Cosmologia: origen i evolució de l’Univers Eduard Salvador Dept. d’Astronomia i Meteorologia UB

Índex Primera sessió: I. Visió de l’Univers al llarg del temps L’home i el cosmos (1/2 h) El model del Big Bang (1 h) A la frontera del nostre coneixement (1/2 h) Segona sessió: II. Algunes conseqüències Per a la vida (1/2 h) Per a l’home (1/2 h)

I. Visió de l’Univers al llarg del temps

L’home i el cosmos L’home, dotat de raonament lògic causal, ha sentit des de sempre la necessitat de comprendre la seva pròpia existència i la realitat que l’envolta 1. Visió transcendent (mitològica-religiosa), amb suport empíric i teòric mínim... Tot ha estat creat per un ser superior L’Univers té un inici i un final en el temps L’home és la finalitat última de la creació L’Univers no té sentit sense l’home

L’home i el cosmos 2. Visió clàssica (filosòfica), fruit de l’experiència i el raonament lògic, fugint de les idees mitològiques i religioses: L’univers és immutable El temps no té ni inici ni fi El moviment cíclic del cel (la perfecció està en el cel) El cicle de la vida L’únic canvi és repetició (la lliçó de la història) El futur es pot conèixer (visió determinista) L’univers és homogeni o té un centre No té límits com el temps i és homogeni o bé... Atenent a la perfecció del cercle i de l’esfera... L’univers gira al voltant de l’home que es troba al seu centre

L’home i el cosmos L’univers és homogeni L’univers és canviant 3. Visió moderna (científica), fruit dels avenços empírics (observació astronòmica, experiments físics) i teòrics (llei de gravitació i altres lleis de la física però també de la biologia, química,...) L’univers és homogeni L’home no és el centre de l’univers (principi de mediocritat) La Terra no és el centre de l’Univers (revolució Copernicana) L’univers no té centre (gravitació de Newton) Hi ha algú més aquí? L’univers és canviant Les espècies animals i vegetals evolucionen (Darwin) El propi univers evoluciona (Friedman) El temps i l’espai poden tenir un inici (gravitació quàntica) Tot canvia i res no torna a ser igual (futur incert) Tanmateix hi han algunes regularitats en l’evolució (lliçons...)

Resistència natural als canvis de paradigma La revolució copernicana No som al centre de l’Univers. Resistència per part de l’establishment (problemes de G. Bruno i G. Galilei; avui dia aceptat) La revolució darwiniana/friedmaniana L’Univers no és immutable, evoluciona Resistència fins i tot dels científics (ex. Newton, Einstein, Hubble,...) Encara hi ha resistència (ex. Creacionisme; l’Església ha acabat aceptant-ho)

El model del Big Bang

Com ho podem saber? Observant el cel

L’home i el cosmos Visió actual, fruit de l’observació moderna i les teories científiques comprobades: L’home no és al centre de l’Univers (Copèrnic) No obstant, les observacions indiquen que l’univers és ISOTROPIC En conseqüència, ha de ser HOMOGENI (com creia Newton): Principi Cosmològic Nota: el Principi Cosmològic també ens diu que hi ha vida a altres llocs... L’Univers no és immutable Les observacions mostren que l’univers s’EXPANDEIX uniformement d’acord amb la seva homogeneitat (Hubble) Per tant, tot té necessàriament un inici (Friedmann) La possibilitat de retrocedir en el temps fins t=0 només està limitat pels nostres coneixements científics actuals (gravitació quàntica)

Més gravitació... Quatre interaccions conegudes: forces nuclears forta, dèbil, electromagnètica y gravitatòria La gravetat tot i ser la més feble és l’única que subsisteix a grans distàncies L’expansió és necessàriament frenada (o no?) Dues teories de la gravitació La gravitació universal de Newton (sempre atractiva) La relativitat general d’Einstein (pot ser atractiva o repulsiva segons una constant: la cons. cosmològica)

Per què la relativitat general? La gravitació de Newton sembla funcionar prou bé Però no té en compte la igualtat entre massa inert i massa greu (Galileu) Tampoc té en compte que la llum va sempre a la mateixa velocitat (Mikelson-Morley) La relativitat general inclou aquests dos fets empírics com a principis Si la llum va sempre a la mateixa velocitat és perquè l’espai i el temps estan íntimament lligats ( E=mc2) Si no podem distingir localment entre sistemes inercials lluny de tot camp de pesantor i sistemes en caiguda lliura és perquè els cossos descriuen geodèsiques en un espai-temps curvat en presència de massa-energia (  Λ)

El model del Big Bang explica satisfactòriament... La llei empírica de Hubble: v = H0 d L’edat observada de tots els objectes còsmics: t < 13.700 millons d’anys Les abundàncies còsmiques de tots els elements: 90% d’H 9,99% d’He 0,01% altres La radiació còsmica de microones: T = 2.725 K i T/T = 10-5 Les propietats que mostren les galàxies: morfologies, lluminositats, colors, abundàncies, etc.

A la frontera del nostre coneixement

Inflació o l’origen de la matèria i les seves interaccions Per què l’univers és homogeni fins i tot a escales a les quals la matèria no ha tingut temps d’interaccionar? Per què l’espai no mostra curvatura? Com va aparèixer la matèria i la gran quantitat de fotons que hi ha avui dia per cada barió? Totes aquestes qüestions i d’altres més subtils (com ara la manca de defectes topològics) troben una explicació natural en algunes teories segons les quals, als moments inicials, l’univers es va expandir acceleradament a conseqüència de l’energia del buit associada a una única interacció primordial... de manera que les partícules materials s’allunyaven entre si més ràpidament que la velocitat de la llum

Encara per comprendre: massa i energia fosques El moviment dels cossos ens informa sobre la gravetat, o sigui, sobre la cantitat de massa present a l’Univers Hi ha més massa de la que veiem: MASSA FOSCA La curvatura de l’espai ens informa sobre el valor de la constant cosmològica Λ és no nul·la: ENERGIA FOSCA No sabem que ho causa però sabem la seva conseqüència: L’univers s’expandeix acceleradament!

II. Algunes conseqüències

Anàlisi de l’evolució Atzar o necessitat? Estabilitat o canvi? Tot el que pot ésser acaba sent Estabilitat o canvi? Tot el que no és estable no apareix a la foto Ordre o caos? L’evolució assenyala una direcció en el temps Ambdós: l’atzar en grans nombres esdevé certesa; tot acaba produïnt-se, a un lloc o un altre, amb la seva probabilitat natural Ambdós: el canvi és construeix sobre el que ja existeix i romà; cal un mínim d’estabilitat per a que pugui haver-hi evolució Ambdós: a partir d’estructures d’un nivell donat es generen estructures més grans i complexes, però a costa d’augmentar l’entropia global de l’univers

Conseqüències per a la vida

Hi ha altra vida (intel·ligent) Equació de Drake (1961) per a nombre de civilitzacions que podem contactar: N = R* · fp · ne · fl · fi · fc · L N : the number of civilizations in our galaxy with which communication might be possible R* : the average rate of star formation in our galaxy fp : the fraction of those stars that have planets ne : the average number of planets that can potentially support life per star that has planets fl : the fraction of planets that could support life that actually develop life at some point fi : the fraction of planets with life that actually go on to develop intelligent life fc : the fraction of civilizations that develop a technology L : the length of time for which such civilizations release detectable signals into space Però el que ens interessa és nombre de civilitzacions (no si els podem contactar): N = R* · L’ · fp · ne · fl · fi L’ : the length of time for which current stars have been forming (the age of our galaxy) Pel principi de mediocritat i univers infinit: Hi hauria d’haver molta vida (intel·ligent) A l’espai: Nombre de civilitzacions en una galàxia típica (fòrmula de F. Drake) Coneixem R* · L’ (109) i fp (1). També comencem a conèixer ne (~ 0.1). Però encara ens manca fl (astrobiologia) i fi (genètica, antropologia) I en el temps? La cosmologia que hi diu? És una qüestió de diferents temps Cal que s’hagin format els elements lleugers: t > trec = 3 mn Cal que l’univers s’hagi refredat: t > trec = 380.000 y Cal que s’hagin format les galàxies: t > teq ~ 1 Gy Cal que s’hagin format prou elements pesants: t > t* ~ 8 Gy Cal que puguin aparèixer animals pluricel.lulars: t > t* + 4.5 Gy = 12.5 Gy Cal que tingui temps amb aparèixer la intel·ligència: t > t* + 4.5 Gy + 1 Gy = 13.5 Gy Sembla doncs que finalment no és tan probable… Som potser uns del primers sers intel·ligents: t = 13.8 Gy > 13.5 Gy

Conseqüències per a l’home

Implicacions ètiques Hem de ser conscients del canvi i les seves característiques Hem de ser conscients de que generem canvi (i desordre) Hauríem de decidir una actitud davant de les conseqüències de la nostra vida (o no?)

Implicacions ètiques Hem de ser conscients del canvi i les seves característiques El futur és obert. El present concret es va construint a cada instant influenciat (no determinat) pel passat L’evolució no és linial: hi ha evolucions i revolucions. Cal estar preparats Res escapa al canvi, ni el ser humà (físicament i espiritual), ni la societat, ni l’espècie, ni la Terra... L’evolució de l’univers té una finalitat?

Implicacions ètiques Hem d’adoptar una actitud davant t del canvi Cal prendre mesures urgents Podem desaparèixer com espècie (no tindria res d’estrany) Però també podem construir un futur de nivell més elevat (hominització/humanització, colonització de la galàxia) Dues actituds no destructives Intentar mantenir-ho tot igual (sostenibilitat) Guiar el canvi per a que ens sigui favorable Només una de possible a llarg termini La sostenibilitat no és cap solució a llarg termini

Conclusions No som el centre de l’univers. Només en som una petita peça prescindible més. L’univers, lluny de ser immutable, canvia constantment. Res està escrit: el que passa en cada moment condiciona el futur. El futur de la humanitat depèn de nosaltres que tingui continuïtat. Hem de ser conscients dels perills i oportunitats. Hem d’avançar en la ciència i tecnologia, les quals constitueixen la nostra única esperança de futur.

Fi

Implicacions ètiques Hem de ser conscients de que generem canvi Els nostres actes poden tenir repercussions importants Per a nosaltres mateixos Per altri Les condicions de contorn i tendències són complicades Recursos limitats, augment població Interessos a curt termini passen per davant dels a llarg termini Estructures no adaptades a les noves situacions El canvi s’accelera; estem en una situació crítica Perills: les condicions de l’entorn es degraden ràpidament (destrucció de la biodiversitat, canvi climàtic, esgotament energètic, armament nuclear,...) Oportunitats: la ciència i la tecnologia poden aportar la solució (informació i comunicacions, biotecnologia, carrera espacial,...)