¿Por qué es tan grande el universo?

El universo es grande a escala humana, pero eso no significa mucho. No es sorprendente que los humanos sean pequeños en comparación con el universo, pero grandes en comparación con los átomos. Esa característica tiene una explicación antrópica obvia: las estructuras complejas solo pueden formarse en escalas intermedias, no en los tamaños más grandes o muy pequeños. Dado que los organismos vivos van a ser complejos, no es sorprendente que nos encontremos en un tamaño intermedio en comparación con el universo y las partículas elementales.

Lo que podría decirse que es más interesante es que el universo es tan grande en comparación con las escalas de física de partículas. La longitud de Planck, desde la gravedad cuántica, es de 10 ^ {- 33} centímetros, y el tamaño de un átomo es de aproximadamente 10 ^ {- 8} centímetros. La diferencia entre estos dos números ya es desconcertante: está relacionada con el “problema de jerarquía” de la física de partículas. (El tamaño de los átomos está fijado por la escala de longitud establecida por las interacciones de electrodébil, mientras que la longitud de Planck está establecida por la constante de Newton; las dos distancias son extremadamente diferentes, y no estamos seguros de por qué). Pero la escala del universo es aproximadamente 10 ^ 29 centímetros de ancho, que es enorme para cualquier escala de microfísica. Es perfectamente razonable preguntar por qué.

Parte de la respuesta es que las configuraciones “típicas” de las cosas, dadas las leyes de la física tal como las conocemos, tienden a estar muy cerca del espacio vacío. (“Típico” significa “alta entropía” en este contexto.) Esa es una característica de la relatividad general, que dice que el espacio es dinámico y puede expandirse y contraerse. Entonces me das una configuración particular de la materia en el espacio, y puedo encontrar muchas más configuraciones donde la misma colección de materia se extiende sobre un volumen de espacio mucho mayor. Entonces, si tuviéramos que “elegir una colección aleatoria de cosas” obedeciendo las leyes de la física, sería en su mayoría un espacio vacío. Cuál es nuestro universo, más o menos.

Dos grandes problemas con eso. Primero, incluso el espacio vacío tiene una escala de longitud natural, que se establece por la constante cosmológica (energía del vacío). En 1998 descubrimos que la constante cosmológica no es del todo cero, aunque es muy pequeña. La escala de longitud que establece (aproximadamente, la distancia sobre la cual la curvatura del espacio debido a la constante cosmológica se vuelve apreciable) es, de hecho, el tamaño del universo actual: unos 10 ^ 26 centímetros. (Tenga en cuenta que la constante cosmológica en sí es inversamente proporcional a esta escala de longitud, por lo que la pregunta “¿Por qué la escala de longitud cosmológica constante es tan grande?” Es lo mismo que “¿Por qué la constante cosmológica es tan pequeña?”)

Esto plantea dos grandes preguntas. El primero es el “problema de coincidencia”: el universo se está expandiendo, pero la escala de longitud asociada con la constante cosmológica es una constante, entonces, ¿por qué son aproximadamente iguales hoy ? El segundo es simplemente el “problema de la constante cosmológica”: ¿por qué la escala constante cosmológica es tan enormemente más grande que la escala de Planck, o evento que la escala atómica? Es seguro decir que en este momento no hay respuestas ampliamente aceptadas para ninguna de estas preguntas.

En términos generales: la respuesta a “¿Por qué el universo es tan grande?” Es “Porque la constante cosmológica es tan pequeña”. Y la respuesta a “¿Por qué la constante cosmológica es tan pequeña?” Es “Nadie lo sabe”.

Pero todavía hay otra arruga. Las configuraciones típicas de las cosas tienden a parecer espacios vacíos. Pero nuestro universo, aunque relativamente vacío, no es * ese * vacío. Tiene más de cien mil millones de galaxias, con cien mil millones de estrellas cada una, y más de 10 ^ 50 átomos por estrella. Peor aún, hay quizás 10 ^ 88 partículas (principalmente fotones y neutrinos) dentro del universo observable. ¡Son muchas partículas! Un estado mucho más natural del universo sería mucho más vacío que eso. De hecho, a medida que el espacio se expande, la densidad de partículas se diluye, nos dirigimos hacia un estado mucho más natural, que será mucho más vacío que el universo que vemos hoy.

Entonces, dado lo que sabemos sobre física, la verdadera pregunta es “¿Por qué hay tantas partículas en el universo observable?” Ese es un ángulo sobre la pregunta “¿Por qué la entropía del universo observable es tan pequeña?” Y, por supuesto, la densidad de partículas fue mucho mayor, y la entropía mucho menor, en los primeros tiempos. Estas preguntas también son preguntas para las que no tenemos buenas respuestas en este momento.

Nadie ha visto los límites del universo ni sabe si existen tales límites. Pero Edwin Hubble descubrió que nuestro universo está en constante expansión desde el momento de la singularidad del Big Bang. Este avance confirmó que hubo un evento llamado Big Bang en el que toda la materia del universo se concentró en un pequeño núcleo de densidad infinita. Mientras haya materia habrá energía ( E = mc ^ 2 ). Como la energía no se puede crear ni destruir de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la materia tampoco se puede crear ni destruir. En el momento de la singularidad del Big Bang, la materia era energía, la energía era materia. Estaban en equilibrio.

La materia alguna vez fue pequeña (en el momento de la singularidad del Big Bang) si cuestionas su tamaño. Pero el espacio es infinito ya que da paso a toda la materia en el universo que se expande. Esto es hasta donde nuestro entendimiento nos ha llevado en este momento.

La teoría del Big Bang es solo eso; una teoría. No se ha demostrado que sea un absoluto. Si bien es cierto que el cambio rojo en la luz de las estrellas es lo que impulsó la teoría, también hay otro aspecto del cambio rojo. El universo también se está acelerando. Entonces tenemos expansión y aceleración. Revertir el curso realmente lleva al universo a una singularidad … ¿o no?

No solo tiene que revertir la expansión, sino que también tiene que desacelerar. Podría ser que el universo deje de moverse ANTES de convertirse en una singularidad. Si ese es el caso, entonces el Big Bang es falso. Sin mencionar que la ciencia no puede explicar qué causó el Big Bang o qué había al otro lado.

En cuanto a por qué es tan grande, solo Dios lo sabe.

Por la misma “razón” por la que eres tan alto como eres, lo es. No hay una razón para cualquier cosa que pueda formar una pregunta, y esta pregunta es una de esas para las que no hay respuesta.

Por la energía oscura. Pero la materia oscura impide que el universo se expanda más …

Después del Big Bang, lleva bastante tiempo alcanzar las condiciones donde la vida puede surgir y florecer.

Todo ese tiempo, nuestro universo se está expandiendo, así que para cuando evolucionamos lo suficiente como para poder estudiarlo, ya ha crecido bastante.

El Kosmos se está expandiendo. Deberías haberlo visto hace 13 mil millones de años. Fue agradable y pequeño.

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