.

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