¿Cuál es la relación entre la expansión del universo y la velocidad de la luz?

La cosmología representa la distancia como d = a (t) δ (t), con a (t) un factor de escala adimensional para la expansión. La velocidad radial de una galaxia (o cualquier otra cosa, incluida la luz) es la derivada del tiempo

v = tasa de cambio (aδ)

= a • tasa de cambio (δ) + δ • tasa de cambio (a)

= v [local] + Hd,

donde H = tasa de cambio (a) / a

es el parámetro de Hubble: el universo se expande a v = Hd = 21,000 km / segundo por billón de años luz.

La velocidad local de la luz es c, por lo que la velocidad de la luz que se acerca a nosotros es

c ‘= c – Hd.

Más allá de la distancia del Hubble, d = c / H = 14.3 billones de años luz, nuestros vecinos distantes exceden la velocidad de la luz, y la luz misma no puede acercarse.

La mayoría de las galaxias en el “universo visible” están en esta categoría de “la luz no puede acercarse”.

Entonces, ¿cómo los vemos? Básicamente, los constantes cambios del Hubble con el tiempo.

Aquí está la ruta de tiempo v. Distancia de la luz de CADA objeto en el universo que podemos ver. Estamos cerca de la esquina superior izquierda (x = distancia = 0, edad del universo = 13.8 mil millones de años). Abajo de la curva hay objetos cada vez más lejos de nosotros, antes en el tiempo en que la luz dejaba cada objeto.

Hasta la edad del universo = 4 mil millones (el punto más alejado a la derecha, a unos 5,77 mil millones de años luz), la curva es fácil: cuanto más lejos, más tiempo tarda la luz en llegar aquí. Además, cuanto más lenta es la velocidad inicial de la luz (que solo al final del viaje realmente viaja a “la velocidad de la luz”. La luz de la marca de los 4 mil millones de años ha tardado 9,8 mil millones de años en llegar a nosotros, aunque la galaxia era solo 5,77 mil millones de años luz de distancia.

La luz de las galaxias de más de 9.8 mil millones de años en realidad se fue cuando estas galaxias estaban MÁS CERCA de nosotros que los 5.77 mil millones de años luz. Pero la velocidad de la luz que salió de la galaxia “en nuestra dirección” fue inicialmente negativa, volviéndose hacia nosotros solo en el punto de 5,77 mil millones de años luz.

El último extremo del efecto de este “espejo” es la radiación cósmica de fondo de microondas, emitida por una superficie a 42 millones de años luz de nosotros en todas las direcciones cuando el Big Bang terminó después de 380,000 años con la formación del hidrógeno / helio / litio inicial gas del universo

Para la velocidad promedio de la luz como una fracción de “la velocidad de la luz”, divida 42 millones de años luz por los 13.8 mil millones de años que ha tomado el viaje

¿Qué significa que el universo se está expandiendo?

“Las galaxias fuera de la nuestra se están alejando de nosotros, y las que están más lejos se están moviendo más rápido. Esto significa que no importa en qué galaxia te encuentres, todas las demás galaxias se están alejando de ti ”.

Ecuación de Friedmann y el universo se está expandiendo

“La expansión métrica es una característica clave de la cosmología del Big Bang, está modelada matemáticamente con la métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker y es una propiedad genérica del universo que habitamos”.

En 1917, Einstein asumió: “el universo en su conjunto es estático, es decir, sus propiedades a gran escala no varían con el tiempo”.

En 1922, Friedmann demostró que existen soluciones en expansión que no tienen límites con la geometría hiperbólica. Las ecuaciones diferenciales que derivó fueron

Después de los descubrimientos del Hubble sobre la expansión del universo, la ecuación de Friedmann fue la siguiente:

En otras palabras, Friedmann planteó la posibilidad de un universo dinámico, que cambia de tamaño con el tiempo. De hecho, Friedmann introdujo la expresión “universo en expansión”.

En la década de 1990, las observaciones experimentales mostraron que la expansión del universo se está acelerando y que la energía oscura tiende a acelerar la expansión del universo.

Según el lado derecho de la ecuación de Friedmann (arriba, ecuación 33), la expansión del universo está relacionada con la velocidad de la luz. El lado derecho de la ecuación de Friedman, ha dado el espacio-tiempo real y se usa para después del Big Bang, porque k determinó las propiedades geométricas del espacio-tiempo yc es que la velocidad de la luz en el vacío es constante, pero dado que el la velocidad de la luz no es constante en el campo gravitacional, y se puede cambiar de cero para la superficie y el interior de un agujero negro absoluto a una velocidad mayor que la luz.

Lea más detalles: ¿De dónde vino la energía para el Big Bang?

¿Sabemos por qué hay un límite de velocidad en nuestro universo?

¡Buena pregunta!

El Universo se está expandiendo, lo que significa que los objetos que están más lejos se alejan de nosotros más rápido.

Eventualmente, esto significa que las galaxias muy distantes se alejarán de nosotros a una velocidad mayor que la de la luz, y no podremos verlas.

Resulta que, en la actualidad, la tasa de expansión sigue siendo lo suficientemente lenta como para que el factor limitante sea el hecho de que el Universo tiene solo 13.800 millones de años. En otros mil millones de años, veremos galaxias a otros mil millones de años luz más lejos. Esas primeras galaxias no están retrocediendo a la velocidad de la luz … todavía.

Pero si la energía oscura sigue acelerando la expansión, entonces la aceleración sobrepasará la velocidad de la luz. En ese punto, las galaxias comenzarán a desaparecer más allá de nuestro horizonte, ¡y lo que podemos ver del Universo comenzará a reducirse efectivamente!

Nada directo La expansión del espacio es un mecanismo permitido en la Relatividad General, lo que equivale a la creación de un nuevo espacio. La velocidad del límite de luz de Special Relatvity se reduce a una ley local en GR: nada puede pasar algo más a más de c, pero las cosas que ya están muy separadas pueden hacer que su separación aumente a más de c.

A medida que el Universo se expande, la tasa de recesión alcanza c a cierta distancia. Este es el horizonte de Rindler. Nada de lo que ocurre fuera del horizonte de Rindler puede alcanzar el punto / objeto con ese horizonte.

En cuanto a lo que establece la tasa de expansión (o aceleración / desaceleración) de expansión en cualquier época, no lo sabemos. Pero no está estrechamente relacionado con c, ya que c es una constante sobre el historial que se muestra cuando la expansión no es constante.

Algunos físicos han conjeturado que la velocidad de vacío de la luz puede variar de un punto a otro y de un momento a otro. Sin embargo, esto no ha sido probado.

Hasta donde yo sé, no han encontrado ninguna relación directa entre la expansión del Universo y la velocidad de vacío de la luz.

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