¿Qué significa la expansión del universo?

Este es un concepto notoriamente difícil de entender. Tengo una analogía bastante buena (la del globo) que explicaré más adelante, pero primero algunos detalles.

El espacio no es una cosa como partículas masivas / energía es realmente una cosa, pero todavía es algo que puede hacer cosas. Al tratar de entender la relatividad general, mi explicación favorita ha sido la analogía de una sábana estirada, con una canica y una pelota de baloncesto en la parte superior (la canica sería la tierra y la canasta sería el sol). Mirar la distorsión de la hoja te da una idea de cómo la masa afecta la “tela” (es demasiado perfecto, lo sé) del espacio-tiempo. Aquí hay una buena imagen para eso.


Expansión del espacio-tiempo

Entonces, estás imaginando el espacio como una sábana, aunque en realidad no es 2D sino 3D, aunque eso es difícil de visualizar ya que con el ejemplo 2D, usamos la tercera dimensión para visualizar la fuerza de la distorsión. Pero si está pensando en un universo en expansión, puede pensar en esa sábana como una sábana en expansión. ¿Pero cómo se está expandiendo? Si está tratando de hacer de esto una analogía para el universo, no está mágicamente agregando material en los bordes de la hoja, en realidad está expandiendo literalmente cada pequeño punto en esa hoja. El resultado final de eso para las “cosas” masivas es que ves la canica y el baloncesto lentamente separándose.

Un ejemplo más fácil es la analogía del globo. Supongamos que tiene un globo y lo ha explotado hasta cierto tamaño. Ahora imagine que coloca su dedo en algún punto, lo marca con un marcador permanente y hace lo mismo para algún otro punto cercano. Digamos que estas dos cosas son galaxias. Ahora explota el globo un poco más. Verás que los dos puntos se alejarán uno del otro. Así es como sabemos que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado. Si eres ese punto, puedes mirar el desplazamiento al rojo de la luz entrante de esa galaxia y ver que de hecho se está alejando de ti. Si no está familiarizado con el desplazamiento hacia el rojo / desplazamiento hacia el azul, piense en una sirena de policía que viene hacia usted y cómo suena cada vez más alto (desplazamiento hacia el azul), y luego, cuando pasa, el sonido cambia en la dirección inversa (desplazamiento hacia el rojo). El cambio ocurre en ese caso con ondas de sonido en lugar de ondas de luz.

Borde de nuestro universo

Entonces tiene razón en que tenemos una “ventaja” para el universo. Hay una cierta distancia que la luz puede viajar en 13.7 mil millones de años (la edad de nuestro universo). Dado que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, en realidad hay un espacio que se ha expandido más allá del borde de nuestro universo . Ahora definamos algunas cosas. El borde de nuestro universo visible se llama horizonte de partículas, y esa es la distancia que la luz podría haber recorrido en el tiempo en que nuestro universo ha existido (menos unos 300,000 años desde que los fotones aún no fueron “inventados” (no estoy seguro si eso es cierto) técnicamente preciso, pero si estás más interesado en esto, se llama la última dispersión)). A veces, el multiverso se llama universo real que se ha expandido más allá del horizonte de partículas. Esto puede ser confuso, por supuesto, porque un multiverso suena como universos múltiples, y en cierto sentido eso es lo que es. Si estás más cerca del horizonte de partículas que la Tierra, podrás ver más adentro del universo. Lo que me lleva a la siguiente sección …

Centro del universo

Estamos en el centro del universo. Así es Saturno. También lo es Alpha Centauri, y también las estrellas que están en el borde de nuestro horizonte de partículas. Ves aquí que estar en el centro del universo realmente no tiene sentido. ¿Dónde comenzó el Big Bang? También una pregunta sin sentido. Regrese a la analogía del globo y dígame dónde comenzó el “universo” del globo. El universo comenzó en el Big Bang, que era un punto infinitesimal. Puedes imaginarte que si comprimes el globo y que tu respiración hacia él fue el catalizador de su gran explosión, no podrías responder a la pregunta de dónde estaba el centro del universo del globo, porque estaba en todas partes y en ninguna parte . A medida que se expandía, cada pieza estaba en el centro. Esta es una distinción importante que se debe hacer sobre los multiversos, como dije en la sección anterior. No es imposible tener universos completamente aislados dentro de un multiverso que comenzó con ese universo que comenzó con el Big Bang. Esta imagen es bastante explicativa.


En otras palabras, tienes un universo que comenzó y luego se expandió mucho, tanto que la velocidad de la luz no pudo seguirle el ritmo. Terminas con estas piezas aisladas de ese universo, dadas por los círculos rojos, por las cuales la luz podría haber viajado en la era del universo desde el centro de ese círculo rojo hasta el borde del mismo. Cambiamos el nombre del universo al multiverso, y luego cada una de esas pequeñas áreas delimitadas por círculos rojos son universos. Distinguimos nuestro pequeño universo llamándolo el universo visible.

Más allá del borde de nuestro universo / multiverso

Eso, mi amigo, es algo que todavía tenemos que entender.

Las primeras expansiones de la expansión del universo se pudieron encontrar cuando los astrónomos estaban midiendo los espectros de las nebulosas. Descubrieron que la luz se desplazó hacia el rojo, lo que significa que los objetos se movían a una velocidad proporcional
a la cantidad de corrimiento al rojo. Todo culminó en la trama de Edwin Hubble, conocida como el diagrama de Hubble.

Relación velocidad-distancia entre nebulosas extragalácticas. Las velocidades radiales, corregidas para el movimiento solar (pero etiquetadas en las unidades incorrectas), se trazan contra distancias estimadas a partir de estrellas involucradas y luminosidades medias de nebulosas en un cúmulo. Los discos negros y la línea completa representan la solución para el movimiento solar al usar las nebulosas individualmente; los círculos y la línea discontinua representan la solución combinando las nebulosas en grupos; la cruz representa la velocidad media correspondiente a la distancia media de 22 nebulosas cuyas distancias no se pudieron estimar individualmente. [1]

La gráfica representa la ecuación que describe el ajuste lineal, v = Ho × distancia, (v es la velocidad), que es la Ley de Hubble; la pendiente de esa línea es la constante de Hubble , Ho; y 1 / Ho es el tiempo del Hubble. [1]

Recientemente, la constante de Hubble (medida con el telescopio Spitzer) se calculó en 74.3 +/- 2.1 kilómetros por segundo por megaparsec. (1 megaparsec es 3,26 millones de años luz). [2]

La expansión del universo está dada por la expansión de Friedmann-Robertson-Walker (FRW) , a veces también llamada Modelo Estándar de Cosmología Moderna , que es ampliamente aceptada.

Como mencionó Hadayat, solo el espacio se expande con el tiempo.
La Tierra o incluso toda la Vía Láctea no se está expandiendo. Esto se debe a que en escalas relativamente pequeñas, la gravedad gana en comparación con la expansión del universo. Por supuesto, hay energía oscura que acelera esta expansión.

“La condición límite del universo es que no tiene límite”.
-Stephen Hawking

No, el universo no tiene un límite. Nadie sabe qué existe fuera de ese límite, si tal cosa existiera.

El radio del universo debe ascender a 13.700 millones de años, lo que significa que el universo debe ser plano. Pero, en realidad, no lo es. FRW supone que el universo es homogéneo (la misma información está disponible para los observadores presentes en diferentes ubicaciones) e isotrópico (se ve de la misma manera en todas las direcciones), lo que significa que no hay una distancia o borde máximo .
Para más detalles, puede consultar esta página: Expansión métrica del espacio

Y, para saber qué sucedió inmediatamente después del Big Bang y sobre las distintas épocas, puede consultar esta buena respuesta aquí:
La respuesta de Jay Wacker a ¿Por qué ocurrió la expansión cósmica después de que el Universo tenía 8 mil millones de años?

Referencias
[1] Diagrama de Hubble y expansión cósmica
[2] El universo todavía se está expandiendo. Como se esperaba.

Hay algunas buenas respuestas aquí ya. Para mí, lo que inicialmente parecía confuso era lo siguiente: OK, seguro que podemos volar el globo, el espacio puede expandirse. Pero, ¿por qué eso no significa que todo (que después de todo existe en el espacio) simplemente se expande con él? Te harías más grande, yo me haría más grande, la tierra se haría más grande, pero quién podría decirlo, ya que todos nuestros gobernantes también se harían más grandes y, de hecho, cada estándar de comparación se haría más grande. Eso no es lo que sucede, de hecho, y la razón, en términos generales, es que el asunto en el espacio es irregular y pegajoso. Es decir, no se distribuye suavemente en todo el universo, sino que se concentra en cúmulos y galaxias y estrellas y planetas, que se mantienen unidos debido a interacciones gravitacionales y / o electromagnéticas que son relativamente bastante fuertes. Entonces, en la analogía del globo, los puntos no se pueden dibujar con un marcador mágico (en cuyo caso se agrandarían a medida que el globo se expande), sino que deberían (por ejemplo) granos de arena pegados a la superficie ( que se separarían entre sí a medida que el espacio entre ellos se expande pero que no se expandirían ellos mismos).

En primer lugar, comencemos con cómo los científicos descubrieron que el universo se está expandiendo. Cuando se ven galaxias distantes y otros objetos estelares, se observó un cambio en la frecuencia de la luz (debido al efecto Doppler). A partir de eso, se concluyó que todas las galaxias se están alejando unas de otras, es decir, el universo se está expandiendo.

Inicialmente se creía que toda la materia en el universo se estaba expandiendo en el espacio (¿qué era infinito?). Pero, más tarde, cuando se calculó la velocidad a la que las galaxias se alejan entre sí, resultó ser mayor que la velocidad de la luz.

Pero, según la teoría de la relatividad, no se supone que la materia se mueva más rápido que la luz. Entonces, los físicos trataron de razonar que la materia no se está separando realmente, sino que el espacio en sí se está expandiendo a un ritmo mucho mayor que la velocidad de la luz. Y resulta que el espacio está permitido así.

Ahora rebobina el proceso de expansión del universo. Lo que obtienes, el universo se está contrayendo rápidamente y cuando vas al ‘principio’ en sí mismo, lo que tienes es un punto donde se concentra toda la masa del universo y la curvatura espacio-tiempo es infinita (la gravedad tiene la propiedad de doblar la tela espacio-tiempo). En tal condición, toda la materia estaría inmensamente caliente y la densidad sería infinita. Dado que la curvatura del espacio-tiempo es infinita, las leyes ordinarias de la física no se mantendrán en esa condición dando lugar a lo que se conoce como ‘singularidad’.

Y así, amigo mío, así es como surgió la teoría del Big Bang.

La expansión del universo significa que el espacio mismo se está estirando. Debido a esto, todo se mueve más aparte. No hay “borde” o “límite”, ya que el universo no se está expandiendo en nada, ya que es todo lo que existe.

Simplemente significa que la envoltura virtual que abarca Toda la materia en el universo se está expandiendo.

Aquí hay una explicación intuitiva simple que puede ser correcta: la fuerza de gravitación funciona como un cuadrado inverso de la distancia. Esto significa que se vuelve muy muy débil (recuerde el cuadrado ) a gran distancia. Dado que el espacio no tiene fricción, las cosas se están separando a una velocidad rápida una vez que están fuera de la fuerza gravitacional fuerte de los objetos cercanos. Dado que el espacio también es tridimensional, la posibilidad de encontrar otros cuerpos también es escasa.

En otra analogía, todas las distancias intra disminuyen / son constantes, pero todas las distancias inter aumentan. Gracias a la ley gravitacional. Entonces, el universo se está expandiendo.

Durante años, los científicos han creído que la ley o velocidad de Hubble es igual al número de Hubble multiplicado por la distancia a las galaxias, lo que implica que el universo se está expandiendo. Pero espere un momento, ¿podría el mismo “número de Hubble” realmente significar que el tamaño del universo está en realidad “fijo” al igual que el tamaño de la galaxia de la Vía Láctea es fijo y no se expande?

En realidad, los “números de Hubble” siempre se han basado en una y solo una cosa: ubicación, ubicación, ubicación. Estamos ubicados en un radio de 1.48014 x 10 ^ 24 km desde el punto de origen. Si formamos una circunferencia de 9.3 x 10 ^ 24 km alrededor de ese radio, podemos mostrar que los números de Hubble realmente significa que vivimos en un cosmos ‘no expansivo’ de la siguiente manera:

[(2Pi) x (1.48014 x 10 ^ 24km – nuestra ubicación desde el punto de origen) / distancia que la luz puede viajar para cualquier ‘edad’ del cosmos = el número de longitudes de arco o ‘edades’ (actualmente 71.25)]. Esta simple ecuación “deroga” la ley de Hubble y sugiere que la constante de Hubble es superflua.

Por lo tanto, [(z = 0.00436) x (2Pi) x (1.48014 x 10 ^ 24km) / (71.25 longitudes de arco) x (3.08 x 10 ^ 19km) = 18.47 megaparsecs a una galaxia en el cúmulo de Virgo]. Estimación original del Hubble igual: (z = 0.013) x (9.3 x 10 ^ 24km) / (500 longitudes de arco) x (3.08 x 10 ^ 19km) = 7.85 megaparsecs a una galaxia en el CV

En conclusión, esto puede leerse como “herejía” para la comunidad científica ortodoxa, pero el cosmos (“universo”) no se está expandiendo. Los números de Hubble son simplemente el número total de longitudes de arco (edades) que hay en una gran circunferencia “fija” con un perímetro de 9.3 x 10 ^ 24 km. Solo piense, si el sistema solar fuera del tamaño de un átomo de flúor (número atómico 9), los movimientos de la Vía Láctea probablemente se verían como un “universo en expansión” para los pequeños ocupantes del sistema atómico de flúor, ya que observaron el Vía Láctea a través de sus instrumentos “diminutos”.

El universo se está expandiendo de hecho. Imagina un globo donde hay lunares. A medida que el globo se infla, esos puntos se alejan más y más el uno del otro. Las manchas están en el mismo lugar, pero la tela sobre la que descansan se está expandiendo. Del mismo modo, las galaxias son esos puntos y el espacio-tiempo es el tejido que se expande. El universo es finito pero ilimitado. No tiene límite. Considere nuevamente una hormiga que puede moverse sobre la superficie del globo. Nunca se encontrará con un borde del universo. No hay nada más allá del universo. Es como preguntar qué hay al norte del polo norte en la tierra. El Polo Norte en la tierra es el Polo Norte. Nada puede estar más al norte en la tierra.

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