¿La expansión del universo significa que el borde del universo está yendo más lejos o que el espacio entre la materia se expande?

TL; DR : El Universo probablemente no tiene límites y probablemente tiene un tamaño infinito, pero no estamos seguros.


Detalles

Si el Universo tiene una ventaja y si tiene un tamaño finito, en realidad son dos preguntas separadas e independientes. Puede carecer de una ventaja y aún así ser finito. Para dar una analogía, la superficie de la Tierra no tiene límites (es imposible salirse de ella), pero es de tamaño finito (la distancia de cualquiera de los dos puntos es como máximo la mitad de la circunferencia ecuatorial).

Aquí hay una lista de modelos populares que se ajustan a las observaciones (WMAP) y cómo responden nuestras dos preguntas:

  • FLRW: sin límites, volumen infinito
  • Dodecaedro de Poincaré: sin límites, volumen finito
  • Bocina Picard: sin límites, volumen finito

Algunos de estos modelos tienen propiedades bastante contraintuitivas. Por ejemplo, en el modelo de Poincaré, es posible vernos a nosotros mismos (la Tierra) en el cielo con telescopios extremadamente buenos.

Si.

Ambos y ninguno. Todo depende de cómo quieras interpretar las cosas. Todas estas son analogías. Y todas las analogías se desmoronan, si las examinas demasiado de cerca.

La forma más común en que escucho que se describe la expansión es como expandir la masa de pan. Imagina que tienes una hogaza de pan de pasas alzándose. Las pasas en el pan se separan más. Puede medir una velocidad de separación, en función de la cantidad de masa que separa las pasas. Pero esto no le dice absolutamente nada sobre el movimiento de las pasas en relación con alguien que observa cómo se eleva el pan.

Dentro del pan, uno observaría dos pasas en la parte superior del pan que se separan entre sí a la misma velocidad relativa que dos pasas en el fondo del pan. Pero la persona que observaba cómo se elevaba el pan decía que las pasas en el fondo apenas se movían, mientras que las de arriba se movían rápidamente a medida que el pan aumentaba de altura.

Sin embargo, el problema con esta analogía es comenzar a preguntar: ¿qué causa exactamente el cambio de color rojo en la luz? El tamaño de las pasas no cambia. Por ejemplo, las galaxias. Entonces, la luz que viaja a través de las galaxias tampoco se estira. Pero lo mismo se puede decir en todas partes por donde pasa la luz. Entonces, ¿cuándo exactamente esa luz se vuelve roja?

Otra analogía similar que hace que la contradicción sea más obvia es describir el espacio como un trozo de papel arrugado con puntos. A medida que el papel se aplana, los puntos se separan más. Pero localmente no se observa un cambio porque localmente el papel ya parecía plano.

Ambas analogías fallan por completo al predecir la única cosa que realmente necesitaba ser explicada, que es el cambio de luz roja basado en la distancia. Ahora podría intentar reparar la analogía diciendo que la luz es como el sonido y que la velocidad del sonido en un fluido siempre es relativa a la velocidad del fluido. Por ejemplo, si grito dentro de un avión que se mueve al doble de la velocidad del sonido, el sonido aún viaja a ambos extremos del avión a la misma velocidad relativa. En ese caso, encontramos que nuestras ondas de sonido se estirarán en longitud de onda a medida que viajan a través de la masa de pan en expansión de nuestra analogía.

El problema que surge es que esta analogía descarta lo más importante que conocemos sobre la relatividad especial; que localmente no hay un marco de referencia preferido. Para el sonido siempre hay un marco de referencia preferido. Por lo tanto, tenemos que desechar lo que sabemos sobre la relatividad especial para que esta analogía funcione.

En cambio, podría ir con el modelo de que no es el espacio el que se está expandiendo, sino que es el movimiento real. Ahora nuestro cambio rojo está perfectamente explicado. Pero ahora está atrapado en la conclusión de que a cierta distancia las galaxias tienen una cantidad infinita de energía cinética para que puedan alejarse de nosotros a la velocidad de la luz. Solucionamos un problema solo para crear uno completamente diferente.

Ambas explicaciones funcionan para explicar un efecto, pero no logran explicar completamente otro correctamente.

Ahora resulta que esto NO es un defecto en la teoría de la expansión real. Es una falla en nuestra analogía. El universo no es masa de pan, las galaxias no son pasas y la luz no es sonido. Si aplica correctamente las matemáticas de la relatividad general, encontrará que la teoría real funciona. Es solo nuestro intento de describirlo en términos que entendemos que falla.

Entonces la respuesta a su pregunta realmente es: sí, no, y tal vez. Todo depende de qué aspecto de la pregunta esté examinando, en cuanto a qué analogía simple funciona mejor.

El universo no tiene borde.

La analogía del globo a menudo es engañosa porque no se enfatiza que solo importa la superficie del globo: no hay interior ni exterior, es la superficie bidimensional del globo que es un análogo 2D del universo tridimensional (espacial) en el que vivimos.

Entonces, en la medida en que exista energía oscura, materia oscura o cualquier otra cosa, todos ellos “viven” en la superficie. Y la superficie no tiene bordes: no es como una hoja de papel. Esta es la razón por la cual se usa la analogía del globo, porque presenta una superficie que es de extensión finita pero no tiene límite.

Sin embargo, el universo real (hasta donde sabemos) es de extensión infinita, pero aún no tiene límites. De nuevo, la analogía del globo es engañosa.

Pero, en cierto sentido, la analogía del globo es apropiada: demuestra cómo, a medida que el globo se expande, la distancia entre todo y todo lo demás aumenta. Ningún punto en la superficie del globo es especial; cada punto retrocede de cualquier otro punto. Tampoco hay “centro”. Y si hay hormigas arrastrándose en la superficie del globo y tienen una velocidad máxima, habrá puntos que nunca podrán alcanzar, ya que el globo se expande demasiado rápido, y esos puntos siempre retrocederán más rápido que la velocidad máxima de esos globos. hormigas En este sentido, hay un “horizonte” para cada punto, definido por aquellos puntos desde los cuales las hormigas pueden llegar a este punto cuando viajan a su velocidad máxima. (Este sería el llamado horizonte cosmológico).

El borde del universo observable está formado por el fondo cósmico de microondas. Estos son los restos de radiación del momento inicial del Big Bang hace 13.800 millones de años. Debido a la expansión del universo, las ondas de alta energía que existían en el momento de inicio ahora se han expandido en longitud de onda y se han convertido en radiación de microondas.

Puede pensar que este fondo está exactamente a 13.8 mil millones de años luz de distancia y se expande tan rápido como la velocidad de la luz. Esto no es verdad. La distancia real es de 46.500 millones de años luz, esto se debe a que debemos tener en cuenta el universo en expansión. Del mismo modo, la expansión real de este borde es varias veces mayor que la velocidad de la luz (no estoy seguro del valor real) en lugar de solo la velocidad de la luz.

Así es como aparece el borde del universo observable, en niveles de intensidad de radiación. La frecuencia de la radiación está en las microondas, por lo que no es visible a simple vista. (Por eso el espacio parece negro)
Sin embargo, el universo entero no tiene una ventaja hasta donde sabemos. No es posible observar más allá de la radiación de fondo opaca, por lo que es posible que nunca podamos saber si existe tal borde.

La expansión del universo está (según las mejores teorías actuales) directamente relacionada con la distancia entre el observador, en este caso siempre la Tierra, y la galaxia observada. Eso es porque, hasta donde sabemos, somos los únicos observadores en el universo en esta etapa. La tasa de expansión del universo que vemos será idéntica a la que observará un observador a 13 mil millones de años luz de distancia de la Tierra.

La tasa de expansión está definida actualmente por el parámetro Hubble, que define la tasa de expansión como una distancia de 20 km / segundo / millón de años luz. Esto significa que cuanto más lejos esté un Quasar o una galaxia de la Tierra, más espacio intermedio se está creando todo el tiempo. Es importante tener en cuenta que las galaxias separadas no se “separan” en este proceso, sino que se “transportan” en el espacio 3D que rodea la galaxia. Como se puede ver en las unidades del parámetro de Hubble, este efecto solo se vuelve notable en las distancias intergalácticas, no en la distancia interestelar. Esto se debe a que la gravedad es mucho más fuerte que la fuerza de expansión, teorizada para ser (y por falta de un nombre mejor) Energía Oscura.

La mejor analogía que tengo actualmente son los pasajeros de dos trenes que se cruzan en direcciones opuestas. A medida que los trenes se alejan unos de otros, sus respectivos pasajeros están estacionarios en el marco de referencia de sus respectivos trenes y, sin embargo, ven a los pasajeros del retroceso alejándose a gran velocidad. Los trenes transportan todo dentro a una velocidad combinada a pesar de que las personas y los elementos de cada tren parecen estar estacionarios en el marco de referencia local inmediato del tren.

Si comienza a conectar números de distancia en el parámetro de Hubble, llegará al punto donde el espacio entre nuestra galaxia y las galaxias más remotas que podemos observar es tan grande que la tasa de expansión se aproxima a la velocidad de la luz (c). La distancia donde la tasa de expansión parece acercarse a c? Poco menos de 14 mil millones de años luz. ¿Te suena familiar ese número? Es la mejor estimación actual de la edad del universo. Por lo tanto, parece que cualquier galaxia a más de 14 mil millones de años luz de distancia de nosotros, se aleja de nosotros a un ritmo más rápido que el que puede viajar la luz de estas galaxias. Por lo tanto, la luz de estas galaxias nunca llegará a la Tierra.

Si crees en las teorías de la relatividad de Einstein, debes aceptar que un observador al borde de la burbuja 3D de 14 billones de años luz que rodea nuestra galaxia tendrá su propia burbuja de 14 billones de años luz, con él / ella / él en el centro de esa burbuja 3D . Observarán las mismas constantes y fenómenos observados. Para ellos, todo el universo a su alrededor se está expandiendo a la misma velocidad de aceleración basada en la distancia que observamos.

Hasta que aparezca una teoría mejor para explicar la gran cantidad de fenómenos observados que hemos estado documentando y refinando durante siglos, esta es la mejor explicación que puedo darle.

Vea este video de Veritasium para una mejor comprensión de la expansión del espacio basada en la constante de Hubble:

Conceptos erróneos sobre el universo

El Universo es como un trozo de papel, potencialmente infinito en extensión alrededor de sus “bordes”, pero plano.

Entonces, ¡tiene “bordes”! Pero solo si te refieres a eso: la frontera donde la expansión aún no ha llegado. Sin embargo, esos “bordes” no tienen una forma definida y pueden estar cambiando constantemente, ya que es constantemente superada por la expansión interminable del Universo (que de hecho se está acelerando).

En cierto modo, sí: si el modelo cosmológico estándar es razonablemente correcto, el CMB literalmente representa “el fin” (o más bien, el “comienzo”) del Universo. Más allá de la “distancia al CMB” (que varía, dependiendo de a quién le pregunte, pero los cosmólogos de precisión modernos nos dicen que está “ubicado” unos 378 000 años “después de la explosión”), nunca se puede ver nada, excepto quizás el CNB ( Cosmic Neutrino Background ), una reliquia de solo segundos “post-bang”.

Cada observador tendrá su propio cono de luz, por lo que verán su borde, esencialmente relacionado con la edad del universo y la velocidad a la que se propaga la luz. Es probable que todo el universo sea mucho más grande que lo que está dentro de nuestro cono de luz. Si hay una ventaja, no tenemos evidencia de ello.

El universo no es esférico, es una estructura cada vez mayor. Después del Big Bang se está expandiendo … Para alcanzar un borde, la superficie debe ser estable, con una forma definida, si viaja incluso a la velocidad de la luz, aún no podrá alcanzar el borde donde se encuentra la última materia oscura, la razón es simple, no puede alcanzar un borde de una superficie que se está expandiendo. Quizás cuando deje de expandirse podamos viajar hasta el borde. Lo que vemos es solo el universo observable, pero hay un universo no observable fuera de nuestro alcance que nuevamente se está expandiendo debido a la energía oscura, la fuerza más misteriosa en nuestro universo, que es totalmente opuesta a la gravedad. Espero que encienda tu imaginación.

Ninguno. La mejor estimación de los datos actuales y la teoría es que es infinita y plana, y no se espera que este resultado cambie de manera realista.

No hay bordes que nadie conozca. El universo puede ser infinito, y puede ser finito pero ilimitado, pero hasta donde se sabe, no hay bordes.

El universo OBSERVABLE tiene un borde, y esa es la distancia máxima que la luz podría haber recorrido desde el principio. Pero eso es solo una frontera, no una demarcación física real.

No hay razón para pensar que el universo está delimitado en tamaño, y por lo tanto en tiempo [espacio / tiempo]. Como no físico, percibo una cierta falta de claridad en la definición de “universo” porque parece no ser coextensivo con la “realidad”. Se nos dice que el universo que percibimos a nuestro alrededor comenzó hace 13.7 mil millones de años, por lo tanto, es probable que haya algo antes. También se nos dice que las pequeñas fluctuaciones espacio / tiempo pueden proporcionar las condiciones iniciales para que un universo “aparezca” o “explote”, y que el “espacio vacío” no está vacío, sino una sopa de partículas que aparecen y desaparecen. Eso significa que la “realidad” es una sopa infinita de partículas / espacio / tiempo en la que aparecen y se dispersan “universos” [no parecen contraerse en una singularidad, sino que simplemente continúan]. Quizás cuando la materia existente se dispersa lo suficiente, crea las condiciones iniciales para que otro se condense / explote. Por qué el tiempo parece fluir en una sola dirección parece ser la clave del rompecabezas, ya que esto no es una característica de su energía y materia subyacente.

Imposible decirlo.

Teóricamente, puedes abandonar la Tierra y continuar viajando para siempre sin llegar al final del espacio; sin embargo, es imposible decir si el espacio continúa para siempre o si todavía no has llegado al final …

El mejor modelo de nuestro universo tridimensional que conozco es el globo, pero solo cuenta la piel del globo. Es bidimensional, envuelto, siendo criaturas bidimensionales en la superficie bidimensional, nunca podemos comprender realmente el significado del espacio-tiempo curvo, pero podemos predecir cómo funciona el modelo de espacio-tiempo de Einstein. Y todas las predicciones han demostrado.

Estoy interpretando su pregunta como “Dado que el universo se está expandiendo y el tiempo no existe fuera de nuestro universo, ¿no podemos simplemente viajar en el tiempo viajando más allá del borde y simplemente esperar a que el universo se ponga al día?”

El universo está hecho de espacio-tiempo. Si viajas fuera de nuestro universo, no habrá espacio, ni tiempo , solo un vacío vacío de nada.

Sería, en cierto sentido, imposible (incluso hipotéticamente) viajar más allá del borde de nuestro universo, porque no habrá espacio ni dimensiones, sería muy extraño.

Según entiendo, lo que la ciencia astro-cosmos ‘expansionista’ cree es: el espacio entre las galaxias se está expandiendo porque la ‘energía oscura’ está forzando a galaxias enteras a separarse. Los datos de Hubble de galaxias de distancia que muestran el desplazamiento hacia el rojo comenzaron ‘el universo se está expandiendo’ en 1929, en 1998 descubrieron que el aumento del desplazamiento hacia el rojo se interpreta como una tasa de expansión creciente. Dicen que la ‘energía oscura’ desafía las leyes de las matemáticas / física en el sentido de que proviene de la nada, y viene cada vez más, para impulsar las galaxias cada vez más en desafío a la gravedad de las galaxias (física conocida, etc.)

Se cree que la materia oscura, otro elemento misterioso (mito), se produce de la misma manera, algo de la nada, y explica las rotaciones de las galaxias, etc.

Ni la ‘energía oscura’ ni la ‘materia oscura’ tienen mérito conmigo ni en las matemáticas / física / leyes / etc tradicionales. La misma ciencia nos dice que nada se mueve más rápido que la velocidad de la luz; sin embargo, si la ‘expansión del universo’ realmente está sucediendo, tal vez los bordes exteriores del universo viajarían más rápido que la velocidad de la luz en direcciones opuestas …

Está surgiendo una mejor ciencia, algo más lógico y sustancial, algo sin violar las leyes de matemáticas / física, etc.

Si ayuda a entender, es un regalo.

douG

Según el modelo de universo actualmente aceptado, no podría haber borde del universo. Si alguien viajara, digamos a una velocidad infinita, esa persona terminaría en la misma posición desde donde comenzó. Es muy similar a la superficie de la tierra. Por lo tanto, no hay borde posible.

No porque no hay ninguna ventaja

Si. Todo es posible.
Hoy se consideraría imposible, pero la palabra imposible en sí misma dice: soy posible.

No, algún día, la energía oscura destrozará todo. Incluso las partículas subatómicas.