En
cosmología física, la
teoría del Big Bang o
teoría de la gran explosión es un
modelo científico que trata de explicar el origen del
Universo y su desarrollo posterior a partir de una
singularidad espaciotemporal. Técnicamente, este modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la
relatividad general, llamados
modelos de Friedmann- Lemaître - Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión observable del Universo (cuantificada en la
ley de Hubble), como en un sentido más general para referirse al
paradigma cosmológico que explica el origen y la
evolución del mismo.
Descripción del Big Bang
Michio Kaku ha señalado cierta paradoja en la denominación
big bang (gran explosión): en cierto modo no puede haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del
espacio-tiempo, habría sido el mismo big bang lo que habría generado las
dimensiones desde una
singularidad; tampoco es exactamente una explosión en el sentido propio del término ya que no se propagó fuera de sí mismo.
Basándose en medidas de la expansión del Universo utilizando observaciones de las
supernovas tipo 1a, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en función de la
correlación de las galaxias, la
edad del Universo es de aproximadamente 13,7 ± 0,2 miles de millones de años. Es notable el hecho de que tres mediciones independientes sean consistentes, por lo que se consideran una fuerte evidencia del llamado
modelo de concordancia que describe la naturaleza detallada del Universo.
El universo en sus primeros momentos estaba lleno
homogénea e
isótropamente de una
energía muy densa y tenía una temperatura y presión concomitantes. Se expandió y se enfrió, experimentando
cambios de fase análogos a la
condensación del vapor o a la congelación del agua, pero relacionados con las
partículas elementales.
Aproximadamente 10
-35 segundos después del
tiempo de Planck un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma
exponencial durante un período llamado
inflación cósmica. Al terminar la
inflación, los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un
plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma
relativista. Con el crecimiento en tamaño del Universo, la temperatura descendió, y debido a un cambio aún desconocido denominado
bariogénesis, los
quarks y los
gluones se combinaron en
bariones tales como el
protón y el
neutrón, produciendo de alguna manera la
asimetría observada actualmente entre la
materia y la
antimateria. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron la
simetría, así que les dieron su forma actual a las
fuerzas fundamentales de la física y a las
partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los
núcleos de
deuterio y de
helio, en un proceso llamado
nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la
radiación. Pasados 300.000 años, los
electrones y los núcleos se combinaron para formar los
átomos (mayoritariamente de
hidrógeno). Por eso, la radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es la
radiación de fondo de microondas.
Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas, formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se denominan
materia oscura fría,
materia oscura caliente y
materia bariónica. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el universo es la
materia oscura fría. Los otros dos tipos de materia sólo representarían el 20 por ciento de la materia del Universo.
El Universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como
energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del universo es el hecho de que provoca que la
expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el
espacio-tiempo se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía oscura toma la forma de una
constante cosmológica en las
ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta
ecuación de estado y su relación con el
modelo estándar de la física de partículas continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por medio de observaciones.
Más misterios aparecen cuando se investiga más cerca del principio, cuando las energías de las partículas eran más altas de lo que ahora se puede estudiar mediante experimentos. No hay ningún modelo físico convincente para el primer 10
-33 segundo del universo, antes del cambio de fase que forma parte de la
teoría de la gran unificación. En el "primer instante", la teoría gravitacional de Einstein predice una
singularidad gravitacional en donde las densidades son infinitas. Para resolver esta
paradoja física, hace falta una teoría de la
gravedad cuántica. La comprensión de este período de la historia del universo figura entre los mayores
problemas no resueltos de la física
