Si el espacio mismo se está expandiendo, ¿por qué podemos medir la expansión?

Se ha planteado la hipótesis de que la expansión del universo se debe a la presencia de energía oscura (energía oscura). Permea todo el espacio y constituye una energía negativa que hace que la distancia entre las partículas aumente con el tiempo.

Ahora para responder por qué podemos medirlo, primero debemos estudiar cómo medimos las distancias. El método más simple es una regla o una varilla. Hay dos puntos que desea medir con esta barra. Veamos cómo se comporta la barra bajo la expansión del universo. La varilla está compuesta de átomos (asumiendo que está hecha de un solo tipo de átomos metálicos) que están dispuestos en una especie de red. Estos átomos se atraen entre sí y actúan contra la expansión. La expansión como dije antes solo afecta a partículas y objetos.

Entonces, a niveles pequeños, la expansión es dominada por la fuerza fuerte, la fuerza débil y la fuerza electromagnética entre partículas elementales. Sin embargo, estas fuerzas se seleccionan en distancias del orden de unos pocos kilómetros en el mejor de los casos. La longitud de Debye es el efecto de detección de los campos eléctricos y los valores típicos se pueden encontrar aquí: longitud de Debye. Tenga en cuenta que a medida que se reduce la densidad de carga, la longitud de la pantalla se alarga. Sin embargo, a medida que se reduce la densidad, la fuerza también se debilita sustancialmente y estas fuerzas se bloquean. Aún así, utilizando la longitud típica máxima dada, obtenemos aproximadamente 100,000 mo 1,000 km. Así, a escala de lunas y planetas, la expansión no se ve contrarrestada por la fuerza fuerte, la fuerza débil o incluso la fuerza electromagnética.

Sin embargo, ahora ingresamos a escalas donde la fuerza gravitacional se vuelve dominante en comparación con los otros tipos de fuerzas. A estas escalas, los efectos de otras fuerzas no disminuyen y podemos ver sus efectos en nubes de plasma y estrellas. Pero estos objetos celestiales se mantienen esencialmente unidos por la fuerza gravitacional.

La fuerza gravitacional es una fuerza de largo alcance y es fuerte en grandes distancias en comparación con las otras fuerzas. Dado que la gravedad contiene solo uno de carga de masa (masa positiva), no se puede filtrar como los campos eléctricos. Esta fuerza de atracción contrarrestará la expansión del espacio entre las partículas.

Eso significa que ahora es simplemente comparar la fuerza gravitacional contra la fuerza de energía oscura y ver cuál gana. Resulta que sobre el intergaláctico (entre galaxias), el espacio está tan vacío y vasto que la fuerza debida a la energía oscura dominará sobre la atracción gravitacional entre ellas. Hay algunas excepciones, por ejemplo, nuestra galaxia realmente va a chocar con la galaxia de Andrómeda. Pero la imagen general es que las galaxias se están alejando de nosotros. Pero sobre escalas intragalácticas (escalas que se encuentran dentro de una galaxia particular), la expansión espacial está altamente suprimida. Mientras la energía oscura no cambie, estas distancias no aumentarán.

Y así es como podemos medir la expansión espacial sin expandirnos realmente. Sin embargo, dado que interactuamos principalmente por fuerzas de pequeña escala (descuidamos la gravedad), si los objetos en nuestras escalas se separan debido a la expansión del espacio, las consecuencias serían desastrosas para la formación de átomos, moléculas y, por lo tanto, para la vida misma.

Espero que esto ayude 🙂

A menudo, los científicos usan la analogía de hornear pan para explicar la expansión del espacio. Creo que podría ayudarte también.

Considere hornear un pan de pasas y almendras. El panadero vierte la harina mezclada con pasas y almendras en un recipiente y coloca el recipiente en un horno. A medida que se calienta, la harina se expande en todas las direcciones (excepto donde esté limitada por el recipiente, por supuesto). Las pasas y las almendras se alejarán unas de otras, pero no se expanden (sí, se expanden, por así decirlo, porque todo se expande cuando se calienta, pero eso es insignificante para la expansión del pan).

Es la observación de que casi todo en el universo, que no está significativamente influenciado por la gravedad o el impulso, se aleja el uno del otro (como las manchas en un globo manchado cuando se infla) dio lugar a la teoría de la expansión del espacio. Entonces, en nuestra analogía, observamos que las pasas y las almendras se alejan unas de otras y planteamos la hipótesis de que el medio en el que están sentadas debe estar expandiéndose. También se hacen otras observaciones para sugerir que la velocidad de expansión del medio es mayor que la velocidad a la que se mueven los elementos dentro del medio y todo eso.

De todos modos, el punto es que nuestras escalas no necesitan expandirse a la misma velocidad a la que se expande el espacio (el medio). La expansión de los elementos dentro del espacio (debido al calor o la presión o cualquier otra fuerza) se rige por las reglas del medio, ya que el medio en sí mismo se rige por otras reglas (la resistencia dentro de la harina es diferente de la resistencia de la harina misma encuentros, para tomar un ejemplo de nuestra analogía).

Espero que esto aclare tu duda.

No debe pensar en la expansión como causada por una fuerza. Es solo el efecto residual del big bang, análogo a cuando arrojas una piedra al aire, sigue subiendo hasta que la fuerza de la gravedad lo detiene.
La expansión fue detenida hace mucho tiempo por las fuerzas nucleares y el electromagnetismo, porque son fuerzas fuertes. La gravedad dentro de nuestra galaxia también es lo suficientemente fuerte como para detener la expansión. Solo en el espacio entre galaxias, donde la gravedad es muy débil, puede continuar la expansión.
Por lo tanto, su regla, que se mantiene unida por fuerzas electromagnéticas, no se expande. Puedes medir principalmente la expansión del espacio.
Estoy ignorando cualquier efecto de energía oscura y similares porque no son relevantes para tu muy buena pregunta.

Sí, el espacio se expande, las galaxias se alejan unas de otras.
Ahora, puede suponer que las galaxias se están alejando físicamente entre sí debido a alguna energía “oscura”, “energía negativa”, etc., etc., completamente válida y que hace que la luz emitida por las galaxias se desplace hacia el rojo. Puede medir el desplazamiento al rojo en patrones estándar y podemos medir la tasa de expansión.
Ahora, otra forma hermosa de llegar a esto es calcular la tasa de expansión del universo teóricamente (es posible que deba tener en cuenta los datos experimentales recopilados antes para calcular francamente las constantes. Nunca he hecho este cálculo teórico, pero asumí su resultado final documentado ) y ahora supongamos que, en lugar de que las galaxias se separen, la expansión en el espacio aumenta la longitud de onda y reduce la frecuencia de la luz, manteniendo la velocidad constante, y se llega al mismo valor de desplazamiento hacia el rojo.

El estándar de medición utilizado es la luz, que tiene una velocidad constante independiente del movimiento del observador (o el paso del tiempo).

La distancia entre nosotros y los objetos cosmológicos distantes en nuestro campo de visión se determina usando el Cambio Rojo y la constante de Hubble, el Cambio Rojo que revela qué tan rápido se aleja un objeto de nosotros y la constante de Hubble que convierte esa velocidad en una distancia.

La idea de que es el espacio el que se está expandiendo, en lugar de los objetos que se mueven a través del espacio estacionario no expansivo, es (creo) debido a la observación de Hubble de que cuanto más lejos está un objeto, más rápido se aleja de nosotros. Eso solo sucedería en dos escenarios. O estamos en el centro del universo y todo se aleja explosivamente de nosotros o el espacio en todas partes se hincha hacia afuera y se lleva todo. La posibilidad de que sea la primera opción es casi infinitamente pequeña, por lo que todos optan por la segunda opción.

Supongo que la idea es que el espacio se está expandiendo. No objetos individuales en el espacio. entonces, tenemos más espacio vacío que teníamos antes, en cierto sentido. Espero que esté claro.