TEMA 1 COSMOLOGIA

TEMA 1. Introducción a la cosmología
"Hay dos cosas que son infinitas: el Universo y la
estupidez humana. Y del Universo no estoy tan
seguro." Albert Einstein
1. Cosmologías más importantes desde la antigüedad hasta nuestros días
I. Cosmologías ancestrales.
Cosmologías sin ningún sentido científico, en las cuales se entremezclaban supersticiones, filosofía religión y observaciones de los
fenómenos naturales. Una de las representaciones más antiguas del Cosmos, de origen hindú, es la siguiente: en un inmenso
océano de leche rodeado por la cobra sagrada (la serpiente de la eternidad) nada una enorme tortuga, sobre cuyo caparazón cuatro
elefantes se encargan de sujetar la Tierra (obviamente plana) por los cuatro puntos cardinales.
II. Aristóteles y Ptolomeo: (300 A.c.-siglo XVI)
Aristóteles propuso la existencia de un Universo esférico y finito que tendría a la Tierra
como centro. La Tierra era imperfecta y está por cuatro elementos: tierra, aire, fuego y
agua. Los cielos, son perfectos, se mueven de forma natural e infinita siguiendo un
complejo movimiento circular y perfecto sin cabida para la imperfección.
Ptolomeo en el siglo II mejoró mucho esta teoría postulando un que la Tierra se encontraba estática en el centro, rodeada de esferas
que giraban a su alrededor. Dentro de estas esferas se encontraban (ordenados de dentro hacia afuera): la Luna, Mercurio, Venus,
el Sol, Marte, Júpiter, Saturno y, finalmente, la esfera exterior en la que estaban las llamadas estrellas fijas.
Para explicar el movimiento aparentemente retrógrado de Marte, Júpiter y Saturno, Ptolomeo propuso que los planetas giraban en
un círculo que llamó epiciclo.
III. Copérnico (Siglo XVI):
Nicolás Copérnico, fue un clérigo católico que propuso que La Tierra giraba alrededor del Sol, y así, no hacía falta el complicado
sistema de epiciclos de Ptolomeo.
Esta teoría heliocéntrica tenía la ventaja de poder explicar los cambios diarios y anuales del Sol y las estrellas, así como el aparente
movimiento retrógrado de Marte, Júpiter y Saturno, y la razón por la que Venus y Mercurio nunca se alejaban más allá de una
distancia determinada del Sol. Esta teoría también sostenía que las estrellas eran una esfera exterior estacionaria.
Sin embargo, esta teoría explicaba peor que la de Ptolomeo las observaciones de los planetas al moverse, por eso, aunque esta
teoría se explicó en las universidades durante más de 100 años, se seguía creyendo en la cosmología geocéntrica de Ptolomeo.
IV. Kepler (Siglo XVI-Siglo XVII):
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Kepler propone tres leyes que aplicadas a la teoría heliocéntrica de Copérnico explican el universo mejor que la cosmología de
Ptolomeo.
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La primera ley de Kepler dice que los planetas giran alrededor del Sol en órbitas elípticas en las que el Sol ocupa uno de los focos de la elipse. La
segunda ley formula que las áreas barridas por el radio vector que une el centro del planeta con el centro del Sol son iguales en lapsos iguales; como
consecuencia, cuanto más cerca está el planeta del Sol, con más rapidez se mueve. La tercera ley establece que la relación de la distancia media, d,
de un planeta al Sol, elevada al cubo, dividida por el cuadrado de su periodo orbital, t, es una constante, es decir, d3/t2 es igual para todos los
planetas
1
Las tres leyes de kepler
V. Newton (Siglo XVII)
Descubre la ley de la gravitación universal: F  G m1·m2
2
r
La ley de gravitación de Newton consigue explicar las leyes de Kepler del movimiento elíptico, las fuerzas interplanetarias, el
movimiento de los satélites, etc. Se confirma definitivamente el modelo heliocéntrico refinado por Kepler.
VI. Teoría del estado estacionario (1949-1970)
Fue desarrollado en 1949 por Fred Hoyle, antes de la Teoría del Big Bang. De acuerdo a esta teoría, el universo es eterno en tiempo
y extensión (lo que se conoce como Principio Cosmológico Perfecto). Al expandirse el universo aparece una disminución de su
densidad que se compensaría con una creación continua de materia (bastarían la aparición de 2 átomos de hidrógeno por m³ cada
1000 millones de años).
VII. Teoría del Big Bang (1950 - )
Basada en las dos grandes teorías de la física actual:
A.
B.
Teoría de la Relatividad General (1914). Albert Einstein. Explica todos los fenómenos que se dan en el Universo a gran
escala.
Mecánica Cuántica (1900- ) Varios autores (Mark Plank, Erwin Schrödinger, Pauli, A. Einstein, Heinsengberg y otros
autores) Explica todos los fenómenos que se dan en el Universo a pequeña escala (molecular y atómica)
Ambas teorías son muy buenas en sus campos pero son incompatibles. Se está buscando una teoría que unifique las dos (Teoría
unificada del todo o Teoría M)
El Big Bang, fue propuesta por George Lemaître (sacerdote católico belga) y literalmente significa “el gran estallido”, constituye el
momento en que desde un punto emerge todo el universo, incluidos el tiempo y el espacio, es decir, el origen del Universo. La
materia, hasta ese momento, es un punto de densidad infinita, que comienza a expandirse en todas las direcciones y creando lo que
conocemos como nuestro Universo.
Los físicos teóricos han logrado en la actualidad reconstruir la cronología de los hechos a partir de una centésima de segundo
después del Big Bang. Sin embargo, por mucho que avance la ciencia y la tecnología nunca podremos saber lo que pasó antes del
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10 segundos, es decir, la ciencia nunca podrá explicar ni el momento de la creación, ni lo que ocurrió antes, porque está fuera de
su alcance (entraríamos en el campo filosófico). A este límite se le llama era de Plank.
Hay tres evidencias observacionales que confirman esta teoría:
1.- Expansión expresada en la ley de Hubble. Efecto Doppler
Cuando se acerca una ambulancia se la escucha con un sonido agudo,
cuando se aleja se la escucha con un sonido grave. Este efecto se
conoce como efecto Doppler y ocurre con todas las ondas, tanto
sonoras como con la luz.
El efecto con la luz es que cuando algo se acerca sus líneas
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espectrales están desplazadas hacia el azul y cuando algo se aleja sus
líneas espectrales están desplazadas hacia el rojo.
Hubble, examinando la luz de las galaxias y su desplazamiento al rojo
descubre que cuanto más alejada está una galaxia, con más rapidez se
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Cuando se hace pasar la luz por un prisma, se despliegan todos los colores de esa luz en forma de arcoiris. En el arcoiris aparecen ciertas líneas negras que se
llaman líneas espectrales
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aleja de nosotros. Podemos comparar la expansión del universo a un globo desinflado al que le hemos pintado puntos que
representan las
galaxias. Según se infla, los puntos se van alejando entre sí y cuanto más lejos están, más se alejan.
Hay una relación directa entre la distancia de las galaxias y la velocidad de alejamiento que se conoce como constante de Hubble.
Aplicando esta constante se puede calcular en que momento todas las galaxias estaban juntas en el Big Bang y los cálculos dan
13.700 millones de años.
2.- Radiación de fondo de microondas.
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En la época de Plank (10
s), el
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universo estaba a 10 ºK. Según se
expandía el Universo, éste se iba
enfriando.
En
la
actualidad
la
temperatura residual del Big Bang es de
unos de unos 3 K (-270 °C). Esta
temperatura está en forma de radiación
de microondas y fue detectada de
casualidad por dos los ingenieros
americanos en los años 60, cuando
probaban una antena para la marca Bell.
Esta radiación de fondo se estudio
mediante un satélite (WMAP) que en el
año 2006 fotografió esta radiación en
todo el cielo. La fotografía resultante
muestra
como
era
el
universo
primigenio, justo cuando se hizo
transparente cuando solo tenía unos
400.000 años. Las partes amarillas y
rojas representan zonas algo más calientes y son las que darán lugar a galaxias y cúmulos de galaxias.
Esta foto prácticamente demuestra la validez de la teoría del Big
Bang y coincide con las 13.700 millones de años que predecía el
efecto Doppler de Hubble.
3.- Nucleosíntesis primordial.
Si la teoría del Big Bang y la velocidad de expansión son correctas,
en los tres primeros minutos del Big Bang debería haberse formado
un 75% H y un 25% de He (con trazas de Li)
Estos valores concuerdan con la realidad y además según este
método la edad de universo debería ser de….¡¡¡13.700 millones de
años!!!!
Se han hecho algunos ajustes a la teoría del Big Bang, el más
importante es lo que se llama la teoría inflacionaria, que dice que en
los primeros instantes la expansión debió haber sido acelerada.
Una vez ajustados todos los cálculos y las modificaciones la cronología del Big Bang es la siguiente:
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Futuro del Universo. Materia oscura y energía oscura.
Curiosamente todo parecía cuadrar, sin embargo dos nuevos descubrimientos han desestabilizado la cosmología actual:

Materia oscura: Recientemente se ha comprobado que las galaxias giran más rápido de lo que deberían girar según su
masa. Este mismo efecto se da en los cúmulos y en los supercúmulos galácticos que también giran más despacio de lo que
deberían. Es decir, en el universo debe existir mucha más materia de la que realmente vemos. Pero además se sabe que,
esta materia que falta es un tipo de materia absolutamente y no interactúa con la materia normal, por lo que no se puede
detectar. Los físicos la llaman materia oscura o materia no bariónica.
Según los cálculos, ¡la materia oscura debe ser el 90% de toda la materia del universo!

Energía oscura: Otro descubrimiento reciente pone en tela de juicio toda la cosmología actual: se ha comprobado que el
universo se expande de forma acelerada. Es como si la fuerza de gravedad entre galaxias en lugar de frenar la expansión,
la acelerasen. Para poder encajar esto en la teoría del Big Bang, hay que añadir ad hoc una constante que se llama
constante cosmológica o lo que es lo mismo, hay que suponer que existe una energía que no conocemos y que actúa como
antigravedad a gran distancia. A esta energía misteriosa se le ha llamado energía oscura.
2.- Evolución estelar. Nucleosíntesis estelar.
Los elementos de la tabla periódica, los átomos de los que estamos hechos (a excepción del Hidrógeno y el poco He del inicio del
Big Bang se han creado en las estrellas, durante el transcurso de su vida que consta de las siguientes fases::
1)
Existen nebulosas inmensas que son nubes interestelares de hidrógeno (y algo de helio) formado en el Big Bang. En un
momento determinado, una parte de la nebulosa comienza a contraerse por gravedad formando una gran bola caliente de
hidrogeno- A esta bola de hidrógeno aun sin encender aunque ya caliente por la contracción del gas se le llama
protoestrella.
2)
La protoestrella sigue contrayéndose por gravedad y aumentando la temperatura y la presión en el centro. Cuando la
presión y la temperatura han alcanzado un valor determinado en el núcleo de la estrella (15 millones de grados en el caso
del Sol), la estrella se enciende. Es decir, comienza la fusión termonuclear de hidrógeno en helio. Esta fase se llama
secuencia principal y es la fase más larga de la estrella (90% de la vida de la estrella). Cada gramo de hidrógeno que se
convierte en helio produce una energía de 622.800.000.000 Julios. En el Sol cada segundo se convierten en helio 654
millones de toneladas por segundo.
3)
Las “cenizas” de la secuencia principal son átomos de helio que por ser más pesados que el hidrógeno, se van
amontonando en el centro de la estrella. Llega un momento en el que hay tanto He en el núcleo, que la presión en el centro
es suficiente para que, de manera repentina, el helio comienza a fusionarse en otra reacción termonuclear dando lugar a
Carbono y algo de Berilio. A este proceso se le llama el flash del Helio. El flash del Helio es tan energético que la estrella
aumenta miles de veces su
tamaño su tamaño hasta
convertirse en una Gigante
Roja. (el Sol dentro de unos
4.000 millones años se
convertirá en gigante roja
absorbiendo
a
Mercurio,
Venus y La Tierra).
Mientras tanto, en la capa
superior
de
la
estrella,
alrededor del núcleo de Helio,
la fusión del Hidrógeno
continúa dando lugar a
hidrógeno.
4)
El carbono y el berilio al ser
más pesados se hunden
hasta el centro de la estrella.
Cuando se ha formado
suficiente carbono y berilio,
estos vuelven a fusionarse
creándose el oxígeno. Más
tarde, el oxígeno se fusiona
con el Helio para formar
Neón.
4
5)
Y así, en complicadas reacciones termonucleares organizadas en sucesivas capas de la estrella, como si fuera una cebolla
atómica, se van creando los distintos elementos de la tabla periódica hasta llegar al hierro que es el átomo más estable.
Los elementos más pesados que el hierro no se pueden crear en reacciones de este tipo porque estos elementos al
formarse, en lugar de generar energía, la consumen.
6)
Cuando la estrella ya está en un estado muy avanzado de evolución se desestabiliza y se produce una implosión-explosión
muy drástica:
7)
a.
El núcleo se contrae bruscamente (implosiona) dando lugar a enana blanca, una estrella de neutrones o un
agujero negro, según la masa de la estrella.
b.
Las capas externas de la estrella explotan dando lugar a nuevas nebulosas compuestas por todos tipo de átomos
(no solo hidrógeno y helio) llamadas novas o supernovas. La explosión de una supernova es tan intensa que
durante semanas o meses brilla más que toda su galaxia. Parte de la energía de esta grandiosa explosión es
absorbida por los propios átomos de la estrella para formar los átomos más pesados que el hierro, como oro, iridio,
uranio, bario, platino…
De este modo, se forman nuevas nebulosas, pero esta vez compuestas de todo tipo de átomos (no solamente hidrógeno y
helio. Esta nueva nebulosa dará lugar -junto con más Hidrógeno del medio interestelar- a otras estrellas y sistemas solares
de segunda generación (como el Sol y el Sistema Solar) que en el momento de su formación ya contienen átomos pesados
como el Carbono, Oxígeno, nitrógeno, azufre o hierro. Por eso el sistema solar cuando se formó ya tenía todo tipo de
átomos, no solo hidrogeno y helio.
3.- Estrellas de neutrones y agujeros negros.
Después de la explosión de la nova o supernova, lo que queda en el centro de la explosión es, dependiendo de lo grande que era la
estrella:
1.-Una estrella enana blanca. Si la masa de la estrella original no llegaba a las 8-10 masas solares la estrella se comprime
hasta que sus los átomos se juntan unos con otros y la fuerza de repulsión electrostática (electrón-electrón y protón-protón)
evita que se siga hundiendo. Se forma así una enana blanca con una densidad de unas 10 toneladas el centímetro cúbico.
2.-Una estrella de neutrones: Si la masa de la estrella estaba en torno a 8-10 veces la masa solar, esta fuerza de repulsión
electrostática no es suficiente para sostener el peso de la estrella y seguiría hundiéndose fusionándose los protones con los
electrones dando lugar a neutrones. Lo que queda es una masa de neutrones hacinados que impiden que la estrella sigua
hundiéndose por lo que se conoce como el Principio de Exclusión de Pauli, que muy a grosso modo viene a decir que en un
mismo lugar no puede estar dos subpartículas exactamente iguales. Es decir dos neutrones no pueden estar en el mismo
sitio. Se forma entonces lo se llama estrella de neutrones que es un condensado de neutrones hacinados con una densidad
del orden de 100.000.000 toneladas/cm3 (una cucharadita de esta estrella pesaría como la Tierra entera)
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3.-Un agujero negro . Si la masa de la estrella era mayor de 8-10 masas solares, tampoco el Principio de Exclusión de
Pauli, puede detener la fuerza gravitatoria y se sigue comprimiendo ¡hasta el infinito! Dando lugar a lo que se comenzó a
llamar agujero negro. Al principio, los franceses fueron muy reacios a aceptar este término porque en francés “trou noir”
digamos que tenía una connotación sexual bastante grosera.
Un agujero negro está delimitado por una esfera que se llama horizonte de sucesos, dentro del cual, el espacio-tiempo desaparece.
Literalmente no existe. Es lo que se conoce como una rotura en el continuo espacio-tiempo que ya predecía la Relatividad General.
Aquí, la gravedad es tan intensa que absolutamente nada puede escapar de él, ni la radiación, ni siquiera la información. Esto
significa que por más que evolucione la ciencia jamás podremos obtener ningún tipo de información de dentro del límite de sucesos
de un agujero negro. Años más tarde cuando los físicos se referían a esta propiedad, solían decir que los agujeros negros no tienen
pelos, hecho que vino a confirmar las sospechas de los franceses...
Recientemente se ha confirmado que en el centro de las galaxias existe un agujero negro supermasivo. El de nuestra galaxia se
llama Sagitario A (está en Sagitario). Tiene 30 millones de masas solares en un diámetro aproximado de 2/3 la distancia de La Tierra
al Sol. Muy cerca, alrededor de él, hay entre 20 y 30 estrellas orbitando a velocidades de miles de kilómetros por segundo, a las que
el agujero negro les va arrancando masa, que va cayendo en espiral al agujero negro, irradiando luz, rayos x y rayos gamma en lo
que debe ser una maravillosa danza estelar que no podemos ver pero sí imaginar.
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A pesar de lo que cuentan las maravillosas historias de ciencia ficción, la realidad es que si un astronauta incauto cayera a un agujero negro, se
estiraría como un chicle, por la gran diferencia de atracción entre sus pies y su cabeza. Nosotros dejaríamos de saber para siempre de él en el
momento de que cruzara el horizonte de sucesos. El astronauta en cambio experimentaría que el tiempo se va ralentizando respecto a nosotros a
medida que aumenta la gravedad (nos vería a nosotros como a cámara rápida, cada vez más rápida). Tanto se ralentiza el tiempo para él, que
literalmente el tiempo, se detendría al pasar el horizonte de sucesos. Lo que nosotros veríamos realmente es que su velocidad de caída se va
ralentizando y que nunca llegaría a caer (según nuestra percepción terminaría de caer en un tiempo infinito).
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4.- Principio Antrópico y multiuniversos.
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La masa del universo en términos físicos es aproximadamente 10 Kg. Si en lugar de esto fuese 10 , o 10
consecuencias de ese cambio, y se llega a una conclusión sorprendente: NO PODRÍAMOS EXISTIR.
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se pueden calculan las
Un protón, tiene la misma carga que el electrón, pero el protón es 1.836 veces más pesado que el electrón. ¿Por qué? ¿Qué
ocurriría si en lugar de 1.836 fuese 2.000, o 1500? NO ESTARIAMOS AQUÍ.
En física se habla de 4 fuerzas, y sólo 4. Toda la física tiene que explicarse como la actividad de 4 fuerzas: la gravitatoria, la
electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Si yo comparo la fuerza electromagnética con la fuerza gravitatoria me resulta
que la fuerza electromagnética entre 2 electrones, que se repelen, pero que se atraen por fuerza gravitatoria, es aproximadamente
1040 veces más intensa la repulsión que la atracción. La fuerza electromagnética es increíblemente más potente que la fuerza
gravitatoria. ¿Podría cambiarlo y que fuera 1041 o 1039? NO ESTARÍAMOS AQUÍ.
Y una vez que hemos hablado de las propiedades de la materia en lo más grande, de lo más pequeño y de las fuerzas que rigen el
Universo, me pregunto por el planeta Tierra y la estrella Sol. El Sol es una estrella un poquito mayor que la mayor parte de las
estrellas. Pero, ¿qué ocurriría si fuese un 10% más de masa? NO ESTARÍAMOS AQUÍ. ¿Y si fuese un 10% menos de masa?
Tampoco estaríamos aquí. ¿Y si el planeta Tierra estuviese a una distancia del sol un 10% más cerca o más lejos? Tampoco
estaríamos aquí. ¿Y si el planeta Tierra tuviese un 10% más masa o menos? Tampoco estaríamos aquí. ¿Y si no hubiese Luna? NO
ESTARIAMOS AQUI. Si modificamos levemente cualquier valor en cualquier constante del universo, no estaríamos aquí.
¿Qué es exactamente lo que hace que todo el Universo se mantenga en equilibrio para que podamos existir?¿Por qué todos los
valores cosmológicos y las constantes físicas fundamentales están tan minuciosamente ajustadas para que existamos? Si la carga
del electrón o la constante de la gravitación universal o la velocidad de la luz o la densidad de materia en el Universo o la constante
de Plank o la proporción de materia-antimateria en el Big Bang, o alguna de todas las constantes fundamentales que actúan en el
Universo, tuvieran un valor una cienmillonésima parte arriba o abajo, el hombre no existiría.
A esta curiosidad sin explicación científica (sí filosófica) se le ha venido a llamar principio antrópico.
Muchas veces cuando se trata el tema hay alguien que me dice: ¡pero el universo es tan enorme, puede haber otros sitios donde se
hayan dado las mismas circunstancias para que tengan también vida inteligente y su evolución! Sí., es posible, las ley es físicas no
lo impiden, y les doy un ejemplo: si yo dejo caer un bolígrafo, ¿es posible según las leyes físicas que se me quede sobre la punta?
Sí, es posible, no hay ninguna ley física que lo prohíba, Pero, ¿es probable?.... Pues aplíquenlo al caso de la vida. Y así terminamos
con una frase de Einstein en los últimos años de su vida: "A mi ya no me interesa el espectro de un átomo o de otro, lo que yo
realmente quiero saber es si el creador tuvo alternativas cuando creó el universo". Y son los físicos los que hoy dicen: si se pone
como condición al creador que debe permitir que exista la vida inteligente, se puede decir que hay alternativas. El universo tuvo que
ser creado con un ajuste finísimo, hasta el decimal 50 de algunas de las constantes, de algunas de estas propiedades de la materia.
Multiuniversos
Algunos físicos (en su mayoría ateos), no admiten la conclusión lógica del principio antrópico: que parece natural pensar que existe
una o varias inteligencias que han ajustado las características del universo necesarias para que exista la vida inteligente.
Por eso ellos han propuesto una solución alternativa llamada multiuniversos.
Proponen que realimente existen infinitos universos. En cada uno de ellos las constantes físicas son distintas. Nosotros estaríamos
justamente en uno que es adecuado para la vida inteligente.
Sin embargo, esta teoría tiene dos problemas fundamentales:

No es una teoría científica. Es pura filosofía (no es falsable luego no es ciencia)
Si realmente son universos distintos no puede haber ni habrá nunca ninguna unión entre ellos, ya que en tal caso
realmente no serían varios universos sino solamente uno muy grande. Pero por otro lado, si no puede haber ninguna
unión entre ellos, tampoco puede pasar nada de uno a otro, ni siquiera información. Y si la información no puede pasar
de un universo a otro, nunca podrá saberse absolutamente nada de ellos y menos aun demostrar su existencia por
medio de la ciencia. Solamente puede hablarse de ellos de manera puramente filosófica.

No cumple el principio de la navaja e Occam: "No ha de presumirse la existencia de más cosas que las absolutamente
necesarias" es decir, no se puede explicar un misterio con otro misterio mayor. Por ejemplo, los arqueólogos no
pueden explicar que con los medios de los egipcios de hace unos 4500 años, se pudiera construir la pirámide de
Keops. Sería absurdo explicar este misterio diciendo que la construyó una civilización inteligente que desapareció sin
dejar rastro o que la construyeron los alienígenas, porque estos son misterios más difíciles de demostrar que el
primero.
© 2010 Pablo Gafo Sanz
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