Si el universo se está “expandiendo”, ¿se está expandiendo mi habitación? ¿Se están expandiendo los átomos? ¿Se está expandiendo todo?

Las estructuras unidas no se expanden, casi por definición.

Ejemplos de estructuras unidas son nucleones, núcleos, átomos, moléculas, planetas, estrellas, sistemas solares, galaxias, grupos de galaxias, cúmulos de galaxias … y cualquier cosa intermedia.

Lo importante para determinar si la expansión cosmológica es relevante para algún objeto es una cuestión de escalas de tiempo. Alguna estructura (digamos un átomo) tiene una escala de tiempo con la que se equilibra si se altera desde ese equilibrio. Para los átomos, este tiempo es muy corto, digamos [matemáticas] 10 ^ {- 16} [/ matemáticas] segundos [1]. Para la Tierra misma, una escala de tiempo relevante es algo así como 90 minutos [2].

Estas escalas de tiempo de equilibrio deben compararse con la escala de tiempo de expansión cosmológica, que es enorme , alrededor de [matemáticas] 10 ^ {17} [/ matemáticas] segundos, o [matemáticas] 10 ^ {10} [/ matemáticas] año [3 ]!

Dado que estas escalas de tiempo son muy diferentes, la expansión causada por la expansión cosmológica se relaja casi de inmediato . Es decir, la estructura ligada vuelve al tamaño que “quiere” ser tan rápido que la expansión sea irrelevante.

Una forma de pensar en esto es imaginar la expansión cosmológica como la adición de un “resorte” muy débil entre todo, donde la fuerza del resorte es proporcional a la distancia entre los objetos.
Por ejemplo, imagine tomar el sistema Tierra-Luna (sin cosmología) y agregarle un resorte. El efecto de esta primavera es tratar de acelerar los dos cuerpos lejos el uno del otro.
Si ignoras la gravedad entre la Tierra y la Luna, entonces esta primavera lograría acelerar los dos cuerpos uno del otro, agregando aproximadamente 3 cm de distancia en el primer año. Sin embargo, no puede ignorar la gravedad, porque la Tierra y la Luna están unidas gravitacionalmente entre sí. El efecto neto (puede calcular esto si lo desea) es desplazar la órbita de equilibrio de la Luna solo un poquito de la órbita sin expansión cosmológica.
El tamaño fraccional de este desplazamiento es aproximadamente proporcional a la relación de escalas de tiempo.

[1] Esto proviene de tomar una energía típica, digamos 10 eV, y convertirla en un tiempo [matemático] t \ sim \ hbar / E [/ matemático].
[2] El tiempo dinámico para un objeto gravitacionalmente ligado es [math] t_D \ sim 1 / \ sqrt {G \ rho} [/ math].
[3] Esto viene de [matemáticas] t \ sim H ^ {- 1} [/ matemáticas] donde H es el parámetro de Hubble, que medido hoy es aproximadamente [matemáticas] H \ aproximadamente 70 km / s / Mpc [/ matemáticas] . No es una coincidencia que esta escala de tiempo se aproxime a la edad del universo.

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Si las partículas de materia fueran “fijas” en sus posiciones actuales, las distancias entre esas partículas se expandirían gradualmente ( muy gradualmente … tomaría aproximadamente 10 mil millones de años para que la longitud de un objeto se duplicara).

Pero, las partículas no están fijas en su lugar. Si un electrón se encontrara más alejado del núcleo de un átomo, las fuerzas eléctricas lo llevarían de vuelta a su distancia anterior. Los átomos que forman una regla están todos unidos con enlaces químicos: si algo intenta aumentar las distancias entre esos átomos, el enlace los vuelve a unir. Algo similar sucede con la gravedad, por lo que los sistemas solares y las galaxias no se agrandan como resultado de la expansión del Universo: si diferentes partes de la galaxia se encontraran más separadas, la gravedad los empujaría hacia adentro. cosas “objetos unidos” (por ejemplo, “objetos unidos gravitacionalmente”).

La clave aquí es que la tasa de expansión es pequeña en escalas pequeñas, por lo que las diversas fuerzas presentes pueden contrarrestar fácilmente cualquier “separación” de la expansión. Sin embargo, a grandes escalas, las cosas están lo suficientemente separadas como para que la expansión se vuelva más significativa y la gravedad se vuelva menos significativa, lo que resulta en que las galaxias distantes se alejen más.

Erik Anson

P: Si el universo se está “expandiendo”, ¿se está expandiendo mi habitación?

No Imagine el universo como una pista de patinaje sobre hielo gigante con todos los edificios descansando sobre el hielo.

Te sientas en tu casa, mirando por la ventana las otras casas en tu calle. Durante muchos meses, notas que las otras casas se están alejando. Los condominios al final de la tierra se están alejando más rápido que las casas, y los rascacielos en la ciudad cercana (que también descansan sobre el hielo) se alejan aún más rápido.

A partir de esto, puede concluir que el hielo debe expandirse en todas las direcciones. Su casa no se hace más grande porque está hecha de madera y clavos, y la mantienen unida mientras el hielo recién expandido se desliza por debajo.

El universo funciona así. Al menos en casos ordinarios, la materia no está estrechamente ligada a ningún punto en particular en el espacio, es por eso que podemos lanzar naves espaciales. El universo puede hacerse más grande todo lo que quiera, pero la fuerza nuclear fuerte y débil, la fuerza electromagnética e incluso la débil fuerza de la gravedad mantienen unidas a las tortugas y los palillos de dientes, los sistemas solares y los cúmulos galácticos.

Pero el universo es muy, muy, muy grande, y la mayor parte de lo que hay dentro está demasiado separado para que la fuerza gravitacional evite la expansión como una línea de telas tendidas sobre el hielo.