thumb|275x275px|De acuerdo con el modelo del Big Bang, el universo se expandió a partir de un estado extremadamente denso y caliente y aun continúa expandiéndose. En cosmología, se entiende por Big Bang, o Gran Explosión en español, a la teoría física que describe como se expande el universo a partir de un estado de alta densidad y temperatura. El término proviene del astrofísico Fred Hoyle, que lo utilizó a modo de burla.Originalmente esta teoría fue denominada como la del átomo primigenio (o huevo cósmico) por el astrofísico y sacerdote Georges Lemaître. De acuerdo con el modelo cosmológico estándar, el Big Bang tuvo lugar hace unos 13 797 millones de años. El modelo estándar no trata de explicar la causa de este hecho en sí, sino la evolución del universo temprano en un rango temporal que abarca desde un tiempo de Planck (aprox. 10−43 segundos) después del Big Bang hasta entre 300 000 y 400 000 años más tarde, cuando se empezaron a formar átomos estables y el universo se hizo transparente. Una amplia gama de evidencia empírica favorece fuertemente al Big Bang, que ahora es esencial y universalmente aceptado.
La teoría del Big Bang es el modelo cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del universo y su posterior evolución a gran escala. El modelo estándar afirma que el universo se hallaba en un estado de muy alta densidad y temperatura y luego se expandió. Mediciones modernas datan este momento hace aproximadamente 13 800 millones de años, que sería por tanto la edad del universo. Después de la expansión inicial, el universo se enfrió lo suficiente para permitir la formación de las partículas subatómicas y más tarde simples átomos. Nubes gigantes de estos elementos primordiales se unieron más tarde debido a la gravedad y formaron estrellas y galaxias. Después del Big Bang, y esto ya no forma parte de la teoría, el universo sufrió progresivos enfriamientos y expansiones cuyo desarrollo posterior determinaron procesos que se pueden observar en la física de partículas. La primera ecuación de Friedmann describe todas estas épocas pasando por el presente y hasta el futuro lejano.
Desde que Georges Lemaître observó por primera vez, en 1927, que un universo en permanente expansión debería remontarse en el tiempo hasta un único punto de origen, los científicos se han basado en su idea de la expansión cósmica. Si bien la comunidad científica una vez estuvo dividida en partidarios de dos teorías diferentes sobre el universo en expansión, la del Big Bang y la teoría del estado estacionario, defendida por Fred Hoyle, la acumulación de evidencia observacional favorece fuertemente a la primera, que ahora se acepta casi universalmente.
En 1929, a partir del análisis de corrimiento al rojo de las galaxias, Edwin Hubble concluyó que las galaxias se estaban distanciando, lo que es una prueba observacional importante consistente con la hipótesis de un universo en expansión. En 1964 se descubrió la radiación de fondo cósmico de microondas, que es también una prueba crucial en favor del modelo del Big Bang, ya que esta teoría predijo la existencia de la radiación de fondo en todo el universo antes de que se descubriera. Más recientemente, las mediciones del corrimiento al rojo de las supernovas indican que la expansión del universo se está acelerando, aceleración atribuida a la energía oscura (Modelo Lambda-CDM).
Las leyes físicas conocidas de la naturaleza pueden utilizarse para calcular las características en detalle del universo del pasado en un estado inicial de extrema densidad y temperatura. Si las leyes conocidas de la teoría de la relatividad general se extrapolan de manera especulativa, más allá del punto donde son válidas, encontramos una singularidad, un punto que matemáticamente no está bien definido en los modelos cosmológicos, por lo que es imposible describir el estado físico real de ese punto. Si se imagina el desarrollo del universo en sentido temporal inverso retrocediendo hacia el pasado, el universo se va haciendo cada vez más pequeño pero la cantidad de materia es la misma, de manera que la densidad va aumentando hasta llegar al punto en el que el tiempo es igual a cero y la densidad de materia y energía se hace infinita, superando la densidad de Planck. La existencia de estos resultados infinitos lleva a inferir ese momento, definido convencionalmente como t = 0. De ahí que la física actual no conozca ninguna explicación sobre qué ocurrió «antes» del Big Bang ni sobre el origen del propio Big Bang, ya que no hay tiempo «antes» del inicio del tiempo («así como no tiene sentido preguntar qué hay al norte del polo norte»). Sin embargo, para cualquier instante antes de una unidad de tiempo de Planck, los modelos actuales no describen estados físicos reales al no estar definidos matemáticamente, y cualquier descripción del estado entre un posible t=0 y el tiempo de Planck, es altamente especulativo. Existen actualmente varias propuestas a nivel hipótesis o conjetura que describen el estado del universo antes del inicio del big bang (una unidad de tiempo de Planck) que pueden o no requerir un estado t=0. Derivado de la expansión, se han postulado hipótesis sobre el destino final del universo. Por ejemplo: una expansión indefinida (véase Big Rip y Big Freeze); colapso debido a la atracción gravitatoria (véase Big Crunch); o bien un modelo cíclico con período de expansión y contracción (véase Big Bounce). Existen también un gran número de interpretaciones desde un punto de vista filosófico y religioso sobre la teoría del Big Bang que son completamente especulativas o extra-científicas.
Introducción thumb|230px|Imagen proporcionada por el telescopio espacial Hubble del espacio lejano, cuando el universo era más caliente y más concentrado, de acuerdo con la teoría del Big Bang.
La expresión «big bang» proviene del astrofísico inglés Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría y, a su vez, uno de los principales defensores de la teoría del estado estacionario, quien dijo, para explicar mejor el fenómeno, que el modelo descrito era simplemente un «big bang» (gran explosión). Según él, en el inicio del universo ni hubo explosión ni fue grande, pues, en rigor, surgió de una singularidad infinitamente pequeña, seguida de la expansión del propio espacio.Michio Kaku, El Universo de Einstein, p. 109. Diversas herramientas astronómicas, como el COBE, han conseguido observar evidencias de la expansión primigenia.
La idea central del Big Bang es que la teoría de la relatividad general puede combinarse con las observaciones de isotropía y homogeneidad a gran escala de la distribución de galaxias y los cambios de posición entre ellas, permitiendo extrapolar las condiciones del universo antes o después en el tiempo.
Una consecuencia de todos los modelos de Big Bang es que, en el pasado, el universo tenía una temperatura más alta y mayor densidad y, por tanto, las condiciones del actual son muy diferentes de las condiciones del universo en el pasado. A partir de este modelo, George Gamow en 1948 predijo que habría evidencias de un fenómeno que más tarde se bautizó como radiación de fondo de microondas.
Historia de su desarrollo teórico
Para llegar al modelo del Big Bang, muchos científicos, con diversos estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis de esta explicación. Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se alejaban de esta, como si el universo se expandiera constantemente. En 1948, el físico ucraniano nacionalizado estadounidense George Gamow (1904-1968) planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión («big bang»). Recientemente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido «oír» los vestigios de esta gigantesca explosión primigenia.
De acuerdo con la teoría, un universo homogéneo e isótropo lleno de materia ordinaria podría expandirse indefinidamente o frenar su expansión lentamente hasta producir una contracción universal. El fin de esa contracción se conoce con un término contrario al Big Bang: el Big Crunch o «Gran Colapso» o un Big Rip o Gran Desgarro. Si el universo se encuentra en un punto crítico, puede mantenerse estable ad eternum. Muy recientemente se ha comprobado que actualmente existe una expansión acelerada del universo, hecho no previsto originalmente en la teoría y que ha llevado a la introducción de la hipótesis adicional de la energía oscura, responsable de este fenómeno.
La teoría del Big Bang se desarrolló a partir de observaciones y avances teóricos. Por medio de observaciones, en la década de 1910, el astrónomo estadounidense Vesto Slipher y, después de él, Carl Wilhelm Wirtz, de Estrasburgo, determinaron que la mayor parte de las nebulosas espirales se alejan de la Tierra; pero no llegaron a darse cuenta de las implicaciones cosmológicas de esta observación ni tampoco del hecho de que las supuestas nebulosas eran en realidad galaxias exteriores a nuestra Vía Láctea.
Además, la teoría de Albert Einstein sobre la relatividad general (segunda década del ) no admite soluciones estáticas (es decir, el universo debe estar o bien en expansión o bien en contracción), resultado que él mismo consideró equivocado, y trató de corregirlo agregando la constante cosmológica. El primero en aplicar formalmente la relatividad a la cosmología, sin considerar la constante cosmológica, fue Alexander Friedman, cuyas ecuaciones describen el universo Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, que puede expandirse o contraerse.
Entre 1927 y 1930, el sacerdote belga Georges Lemaître obtuvo independientemente las ecuaciones Friedman-Lemaître-Robertson-Walker y propuso, sobre la base de la recesión de las nebulosas espirales, que el universo se inició con la expansión de un átomo primigenio, lo que más tarde se denominó Big Bang.
En 1929, Edwin Hubble realizó observaciones que sirvieron de fundamento para comprobar la teoría de Lemaître. Hubble probó que las nebulosas espirales son galaxias y midió sus distancias observando las estrellas variables cefeidas en galaxias distantes. Descubrió que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades (relativas a la Tierra) directamente proporcionales a su distancia. Este hecho se conoce ahora como la ley de Hubble (véase Edwin Hubble: Marinero de las nebulosas, texto escrito por Edward Christianson).
Según el principio cosmológico, el alejamiento de las galaxias sugería que el universo está en expansión. Esta idea originó dos hipótesis opuestas. La primera era la teoría Big Bang de Lemaître, apoyada y desarrollada por George Gamow. La segunda posibilidad era el modelo de la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle, según la cual se genera nueva materia mientras las galaxias se alejan entre sí. En este modelo, el universo es básicamente el mismo en un momento dado en el tiempo. Durante muchos años hubo un número de adeptos similar para cada teoría.