Univers

Moltes cultures tenen histories que descriuen l'origen del mon, que poden ser agrupades en diferents tipus. En un tipus d'histories, el mon neix a partir d'un ou cosmic; entre aquesta mena d'histories, hi ha el poema epic fines Kalevala, la historia xinesa de Pangu o la historia india de Brahmanda Purana. En moltes histories, la creacio emana d'una entitat que l'excreta, com en el concepte d'Adi-Buddha del budisme tibeta, la historia grega de Gaia (Mare Terra), la dea asteca Coatlicue o el deu Atum de l'antic Egipte. En altres histories, el mon es creat de la unio d'un parell de deitats masculina i femenina, com en el mite maori de Rangi i Papa. En altres histories, l'Univers es creat a partir de materials preexistents, com el cos d'un deu mort -com per exemple Tiamat en el poema epic babilonic Enuma Elish o el gegant Ymir en la mitologia nordica- o de materials caotics, com passa amb Izanagi i Izanami en la mitologia japonesa. En altres tipus d'histories mitologiques, el mon es creat per ordre d'una divinitat, com en la historia egipcia de Ptah o el mite biblic del Genesi. En altres histories, l'Univers emana de principis fonamentals com el Brahman i el Prakrti, o el yin i el yang del Tao.

Els models filosofics mes antics coneguts de l'Univers es troben en els Vedes, els primers texts de la filosofia india i hindu que daten de finals del segon mil*lenni aC. Descriuen la cosmologia hindu segons la qual l'Univers pateix cicles repetitius de creacio, destruccio i renaixement, i te cada cicle uns 4.320.000 anys. L'antiga filosofia hinduista i budista tambe va desenvolupar el mite de la distincio dels cinc elements classics: Vayu (aire), Ap (aigua), Agni (foc), Prithvi/Bhumi (terra) i Akasha (eter). En el segle vi aC, Kanada, fundador de l'escola Vaisheshika, va desenvolupar el model de l'atomisme i va proposar que la llum i el calor eren varietats de la mateixa substancia.^[5] En el segle v aC, el filosof atomista budista Dignaga va proposar que l'atom era un punt fet d'energia duradora. Negava l'existencia de materia substancial i va proposar que el moviment consistia en flaixos momentanis de corrents d'energia.^[6]

Des del segle vi aC, els filosofs presocratics varen desenvolupar els primers models coneguts de l'Univers del mon occidental. Els primers filosofs grecs varen percebre que les aparences poden ser enganyoses i varen provar d'estudiar la realitat subjacent darrere les aparences. En particular, es varen adonar de l'habilitat de la materia per canviar de formes (p. ex., gel-aigua-vapor d'aigua) i diversos filosofs varen proposar que tots els aparents materials diferents del mon (fusta, metall, etc.) eren tots diferents manifestacions d'un mateix material, l'arque. El primer a fer-ho va ser Tales, que va anomenar aigua aquest material. Mes tard, Anaximenes el va anomenar aire, i va deixar escrit que hi ha d'haver diferents forces atractives i repulsives que fan que l'arkhe es condensi o disgregui en diferents formes. Empedocles va proposar que els materials fonamentals eren necessaris per a explicar la diversitat de l'Univers i va proposar que tots els quatre elements classics (terra, aire, foc i aigua) existien, encara que en diferents formes i combinacions. Aquest model de quatre elements va ser adoptat per diversos dels filosofs posteriors. Alguns filosofs d'abans d'Empedocles advocaven menys questions materials de l'arkhe; Heraclit arguia per un logos, Pitagores creia que l'existencia estava composta de nombres, mentre que l'estudiant de Tales, Anaximandre, va proposar que tot estava compost d'una substancia caotica anomenada apeiron, que mes o menys es correspon amb el concepte modern d'escuma quantica. El model de l'apeiron va patir diverses modificacions, i fou la mes notable la d'Anaxagores, que proposava que les diverses materies del mon eren el resultat d'apeirons de rotacio rapida, posats en moviment pel principi de nous ('ment'). Encara altres filosofs --en destaquen Leucip i Democrit-- varen proposar que l'Univers estava compost d'atoms individuals movent-se a traves d'espai buit; Aristotil es va oposar a aquest punt de vista (<>) sobre la base que la resistencia al moviment augmenta amb la densitat; per tant, l'espai buit no hauria d'oferir resistencia al moviment, obrint les portes a una velocitat infinita.

El fet que l'Univers estigui en expansio es deriva de les observacions del desplacament cap al roig fetes a la decada de 1920 i que es quantifiquen per la llei de Hubble. Aquestes observacions son la prediccio experimental del model Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker, que es una solucio de les equacions de camp d'Einstein de la relativitat general, que prediuen l'inici de l'Univers mitjancant un big-bang.

El desplacament cap al roig es refereix al fet que els astronoms han observat que hi ha una relacio directa entre la distancia a un objecte remot (com una galaxia) i la velocitat amb que s'esta allunyant. En canvi, si aquesta expansio ha estat continua en tota l'edat de l'Univers, llavors en el passat aquests objectes distants que continuen allunyant-se van haver d'estar una vegada junts. Aquesta idea dona peu a la teoria del big-bang; el model dominant en la cosmologia actual.

Durant l'era mes primerenca del big-bang, es creu que l'Univers era un calent i dens plasma. A mesura que anava avancant l'expansio, la temperatura anava caient a ritme constant, fins al punt en que els atoms es van poder formar. En aquella epoca, l'energia de fons es desacoblava de la materia i va ser lliure de viatjar a traves de l'espai. L'energia sobrant va continuar refredant-se a mesura que s'expandia l'Univers i avui forma el fons cosmic de microones. Aquesta radiacio de fons es remarcablement uniforme en totes direccions, circumstancia que els cosmolegs han intentat explicar com a reflex d'un periode d'hora d'inflacio cosmica despres del big-bang.

L'examen de les petites variacions en el fons de radiacio de microones proporciona informacio sobre la naturalesa de l'Univers , incloent-hi l'edat i la composicio. L'edat de l'Univers des del big-bang, d'acord amb la informacio actual proporcionada pel WMAP de la NASA, s'estima en uns 13.700 milions d'anys, amb un marge d'error d'un 1% (137 milions d'anys). Altres metodes d'estimacio ofereixen diferents rangs d'edat, des d'11.000 milions a 20.000 milions. En el llibre del 1977 Els primers tres minuts de l'Univers, el Premi Nobel Steven Weinberg mostra la fisica que va ocorrer just moments despres del big-bang. Els descobriments addicionals i els refinaments de les teories van fer que l'actualitzes i reedites el 1993.

Fins fa poc, la primera centesima de segon era mes aviat un misteri, impedint a Weinberg i a altres descriure exactament com era l'Univers. Els nous experiments en l'RHIC, en el Brookhaven National Laboratory, han proporcionat als fisics una llum en aquesta cortina d'alta energia, de tal manera que poden observar directament els tipus de comportament que podien haver tingut lloc en aquell instant.^[7]

En aquestes energies, els quarks que componen els protons i els neutrons no estaven junts, i una barreja densa supercalenta de quarks i gluons, amb alguns electrons, era tot el que podia existir en els microsegons anteriors que es refredessin prou per formar el tipus de particules de materia que observem avui en dia.^[8]

Els rapids avencos sobre el que va passar despres de l'existencia de la materia aporten molta informacio sobre la formacio de les galaxies. Es creu que les primeres galaxies eren febles <>, que emetien tanta radiacio que separarien els atoms gasosos dels seus electrons. Aquest gas, al seu torn, s'estava escalfant i expandint, i tenia la possibilitat d'obtenir la massa necessaria per a formar les grans galaxies que coneixem avui.^[9][10]

El desti final de l'Univers te diversos models que expliquen el que succeira en funcio de diversos parametres i observacions. A continuacio, s'expliquen els models fonamentals mes acceptats:

La mida de l'Univers es una questio oberta. De fet, encara no hi ha acord sobre si es finit o infinit. De tota manera, si que es pot estimar la mida de l'univers observable, que es finit i consisteix en tot allo que podria haver afectat la Terra des del big-bang, tenint en compte la velocitat de la llum. Es calcula que l'univers observable podria ocupar un volum de 5 x 1032 anys llum cubics, amb 7 x 10²² estels, organitzats en unes 1010 galaxies. Observacions recents amb el telescopi espacial Hubble indiquen que aquest nombre podria ser superior.

Normalment, les referencies a l'Univers, tant per a afeccionats com per a professionals, solen fer referencia per defecte a aquest univers observable o visible. De fet, en contradiccio aparent amb les teories de Copernic, nosaltres estem situats al centre de l'univers observable. Aixo es aixi perque l'univers visible es precisament tot allo que es troba a una certa distancia de nosaltres, i que pot haver interaccionat amb nosaltres durant la historia de l'Univers.

Una pregunta important oberta en cosmologia es la forma de l'Univers. Matematicament, quina 3-varietat representa millor la part espacial de l'Univers?

La primera, que si l'Univers es espacialment pla, es desconeix si les regles de la geometria euclidiana son valides a major escala (encara que es creu que no es pla l'Univers, pero no es te res segur). Actualment, molts cosmolegs creuen que l'univers observable esta molt a prop de ser espacialment pla, amb arrugues locals en que els objectes massius distorsionin l'espaitemps, de la mateixa manera que la superficie del llac es gairebe plana. Aquesta opinio va ser reforcada per les ultimes dades del WMAP, mirant cap a les <> de les variacions de temperatura a la radiacio de fons de microones.

Segon, es desconeix si l'Univers es multiplement connex. L'Univers no te cotes espacials d'acord amb el model estandard del big-bang, pero no obstant aixo ha de ser espacialment finit (compacte). Aixo es pot comprendre utilitzant una analogia en dues dimensions: la superficie d'una esfera no te limit, pero no te una area infinita. Es una superficie de dues dimensions amb curvatura constant en una tercera dimensio. La 3-esfera es un equivalent en tres dimensions en la qual les tres dimensions estan constantment corbades en una quarta.

Si l'Univers fos compacte i sense cotes, seria possible, despres de viatjar una distancia suficient, tornar al punt de partida. Aixi, la llum de les estrelles i les galaxies podria passar a traves de l'univers observable mes d'una vegada. Si l'Univers fos multiplement connex i prou petit (i d'una mida apropiada, tal vegada complex), aleshores possiblement es podria veure una o diverses vegades al voltant d'aquest en alguna (o totes) direccions. Encara que aquesta possibilitat no ha estat descartada, els resultats de les darreres investigacions de la radiacio de fons de microones fan que aixo sembli improbable.

L'univers observable actual sembla tenir un espaitemps geometricament pla, contenint una densitat massa-energia equivalent a 9,9 x 10^-30 grams per centimetre cubic. Els constituents primaris semblen consistir en un 73% d'energia fosca, 23% de materia fosca freda i un 4% d'atoms. Aixi, la densitat dels atoms equivaldria a un nucli d'hidrogen senzill per cada quatre metres cubics de volum.^[11] La naturalesa exacta de l'energia fosca i la materia fosca freda continua sent un misteri. Actualment, s'especula que el neutri (una particula molt abundant en l'Univers) tingui, encara que minima, una massa. En cas de comprovar-se aquest fet, podria significar que l'energia i la materia fosca no existeixen.

Durant les primeres fases del big-bang, es creu que es van formar les mateixes quantitats de materia i antimateria. Materia i antimateria haurien d'eliminar-se mutuament en entrar en contacte, per la qual cosa l'actual existencia de materia (i l'absencia d'antimateria) suposa una violacio de la simetria CP (vegeu violacio CP), per la qual cosa pot ser que les particules i les antiparticules no tinguin propietats exactament iguals o simetriques,^[12] o pot ser que simplement les lleis fisiques que regeixen l'Univers afavoreixin la supervivencia de la materia davant l'antimateria.^[13] En aquest mateix sentit, tambe s'ha suggerit que potser la materia fosca sigui la causant de la bariogenesi en interaccionar de diferent manera amb la materia que amb l'antimateria.

Abans de la formacio de les primeres estrelles, la composicio quimica de l'Univers consistia primariament en hidrogen (75% de la massa total), amb una quantitat menor d'heli-4 (⁴He) (24% de la massa total) i la resta d'altres elements.^[14] Una petita porcio d'aquests elements estava en la forma de l'isotop deuteri (2H), heli-3 (³He) i liti (⁷Li).^[15] Consequentment, la materia interestel*lar de les galaxies ha estat enriquida sense parar per elements mes pesants. Aquests s'han introduit com a resultat de les explosions de supernoves, els vents estel*lars i l'expulsio de la coberta exterior d'estrelles desenvolupades.

El big-bang va deixar darrere un flux de fons de fotons i neutrins. La temperatura de la radiacio de fons ha minvat sense parar amb l'expansio de l'Univers i ara, fonamentalment, consisteix en l'energia de microones equivalent a una temperatura de 2,725 K.^[16] La densitat del fons de neutrins actual es sobre 150 per centimetre cubic.^[17]

Un terme per a univers entre els filosofs grecs antics a partir de Pitagores va ser to pan (to pan) 'tot', definit com tota la materia i tot l'espai, i to olon (to holon) 'totes les coses', que no necessariament incloia el buit.^[19][20] Un altre sinonim era o kosmos (ho kosmos) que significa 'el mon, el cosmos'.^[21]