La expansión del universo es bastante sutil, pero la mejor manera de pensarlo es que es el espacio subyacente (y el tiempo) entre los objetos que se expande con el tiempo, pero la tasa de expansión (es decir, la tasa a la que dos los puntos dados retroceden unos de otros) no son constantes, sino que están determinados por la separación inicial que tienen.
Por ejemplo, en un instante dado, la distancia entre dos puntos que están inicialmente más cerca aumenta más lentamente que la distancia entre dos puntos que inicialmente están más separados.
Por lo tanto, los objetos que están más lejos de nosotros (como las galaxias distantes) parecen estar alejándose de nosotros a una velocidad mucho mayor. Este efecto es observable (y de hecho así fue como se estableció la expansión) a través del hecho de que la luz de las galaxias distantes se desplaza hacia el rojo, o de manera equivalente, que su longitud de onda aumenta (¡por lo tanto, se vería más roja!) A medida que se estira Mayor cantidad de espacio entre nosotros y la galaxia.
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El punto clave es que la expansión del universo no representa la expansión del universo a otra cosa. Esta expansión se manifiesta en el hecho de que todo se aleja de todo lo demás. No hay epicentro o locus para esta expansión. Si estuvieras observando galaxias distantes desde la Tierra, Marte o incluso en Andrómeda, todo aparecerá como si estuvieras alejándote de ti.
La analogía más clara (que se describe comúnmente) es que el universo puede considerarse como la superficie de un globo inflado:
Considere dos pares de puntos conectados por líneas de menor longitud A y B (rojo y verde respectivamente). Estos puntos viven en la superficie del globo que debemos imaginar representa todo el universo, NO el interior del globo.
A medida que el globo se infla, las curvas A y B se convierten en las nuevas curvas (más largas), A ‘y B’. Dado que A es inicialmente corto, la longitud de A ‘no es mucho mayor en comparación con A (cuando el globo se infla), pero dado que B es inicialmente más largo, ¡la longitud de B’ es significativamente mayor que B! Pero, ¿qué vería un observador en este “universo”, en términos de expansión? Bueno, supongamos que tomamos dos puntos x e y y consideramos lo que vería un observador en cada uno:
El observador como x ve que todo se aleja de ellos, y los puntos más distantes retroceden más rápidamente. Pero un observador en y vería igualmente que todo se aleja de ellos exactamente de la misma manera. Por lo tanto, no hay ningún sentido en el que la expansión esté únicamente “centrada” en cualquier ubicación particular: el punto x , y , o de hecho, cualquier otro punto podría parecer igualmente el epicentro de la expansión. Hasta ahora, la analogía del globo es justa, pero hay un sentido crucial en el que no explica cómo se expande el universo de acuerdo con la teoría de Einstein.
En el ejemplo del globo, la inflación se representa por el hecho de que la superficie (bidimensional) del globo se expande en un espacio tridimensional. En contraste, ¡la expansión de nuestro universo no necesita ser representada por la expansión hacia nada! Esto puede parecer completamente contra-intuitivo, pero hay un tipo similar de sutileza en relación con la noción de curvatura en la teoría de Einstein: la curvatura en la teoría de Einstein (responsable de la gravitación) no representa la curvatura del espacio-tiempo en otra cosa (esta idea se conoce como curvatura extrínseca) , pero representa algo completamente intrínseco a sí mismo (la noción de curvatura intrínseca ).
Ahora, ¿cómo se relaciona esto con la velocidad de la luz, y en particular con el postulado de Einstein de la constancia local de la velocidad de la luz? Bueno, en realidad, la tasa de expansión entre puntos suficientemente distantes es tan alta que una señal de luz enviada de un lugar a otro nunca la alcanzará. En este sentido, “los dos puntos se expanden más rápido que la luz”. Pero tenemos que tener mucho cuidado, porque esta oración, tomada al pie de la letra, no es realmente cierta: lo que está sucediendo, más precisamente, es que la distancia entre dos puntos suficientemente separados aumenta tan rápidamente que ninguna señal de luz puede atravesar la distancia ¡entre ellos! Lo que esto significa es que, allá afuera en el espacio, ¡hay un límite más allá del cual la luz del más allá no puede alcanzarnos, precisamente porque la tasa de expansión del universo es demasiado grande a estas distancias para que la luz pueda alcanzarnos! Este es precisamente el horizonte cosmológico y es, literalmente, un límite de la parte del universo que podemos observar, por lo tanto, todo entre nosotros y este límite comprende lo que llamamos el universo observable.
Entonces, ¿es el postulado de Einstein de que nada puede viajar localmente más rápido de lo que la luz todavía obedece? Ingenuamente podría pensar que no, porque parece que algunas cosas se están alejando de otras a una velocidad mayor que la de la luz, pero en realidad no hay ningún problema para el postulado de Einstein. La respuesta, como siempre, es bastante sutil.
El postulado de Einstein dice que dado cualquier camino particular a través del espacio-tiempo entre dos puntos (una línea recta, una curva, una espiral, etc.), nunca se podría enviar una señal a lo largo de ese camino más rápido que una señal de luz enviada a lo largo del mismo camino. El hecho crucial aquí, en relación con la expansión del universo, es que los caminos entre los puntos cambian a medida que el universo se expande, por lo que en realidad ¡nada sale mal con este postulado! Las rutas pueden cambiar, pero el hecho de que no pueda transmitir nada más rápido que la luz a lo largo de cualquier ruta no cambia. Un punto clave es que, aunque comúnmente se expresa de esta manera, el postulado de Einstein no solo dice “nada puede viajar más rápido que la luz”, sino que es una declaración muy particular y precisa sobre la transmisión de información a lo largo de cualquier camino, que no puede atravesar el camino más rápido que la luz, según cualquier observador.
