A medida que el universo se expande, presumiblemente el espacio-tiempo se expande, pero ¿la expansión del espacio-tiempo se parece más al estiramiento o se está creando un nuevo espacio-tiempo o la expansión se produce por algún otro proceso?

Publicado originalmente en ¿Cómo la expansión del universo crea un nuevo espacio-tiempo?

Pero todos merecen que se respondan sus preguntas …

A medida que el Universo se expande, el espacio-tiempo no se crea ni se estira.

Desafortunadamente, tenemos una historia de analogías hechas para hacer que las matemáticas abstractas de la relatividad general sean accesibles para la persona laica, solo por haber sido plagadas por la ley de interpretaciones no deseadas.

Una forma de pensar sobre la expansión del espacio-tiempo es imaginar un mazo de cartas desplegado sobre una mesa, como en la imagen que se muestra.

Cada tarjeta es su propio marco de referencia de Minkowski con su propio reloj que mide el tiempo cósmico. Todas las cartas leen el mismo tiempo cósmico. La distribución de las tarjetas es análoga a la distribución de los marcos locales de Minkowski. El mazo tiene infinitas cartas, por lo que no es necesario crear nuevas cartas y las cartas no se estiran de ninguna manera. Las tarjetas definen el marco comoving y se dice que cualquier materia que viaje junto con las tarjetas está “en el flujo de Hubble” y la materia que se mueve en relación con las tarjetas tiene una “velocidad peculiar”.

Desplazamiento rojo cosmológico
Piense en la luz desplazada al rojo de una galaxia distante. Si se crea un nuevo espacio-tiempo a medida que el universo se expande, ¿eso significa que hay huecos en el campo electromagnético a medida que aparece un nuevo espacio-tiempo donde antes no había ninguno? Si el espacio-tiempo se estira, ¿cómo se une la longitud de onda al espacio-tiempo en primer lugar? Oh, las preguntas que me hacen …

Miremos esto desde la perspectiva de un conjunto infinito de marcos de referencia que se deslizan uno al lado del otro. La galaxia estaba en un marco de referencia diferente cuando se emitió la luz, por lo que es simplemente Doppler desplazado como debe ser. La diferencia entonces entre un cambio Doppler ordinario y un desplazamiento al rojo cosmológico, es que en el caso ordinario estamos tratando con solo 2 cuadros de referencia, y en el caso cosmológico nos estamos integrando en infinitos cambios Doppler infinitos cuando el fotón salta de una tarjeta a otra. .

La expansión del universo, en casa
A menudo me preguntan si el espacio-tiempo se estira a medida que el universo se expande, entonces ¿por qué los átomos no se estiran junto con él, como lo hacen los fotones? O si el espacio-tiempo se está creando en todas partes, ¿empuja o arrastra las moléculas de aire a medida que fluye desde todas partes?

Como nota al margen: las partículas libres se mueven a lo largo de la geodésica definida por la métrica del espacio-tiempo. Tenga en cuenta que la geometría del espacio-tiempo de un fluido perfecto es completamente diferente de la que vivimos, con autos, casas y la Tierra: toda esa masa convierte nuestra métrica FLRW de fluido perfecto en un espacio-tiempo Schwarzschild modificado desordenadamente, por lo que debemos olvidar sobre la aplicación de nuestro modelo cosmológico a escalas de distancia muy por debajo de aproximadamente 500 Mpc.

De todos modos, la expansión del espacio no aplica fuerza, solo son marcos de referencia que se deslizan entre sí. Sin embargo, debe tenerse en cuenta, y se observó bien, que la expansión acelerada puede crear fuerzas no inerciales. Esto se ha estudiado en lo que se conoce como problemas de galaxias atadas y los detalles son bastante sensibles a cosas como las condiciones iniciales, pero de todos modos esa es una historia para otro momento.

Envolviendolo…
Hemos sido inundados con bolas de boliche en láminas de goma, globos inflados, pasas de uva en pan levantado, espacio-tiempo estirado y creado. Estas analogías coloridas funcionan en la medida en que conoces sus trampas.

Lo que realmente tenemos es la Relatividad general, el conjunto de herramientas matemáticas que describe cómo deben relacionarse los marcos de referencia y sus consecuencias físicas, y debemos mantenernos lo más cerca posible de ella.

El estiramiento implica que todo en el universo se infla, lo cual simplemente no es el caso con la materia tal como la conocemos. Solo observamos que el espacio se está expandiendo, impulsado supuestamente por la energía oscura. El modelo más ampliamente aceptado propone que la energía del vacío es una propiedad del espacio, por lo tanto, el espacio genera más espacio a un ritmo acelerado. Einstein llamó a esto la constante cosmológica y ahora la llamamos Lambda.

Curiosamente, las teorías de campo cuántico sobrestiman enormemente el valor de Lambda, lo que condujo a la propuesta alternativa de la teoría de la quintaesencia. Este último elude las inconsistencias al sugerir que la constante cosmológica no es constante en absoluto, difiere en valor a través del espacio y el tiempo. Por ejemplo, Lambda pudo haber sido más pequeño en el universo temprano y, por lo tanto, permitió la formación de galaxias.

Por otra parte, existe la teoría alternativa de la energía fantasma, que propone un valor más alto para Lambda. Si es correcto, el universo terminará en un Big Rip, en el que incluso los átomos se triturarán.

Una de las formas de describir el universo en expansión es con el ‘modelo de pan de pasas’.

(la constante de Hubble)
Tenga en cuenta que este modelo solo se aplica en el interior, no cerca del borde.

La dificultad con el espacio-tiempo es que fácilmente tratamos de mapearlo en nuestro mundo físico. Vemos que dos objetos se separan y en nuestro mundo observable esto siempre es causado por el movimiento de al menos uno de los objetos.
Cuando hay separación de objetos hablamos de espacio. Cuando esta separación cambia de manera observable, hablamos del tiempo.

El espacio-tiempo tal como se usa es un modelo, una forma de hacer cálculos.
Por definición, incluye todos los eventos físicos que tienen lugar.
Entonces, si tuviéramos que usar el espacio-tiempo como modelo para describir el movimiento de Plutón alrededor del Sol, podríamos usar un modelo de espacio-tiempo que solo incluye nuestro sistema solar. Si usamos el espacio-tiempo para describir eventos en nuestra galaxia, usamos un modelo de espacio-tiempo que incluye nuestra galaxia y cuando observamos todo el universo este es nuestro modelo de espacio-tiempo.
Un evento siempre está sucediendo en una determinada coordenada y en un momento determinado. Y con el modelo de espacio-tiempo lo hacemos independiente del observador, el resultado debería ser el mismo ya sea que se encuentre en nuestra galaxia, la galaxia de Andrómeda o una galaxia como EGS-zs8-1.

De vuelta al modelo de pan de pasas.
Como puede ver, donde quiera que esté en el pan, observaría el mismo tipo de ‘expansión espacio-temporal’. Las pasas son objetos (cúmulos de galaxias, por ejemplo, el Supercluster Laniakea que contiene nuestra galaxia) que están unidos por la gravedad. El pan representa el espacio. La razón por la que esto es importante es porque se cree que el universo se expande de la misma manera en todas las direcciones. No hay ningún objeto corriendo hacia nosotros que no esté atado por la gravedad. Cuando el universo es el mismo en todas las direcciones, esto debería aplicarse a todos los cúmulos de galaxias, todos deberían alejarse.

Ahora volvamos a tu pregunta.
¿Deberíamos llamar estiramiento a la expansión?
Esa es una forma de llamarlo, pero tiene el inconveniente de estar estrechamente relacionado con objetos físicos como materiales elásticos o globos.
¿Deberíamos entonces llamarlo ‘creación de nuevo espacio-tiempo’?
Si me alejo de ti, la distancia entre nosotros aumenta. Podemos llamar a esto espacio de creación, pero solo si estamos de acuerdo con el uso de la palabra ‘creación’ en este sentido. Antes de que tú y yo nos tomáramos de la mano, no había espacio. Cuando dejamos de tomarnos de las manos, se creó espacio y cuando nos separamos se crea espacio adicional. Eso también suena un poco incómodo.
Si tomamos el pan de pasas como modelo, comenzamos con masa y pasas y cuando lo horneamos, se crea un ‘espacio’ en la masa (los agujeros en una Ciabatta, por ejemplo). Pero no lo llamamos ‘crear espacio’, ¿no?

Todas las formas de describir el proceso están vinculadas a nuestra descripción de eventos físicos. Y el espacio-tiempo no son eventos físicos, el espacio-tiempo describe eventos físicos en una determinada coordenada en un momento determinado. De una manera que es independiente de un observador.

Expansión es una palabra que describe las cosas bastante bien. Los globos se expanden, los materiales elásticos se expanden, los panes de pasas o las chapatas se expanden. El espacio-tiempo se expande. Y si vemos esto como un modelo (el espacio-tiempo es un concepto matemático), la cuestión de cómo deberíamos describir esta expansión no es tan importante. Solo ten en cuenta el pan de pasas y el pan ciabatta cuando pienses en el espacio-tiempo.

Ahora tengo hambre, ¡es hora de comer pan!