Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

Pregrado → Astrofísica y cosmología → Cosmología ↓


Materia oscura y energía oscura


El universo en el que vivimos tiene muchos misterios que los científicos se esfuerzan por resolver. Estos misterios incluyen la materia oscura y la energía oscura. Se cree que estos dos componentes constituyen alrededor del 95% del universo, sin embargo, siguen siendo esquivos y en gran parte teóricos. Comprender la materia oscura y la energía oscura es crucial para entender la estructura, evolución y destino final del universo.

¿Qué es la materia oscura?

La materia oscura es una forma de materia que no emite, absorbe ni refleja luz, lo que la hace invisible y solo detectable a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, como estrellas y galaxias. Aunque no podemos ver la materia oscura, su presencia se infiere a partir de sus efectos gravitacionales.

Imagina que estás mirando el cielo nocturno y ves estrellas y galaxias dispuestas en ciertas configuraciones. Estas configuraciones son tan ordenadas que no pueden explicarse solo por el tirón gravitacional de la materia visible. Los científicos creen que la materia oscura es responsable de este tirón gravitacional adicional que gobierna la estructura general del universo.

Antecedentes históricos

El concepto de materia oscura se remonta a la década de 1930, cuando el astrónomo suizo Fritz Zwicky notó que los cúmulos de galaxias se movían mucho más rápido de lo predicho en base a la masa visible de las estrellas y el gas. Teorizó que debe haber "masa faltante" que no podíamos ver.

Evidencia de materia oscura

Varias observaciones apoyan la existencia de la materia oscura:

  1. Curvas de rotación de galaxias: La velocidad de rotación de las galaxias es inconsistente con la distribución de la materia visible. Las regiones exteriores rotan a velocidades sorprendentemente altas, lo que indica la existencia de masa adicional. Se cree que esta masa es la materia oscura.
  2. Lente gravitacional: Cuando la luz de galaxias distantes pasa cerca de objetos masivos, el campo gravitacional provoca que la luz se doble. A veces, la desviación de la luz puede no deberse solo a la masa visible, lo que indica la presencia de materia oscura.
  3. Fondo Cósmico de Microondas (FCM): La radiación remanente del Big Bang, el FCM, exhibe fluctuaciones de temperatura que indican la presencia de materia oscura en el universo temprano.

¿Qué es la energía oscura?

Mientras que la materia oscura es responsable de la estructura del universo, la energía oscura está asociada con su expansión. La energía oscura es una forma misteriosa de energía que representa alrededor del 70% del universo y parece estar impulsando su expansión acelerada.

Imagina el universo como un globo que se infla constantemente, haciendo que las galaxias se alejen unas de otras. Se cree que la fuerza que causa esta inflación es la energía oscura.

Descubrimiento de la energía oscura

A finales de la década de 1990, los científicos que estudiaban supernovas distantes descubrieron que aparecían más tenues de lo esperado, lo que indicaba que estaban mucho más lejos de lo pensado inicialmente. Esta observación mostró que el universo se está expandiendo a un ritmo más rápido, contrariamente a las expectativas anteriores. Esta aceleración requiere energía para impulsarla, ahora llamada energía oscura.

Papel en la cosmología

La energía oscura es muy importante en la cosmología, el estudio del origen y evolución del universo. Para entender su impacto, considera lo siguiente:

  • Universo en aceleración: La energía oscura impulsa una expansión más rápida, afectando el destino del universo. Si sigue funcionando como lo hace ahora, las galaxias se moverán cada vez más lejos, lo que podría llevar a una "gran pausa" o "gran desgarramiento".
  • Efectos sobre las estructuras a gran escala: Mientras que la materia oscura tiende a acumular estructuras en el universo, la energía oscura tiende a desgarrarlo, influyendo en la evolución de galaxias y cúmulos de galaxias con el tiempo.
  • Constante cosmológica: Albert Einstein introdujo la constante cosmológica en sus ecuaciones de la relatividad general como un "factor de ajuste" para permitir un universo estático. Desde el descubrimiento de un universo en expansión, esta constante ha sido reconsiderada como una posible explicación para la energía oscura.

Naturaleza de la materia oscura y la energía oscura

Determinar la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura es uno de los esfuerzos más importantes en la física contemporánea. Aunque hemos recolectado evidencia indirecta de su existencia, su verdadera naturaleza sigue siendo especulativa. Varias hipótesis y modelos intentan describir estos fenómenos.

Hipótesis para la materia oscura

Hay varios posibles candidatos para lo que podría ser la materia oscura:

  1. Partículas masivas de interacción débil (WIMPs): Estas partículas hipotéticas interactúan con la materia a través de la fuerza débil y la gravedad, lo que las hace difíciles de detectar.
  2. Axiones: Otra partícula teórica, los axiones, son partículas ligeras que, además de constituir materia oscura, pueden ayudar a explicar algunos fenómenos en la física cuántica.
  3. Agujeros negros primordiales: Pequeños agujeros negros que se formaron en el universo temprano podrían ser parte de la materia oscura.

Marco teórico para la energía oscura

Las teorías de la energía oscura están evolucionando, pero aquí algunas posibilidades populares:

  • Constante cosmológica (Λ): Propuesta por Albert Einstein, sugiere que la energía oscura es una densidad de energía constante que llena el espacio de manera homogénea.
  • Quintessencia: Un campo escalar dinámico que evoluciona con el tiempo, en contraste con una densidad de energía estática.
  • Teoría de la Gravedad Modificada: Propuestas de modificaciones a la teoría de la relatividad general de Einstein para eliminar la necesidad de energía oscura.

Ejemplos visuales y experimentos mentales

La materia oscura y la energía oscura pueden ser difíciles de visualizar debido a su naturaleza invisible. Sin embargo, ejemplos visuales y experimentos mentales pueden ayudarnos a comprender mejor estos conceptos.

Visualizando la materia oscura

        <svg width="200" height="200" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
            <circle cx="100" cy="100" r="80" stroke="black" stroke-width="2" fill="none"/>
            <circle cx="40" cy="100" r="10" stroke="black" stroke-width="2" fill="blue"/>
            <circle cx="160" cy="100" r="10" stroke="black" stroke-width="2" fill="red"/>
            <text x="65" y="95" fill="black">Materia Visible</text>
            <text x="160" y="95" fill="black">Materia Oscura</text>
        </svg>

En este diagrama simple, imagina una galaxia como un círculo. Los círculos azules representan materia visible, como las estrellas, mientras que el círculo rojo encierra el halo de materia oscura invisible pero que influye gravitacionalmente.

Experimento mental: expansión cósmica

Imagina una cuadrícula en la superficie de un globo. Dibuja puntos en las intersecciones. A medida que el globo se infla, observa cómo los puntos se separan. Esto muestra cómo la energía oscura puede alejar las galaxias unas de otras a medida que el universo se expande.

La importancia de detectar la materia oscura y la energía oscura

Detectar y entender la materia oscura y la energía oscura es importante por varias razones:

  • Comprender la evolución cósmica: Estas entidades juegan un papel vital en la formación del universo. Comprenderlas puede ayudarnos a predecir futuros eventos cósmicos y el destino final del universo.
  • Evolución de las teorías de la física: Investigar la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura podría conducir al desarrollo de una nueva física más allá del modelo estándar actual y la relatividad general.
  • Avance tecnológico: El descubrimiento de estos fenómenos lleva a avances en instrumentación y tecnologías de detección, que son beneficiosos en varios campos científicos.

Investigación actual y perspectivas futuras

Los investigadores utilizan varios métodos y experimentos para estudiar la materia oscura y la energía oscura:

  1. Aceleradores de partículas: Dispositivos como el Gran Colisionador de Hadrones intentan producir partículas de materia oscura durante colisiones de alta energía.
  2. Experimentos de detección directa: Instalaciones como el gran detector subterráneo de xenón buscan capturar la interacción de la materia oscura con la materia ordinaria.
  3. Observatorios espaciales: Misiones como el Telescopio Euclid y el Telescopio Espacial James Webb prometen proporcionar una visión más profunda de la materia oscura y la energía oscura a través de observaciones de la expansión y la estructura del universo.

El futuro de la investigación sobre la materia oscura y la energía oscura es prometedor, pero también presenta desafíos. Con los avances en tecnología, se esperan avances que redefinirán nuestra comprensión del universo.

Conclusión: Comprendiendo los misterios del universo

El universo es un vasto y complejo tejido tejido de hilos visibles e invisibles. Mientras disfrutamos del resplandor de las estrellas y galaxias, gran parte del universo permanece oculto a nuestros ojos, unido por la materia oscura y separado por la energía oscura.

Estos conceptos desafían nuestra comprensión y requieren experimentos innovadores, observaciones y trabajo teórico. Al desentrañar estos misterios, nuestro objetivo es no solo explicar la estructura y el destino actual del universo, sino también expandir los límites de lo que es posible en la física. Comprender la materia oscura y la energía oscura no se trata solo de descubrir fuerzas ocultas, se trata de ver el universo y nuestro lugar en él con nuevos ojos iluminados.


Pregrado → 9.2.2


U
username
0%
completado en Pregrado

← Anterior (9.2.1)
La Teoría del Big Bang
Siguiente (9.2.3) →
Fondo cósmico de microondas

Comentarios 



Materia oscura y energía oscura

https://www.physicsflow.com/ug/9.2.2?pfal=es