La historia de la teoría del Big Bang comienza con la solución Alexander Friedmann (1922-24) a las ecuaciones de campo de Einstein (1915). Las subsiguientes teorizaciones de Georges Lemaître (1927) y las observaciones de Edwin Hubble (1929) se sumaron luego a otros aportes teóricos y prácticos que fueron conformando dicha teoría. Gran parte del trabajo teórico de la cosmología se centra en estos momentos en profundizar y mejorar el modelo básico del Big Bang.
Si bien el modelo básico tiene casi cien años, posteriormente se propusieron muchas ideas dentro del modelo como la nucleosíntesis primordial en los años 1940, o la teoría de la inflación cósmica en los años 1980 para resolver aspectos previamente no explicados. El cambio reciente más notorio fue el descubrimiento de la expansión acelerada del universo en 1998, que llevó a hacer bastantes ajustes en el modelo básico y llevó a la formulación del modelo ΛCDM.
Antecedentes de la teoría actual Antecedentes antiguos y medievales En la filosofía medieval, se debatió sobre si el universo tuvo un pasado finito o infinito (ver finitismo temporal). En la filosofía de Aristóteles se especulaba con que el universo tuvo un pasado infinito, lo que causó problemas a los filósofos judíos e islámicos en la época medieval, ya que no podían conciliar la concepción aristotélica de lo eterno con la visión de Abraham de la creación.Seymour Feldman (1967). "Gersonides' Proofs for the Creation of the Universe". Proceedings of the American Academy for Jewish Research (Proceedings of the American Academy for Jewish Research, Vol. 35) 35: 113–137. doi:10.2307/3622478. JSTOR 3622478. Por esta razón, una gran variedad de argumentos lógicos que fundamentaban un universo que tiene un pasado finito fueron propuestos por Juan Filópono, Al-Kindi, Saadia Gaón, Al-Ghazali e Immanuel Kant, entre otros.
En el tratado De Luce ('De la luz') 1225, del teólogo inglés Robert Grosseteste, se abordó la naturaleza de la materia y del cosmos. En dicho tratado se describe el nacimiento del universo como en una explosión y la subsiguiente cristalización de la materia para formar las estrellas y los planetas en un conjunto de esferas anidadas alrededor de la Tierra. De Luce fue el primer intento de describir los cielos y la Tierra utilizando un único conjunto de leyes físicas.
Antecedentes modernos
En 1610, Johannes Kepler empleó el argumento de la oscuridad del cielo nocturno para demostrar su teoría en favor de un universo finito. Setenta y siete años más tarde, Isaac Newton formuló las leyes del movimiento a gran escala para todo el universo, en sus Philosophiæ naturalis principia mathematica ('Principos matemáticos de filosofía natural').
La descripción de un Universo que se expande y contrae de manera cíclica fue presentada por primera vez en un poema publicado en 1791 por Erasmus Darwin. Edgar Allan Poe presentó un sistema cíclico similar en su ensayo titulado Eureka en 1848: se trataba de un poema en prosa, que aun siendo obvio que no era un trabajo científico, pretendía, a partir de principios metafísicos, explicar el universo usando el conocimiento físico y astronómico de su época. Ignorado por la comunidad científica y, a menudo mal entendido por los críticos literarios, sus implicaciones científicas se han empezado a considerar en los últimos tiempos.
Según Poe, el estado inicial de la materia era una sola "partícula primordial": el "Querer Divino", que manifestándose como una fuerza repulsiva, fragmenta la partícula primordial en átomos. Estos átomos se reparten uniformemente por todo el espacio, hasta que deja de haber fuerza de repulsión y atracción y aparece una de reacción: la materia comienza a agruparse formando estrellas y sistemas de estrellas, en tanto que el universo material se comprime de nuevo por la gravedad, que termina colapsándose para finalmente volver a la fase inicial de partícula Primordial para iniciar el proceso de repulsión y atracción de nuevo. En esta parte de Eureka describe un universo en evolución newtoniana que comparte varias propiedades con modelos relativistas, y por esta razón Poe anticipa algunos temas de la cosmología moderna.Cappi, Alberto (1994). "Edgar Allan Poe's Physical Cosmology". Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 35: 177–192. Bibcode:1994QJRAS..35..177C.
Evolución de modelo teórico del Big Bang
De 1929 a 1990
En la década de 1910, Vesto Melvin Slipher y más tarde, Carl Wilhelm Wirtz, determinaron que la mayoría de nebulosas espirales (ahora llamadas correctamente galaxias espirales) se alejaban de la Tierra. Slipher utiliza la espectroscopia para observar los períodos de rotación de los planetas, la composición de las atmósferas planetarias, y fue el primero en observar las velocidades radiales de las galaxias. Wirtz observó un corrimiento al rojo sistemático de las nebulosas, que eran difíciles de interpretar en términos de una cosmología en la que el universo está lleno de estrellas y nebulosas más o menos uniformemente. Pero no fueron conscientes de sus implicaciones cosmológicas, ni de que las supuestas "nebulosas" fueran en realidad galaxias que se encuentran fuera de nuestra propia Vía Láctea. Algunas de estas nebulosas en realidad eran lo que más tarde se llamó galaxias.
thumb|De acuerdo con el modelo del Big Bang, el universo se expandió de un estado extremadamente denso y caliente y continúa expandiéndose hoy. Una analogía común explica que el espacio mismo se está expandiendo, llevando las galaxias con él, como manchas en un globo inflado. El esquema gráfico de arriba es el concepto de un artista que ilustra la expansión de una porción de patatas fritas en un universo plano.
También en esa década, apareció la teoría de la relatividad general de Albert Einstein que sería la teoría fundamental sobre la que asentaría el modelo cosmológico del Big Bang. En la teoría de Einstein, la geometría del universo, es decir, el espacio-tiempo métrico, se describe mediante «tensor métrico» que evoluciona con el tiempo. Posteriormente se descubriría que las ecuaciones de campo de Einstein para dicho tensor métrico no admitían soluciones cosmológicas estáticas estables, lo cual llevaría finalmente a considerar solucions expansivas o contractivas. Este resultado, obtenido desde una evaluación de las ecuaciones de la teoría general de la relatividad, en un primer momento llevó el propio Einstein a considerar que su formulación de las ecuaciones de campo en la teoría general estaban equivocadas y trató de corregirlo agregando una constante cosmológica . Esta constante retomaría la descripción de la teoría general del espacio-tiempo como un tensor métrico invariante para el tejido del espacio-tiempo existente.
De 1921 a 1935
La primera persona que aplicó seriamente la relatividad general a la cosmología sin la constante cosmológica fue Alexander Friedmann. Friedmann formuló la solución de un universo en expansión con las ecuaciones de campo de la relatividad general en 1922. En 1924 los trabajos de Friedmann incluye "Über die Welt mit einer Möglichkeit KONSTANTER negativer Krümmung des Raumes" (Acerca de la posibilidad de un mundo con curvatura negativa constante) que fue publicado por la Academia de Ciencias de Berlín el 7 de enero de 1924.Friedman, A. (1922). "Über die Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik 10 (1): 377–386. Bibcode:1922ZPhy...10..377F. doi:10.1007/BF01332580.(English translation in: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 1991–2000.) and Friedman, A. (1924). "Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik 21 (1): 326–332. Bibcode:1924ZPhy...21..326F. doi:10.1007/BF01328280.(English translation in: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 2001–2008.) Las ecuaciones de Friedmann describen el universo Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Por otro lado, en 1927, el sacerdote católico belga Georges Lemaître propuso un modelo de universo en expansión para explicar los desplazamientos al rojo observados en nebulosas espirales, y calculó la ley de Hubble-Lemaître. Basó su teoría en el trabajo de Einstein y Willem de Sitter, e independientemente dedujo las ecuaciones de Friedmann para un universo en expansión. Asimismo, el desplazamiento al rojo en sí mismo no eran constante, pero varia en la forma, y llegó a la conclusión de que no había una relación clara entre cantidad de desplazamiento al rojo de las nebulosas, y la distancia de los observadores.
En 1930, Edwin Hubble proporcionó una base observacional integral para la teoría de Lemaître. Las observaciones experimentales que Hubble llevó a cabo descubrieron que, en relación con la Tierra y todos los demás objetos observados, las galaxias se alejan en todas direcciones a velocidades (calculándolo a partir de los corrimientos al rojo observados) que son directamente proporcionales a su distancia de la Tierra y entre sí. En 1929, Hubble y Milton Humason formularon la ley del corrimiento hacia el rojo en relación con la distancia de las galaxias, hoy en día conocida como la ley de Hubble, por la cual una vez que el corrimiento al rojo se interpreta como una medida de la velocidad de recesión, es compatible con las soluciones de las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein para un crecimiento homogéneo e isotrópico del espacio. La naturaleza isotrópica de la expansión era una prueba directa de que es el espacio (el tejido de la existencia) el que se está expandiendo, no los cuerpos en el espacio, que simplemente se mueven hacia fuera en un espacio vacío preexistente infinitamente más grande. Fue esta interpretación la que llevó al concepto de la expansión del universo. La ley establece que cuanto mayor sea la distancia entre dos galaxias, mayor es su velocidad relativa de separación. Este descubrimiento dio lugar más adelante a la formulación del modelo del Big Bang. [Cita requerida]
En 1931, Lemaître propone en su "hypothèse de l'atome primitif" (hipótesis del átomo primigenio) que el universo comenzó con la "explosión" del "átomo primigenio" - lo que más tarde fue llamado el Big Bang. Esto constituía un curioso (y revolucionario) planteamiento filosófico: una gran nada, más allá del espacio y el tiempo, contenía el potencial de todo lo que existe, ha existido o existirá. Uno de los principales fundamentos de la teoría, para Lemaître, consistía en que los rayos cósmicos eran los restos del Big Bang, pero actualmente se sabe que estos se originan dentro de la galaxia local. Lemaître tuvo que esperar hasta poco antes de su muerte para conocer del descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas: la radiación remanente de una fase densa y caliente en el universo primitivo."Georges Lemaître, Father of the Big Bang". American Museum of Natural History.
De 1936 a 1949
En esta época científicos como George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann junto con Hans Bethe estudiaron las reacciones de nucleosíntesis en las estrellas y durante los años 1940 se plantearon problemas cosmológicos. Así los estudios publicados en el seminario Alpher-Bethe-Gamow perfilaron la teoría de la nucleosíntesis primordial que explicaba la producción de los elementos ligeros en el Universo promigenio. Estos consideraban al Universo primigenio como un horno nuclear en el cual podía cocinarse la totalidad de la tabla periódica de los elementos, especulación incorrecta, pero que les llevó a predecir el fondo cósmico de microondas. Estos cálculos partían de dos hipótesis: El Universo, homogéneo e isótropo, puede describirse mediante la teoría de la relatividad general. La temperatura del Universo en sus fases iniciales era lo suficientemente elevada como para presentar un estado de equilibrio estadístico nuclear entre las distintas especies.
La teoría del Big Bang vs Teoría del Estado Estacionario