Modelos de los Primeros Eventos

Para modelar la cosmología del Big Bang en los primeros tiempos de los indicados en los Primeros Tres Minutos, de Weinberg, se han propuesto ciertos regímenes de tiempo con los tipos de eventos que podrían haber sucedido en aquellos momentos.

Antes del Tiempo de Planck 1

Antes del tiempo clasificado como tiempo de Planck, 10^-43 segundos, todas las cuatro fuerzas fundamentales se presumía que estaban unificadas en una sola fuerza. Toda la materia, energía, espacio y tiempo se suponía que se dispararon hacia el exterior desde una singularidad original. No se sabe nada de este período.

Tampoco es que sepamos mucho acerca de períodos posteriores, es sólo que no tenemos verdaderos modelos coherentes de lo que podría suceder bajo tales condiciones. La unificación electrodébil ha sido apoyada por el descubrimiento de las patículas W y Z, y se puede utilizar como una plataforma de debate sobre el siguiente paso, la Teoría de la Gran Unificación (GUT). La unificación final ha sido llamada "teoría de la supergran unificación", y cada vez más popular es la denominada "Teoría del Todo" (TOE). Sin embargo, "las teorías del todo" están separadas por dos grandes saltos, más allá de los experimentos que se pueda desear hacer en la Tierra.

Era del Tiempo de Planck 1

En la era de alrededor del tiempo de Planck 1, 10^-43 segundos, se proyecta por el modelado actual de las fuerzas fundamentales, que la fuerza de la gravedad comienza a diferenciarse de las otras tres fuerzas. Esta es la primera de las roturas espontáneas de la simetría, que desembocan en los cuatro tipos de interacciones observadas en el universo actual.

Mirando hacia atrás, la idea general es que más allá del tiempo de Planck 1, no podemos hacer observaciones significativas en el marco de la gravitación clásica. Una forma de abordar la formulación del tiempo de Planck es presentada por Hsu. Una de las características de un agujero negro es que hay un horizonte de sucesos a partir del cual no se puede obtener ninguna información - escalas más pequeñas de esa están ocultas al mundo exterior -. Para una masa dada cerrada, este límite es del orden de

donde G es la constante gravitacional y c es la velocidad de la luz. Pero desde el principio de incertidumbre y de la longitud de onda de DeBroglie, podemos inferir que la escala mas pequeña a la que podríamos situar el horizonte de sucesos, sería la longitud de onda de Compton.

Igualando L y λ, obtenemos una masa característica llamada la masa de Planck:

Sustituyendo esta masa en una de las expresiones de la longitud, da la longitud de Planck

y el tiempo de viaje de la luz a través de esta longitud se denomina tiempo de Planck:

Téngase en cuenta que este es un tiempo característico, por lo que su orden de magnitud es lo que debe tenerse en cuenta. A veces se define con la longitud de onda de arriba dividida por 2π, así que no se debe preocupar por el número de dígitos significativos

Separación de la Interacción Fuerte

En un tiempo alrededor de 10^-36 segundos, los actuales modelos proyectan la separación de la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales. Antes de este tiempo las otras fuerzas salvo la gravedad se unificarían en lo que se llama la gran unificación. La ruptura espontánea de la simetría que se produce en esta época, distinguirá como una interacción independiente a la fuerza que mantendrá los núcleos juntos en épocas posteriores.

En la década de 1970, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron la gran unificación de las fuerzas fuerte, débil y electromagnética en energías por encima de 10¹⁴ GeV. Si el concepto ordinario de la energía térmica se aplicase en tales ocasiones, se requeriría una temperatura de 10²⁷ K para que la energía promedio de la partícula sea de 10¹⁴ GeV.

A pesar de que la fuerza fuerte era distinta de la gravedad y la fuerza electrodébil en esta época, el nivel de energía es aún demasiado alto para que la fuerza fuerte pueda mantener los protones y neutrones juntos, por lo que el universo sigue siendo un "mar de quarks chisporroteante".

Período Inflacionario

Provocado por la ruptura de la simetría que separa a la fuerza nuclear fuerte, los modelos indican una fase extraordinaria inflacionaria en la era que va de 10-36 segundos a 10-32 segundos. Se presume que ocurrió mas expansión en ese instante que en el periodo entero transcurrido desde entonces (14 mil millones de años). En este tiempo increíblemente breve, la época inflacionaria, el universo pudo haberse ampliado por 1020 o 1030. La hipótesis inflacionaria ofrece una manera de lidiar con el problema del horizonte y el problema de la planitud de los modelos cosmológicos.

Lemonick y Nash en un artículo de divulgación para la revista Time describen la inflación como una "enmienda al Big Bang original" de la siguiente manera: "cuando el universo tenía menos de una milmillonésima de una milmillonésima de una milmillonésima parte de un segundo de edad, pasó por un breve período de expansión extraordinaria, inflándose desde el tamaño de un protón al tamaño de un pomelo (y por lo tanto expandiendose a muchas, muchas veces la velocidad de la luz). Luego, la expansión se redujo a un ritmo mucho más imponente. Improbable como suena la teoría, esta se ha mantenido en cada observación que los astrónomos han logrado hacer ".

Período Quark-Antiquark

A medida que termina el período inflacionario, el universo consiste principalmente de energía en forma de fotones, y las partículas que existen no pueden unirse a partículas estables más grandes debido a la enorme densidad de energía. Existirían como una colección de quarks y antiquarks junto con sus partículas de intercambio, un estado que se ha descrito como un "mar chisporroteante de quarks". Este período de tiempo se estima desde 10^-32 segundos a 10^-5 segundos. Durante este período, las fuerzas electromagnética y débil experimentan la ruptura final de la simetría, terminando la unificación electrodébil en aproximadamente 10^-12 segundos.

Confinamiento del Quark

Cuando la expansión de la "bola de fuego primordial" se hubo enfriado a 10¹³ Kelvin en un tiempo modelado de aproximadamente 10^-6 segundos, las energías de colisión se redujeron a aproximadamente 1 GeV y los quarks finalmente pudieron ligarse entre sí para formar protones y neutrones (y presumiblemente otros bariones.) individuales. En este momento, existieron todos los tipos de partículas que forman parte del universo actual, a pesar de que la temperatura todavía era demasiado alta para la formación de núcleos. En este punto, podemos unirnos al modelo estándar del "big bang" como lo describe Steven Weinberg en Los Tres Primeros Minutos