¿Dónde está el centro del universo?
¡No hay centro del universo! Según las teorías estándar de la cosmología, el universo comenzó con un “Big Bang” hace unos 14 mil millones de años y se ha expandido desde entonces. Sin embargo, no hay centro para la expansión; Es lo mismo en todas partes. El Big Bang no debe visualizarse como una explosión ordinaria. El universo no se está expandiendo desde un centro al espacio; más bien, todo el universo se está expandiendo y lo está haciendo igualmente en todos los lugares, hasta donde podemos ver.
En 1929, Edwin Hubble anunció que había medido la velocidad de las galaxias a diferentes distancias de nosotros, y descubrió que cuanto más lejos estaban, más rápido retrocedían. Esto podría sugerir que estamos en el centro del universo en expansión, pero de hecho, si el universo se está expandiendo de manera uniforme de acuerdo con la ley de Hubble, parecerá hacerlo desde cualquier punto de vista.
Si vemos una galaxia B alejándose de nosotros a 10,000 km / s, un alienígena en la galaxia B verá nuestra galaxia A alejándose de ella a 10,000 km / s en la dirección opuesta. Veremos que otra galaxia C dos veces más lejos en la misma dirección que B retrocede a 20,000 km / s. El alienígena lo verá retroceder a 10,000 km / s: A B C Desde A 0 km / s 10,000 km / s 20,000 km / s Desde B -10,000 km / s 0 km / s 10,000 km / s
Entonces, desde el punto de vista del alienígena en B , todo se está expandiendo lejos de él, en cualquier dirección que mire, de la misma manera que lo hace para nosotros.
La famosa analogía del globo
Una buena manera de ayudar a visualizar el universo en expansión es comparar el espacio con la superficie de un globo en expansión. Esta analogía fue utilizada por Arthur Eddington ya en 1933 en su libro The Expanding Universe . También fue utilizado por Fred Hoyle en la edición de 1960 de su popular libro The Nature of the Universe . Hoyle escribió “Mis amigos no matemáticos a menudo me dicen que les resulta difícil imaginar esta expansión. A falta de usar muchas matemáticas, no puedo hacer nada mejor que usar la analogía de un globo con una gran cantidad de puntos marcados en su superficie. Si se explota el globo, las distancias entre los puntos aumentan de la misma manera que las distancias entre las galaxias “.
La analogía del globo es muy buena, pero debe entenderse adecuadamente; de lo contrario, puede causar más confusión. Como dijo Hoyle, “hay varios aspectos importantes en los que definitivamente es engañoso”. Es importante apreciar que el espacio tridimensional debe compararse con la superficie bidimensional del globo. La superficie es homogénea, sin ningún punto que deba seleccionarse como centro. El centro del globo en sí no está en la superficie, y no debe considerarse como el centro del universo. Si ayuda, puede pensar en la dirección radial en el globo como el tiempo. Esto fue lo que sugirió Hoyle, pero también puede ser confuso. Es mejor considerar que los puntos fuera de la superficie no forman parte del universo. Como Gauss descubrió a principios del siglo XIX, las propiedades del espacio, como la curvatura, se pueden describir en términos de cantidades intrínsecas que se pueden medir sin necesidad de pensar en qué se está curvando. Por lo tanto, el espacio se puede curvar sin que existan otras dimensiones. “fuera de”. Gauss incluso trató de determinar la curvatura del espacio midiendo los ángulos de un triángulo grande entre las tres cimas de las colinas.
Cuando piense en la analogía del globo, debe recordar eso. . .
- La superficie bidimensional del globo es análoga a las 3 dimensiones del espacio.
- El espacio tridimensional en el que está incrustado el globo no es análogo a ningún espacio físico de dimensiones superiores.
- El centro del globo no corresponde a nada físico.
- El universo puede ser de tamaño finito y crecer como la superficie de un globo en expansión, pero también podría ser infinito.
- Las galaxias se separan como puntos en el globo en expansión, pero las galaxias en sí no se expanden porque están unidas gravitacionalmente.
… pero si el Big Bang fue una explosión
En una explosión convencional, el material se expande desde un punto central. Poco tiempo después de que comience la explosión, el centro será el punto más caliente. Más tarde habrá una cáscara esférica de material que se expandirá lejos del centro hasta que la gravedad lo devuelva a la Tierra. El Big Bang, hasta donde sabemos, no fue una explosión como esa en absoluto. Fue una explosión del espacio, no una explosión en el espacio. Según los modelos estándar, no había espacio ni tiempo antes del Big Bang. Ni siquiera había un “antes” para hablar. Entonces, el Big Bang fue muy diferente de cualquier explosión a la que estamos acostumbrados y no necesita tener un punto central.
Si el Big Bang fuera una explosión ordinaria en un espacio ya existente, podríamos mirar hacia afuera y ver el borde expansivo de la explosión con un espacio vacío más allá. En cambio, volvemos hacia el Big Bang y detectamos un tenue brillo de fondo de los gases primordiales calientes del universo primitivo. Esta “radiación cósmica de fondo de microondas” es uniforme en todas las direcciones. Esto nos dice que no es materia lo que se expande hacia afuera desde un punto, sino que es el espacio en sí lo que se expande de manera uniforme.
Es importante destacar que otras observaciones respaldan la idea de que no hay un centro en el universo, al menos en la medida en que las observaciones puedan alcanzar. El hecho de que el universo se expanda de manera uniforme no descartaría la posibilidad de que haya un lugar más denso y cálido que podría llamarse el centro, pero los estudios cuidadosos de la distribución y el movimiento de las galaxias confirman que es homogéneo en las escalas más grandes que podamos ver, sin señal de un punto especial para llamar al centro.
El principio cosmologico
La idea de que el universo debería ser uniforme (homogéneo e isotrópico) a escalas muy grandes fue introducida como el “principio cosmológico” por Arthur Milne en 1933. No mucho antes de eso, algunos astrónomos habían argumentado que el universo consistía solo en nuestro galaxia, y el centro de la Vía Láctea habría sido el centro del universo. Hubble puso fin a ese debate en 1924 cuando demostró que existen otras galaxias fuera de la nuestra. A pesar del descubrimiento de una gran estructura en la distribución de las galaxias, la mayoría de los cosmólogos todavía se aferran al principio cosmológico, ya sea por razones filosóficas o porque es una hipótesis de trabajo útil que ninguna observación ha contradicho aún. Sin embargo, nuestra visión del universo está limitada por la velocidad de la luz y el tiempo finito desde el Big Bang. La parte observable es muy grande, pero probablemente es muy pequeña en comparación con todo el universo, que incluso puede ser infinito. No tenemos forma de saber cuál es la forma del universo más allá del horizonte observable, y no tenemos forma de saber si el principio cosmológico tiene alguna validez en las escalas de distancia más grandes posibles.
En 1927, Georges Lemaître encontró soluciones de las ecuaciones de relatividad general de Einstein en las que el espacio se expande. Luego propuso la teoría del Big Bang con esas soluciones como modelo del universo en expansión. La clase de soluciones más conocida que observó Lemaître fueron las soluciones homogéneas que ahora se conocen como los modelos Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW). (Friedmann encontró las soluciones primero pero no las consideró modelos físicos razonables). Es menos conocido que Lemaître encontró una clase más general de soluciones que describen un universo en expansión esféricamente simétrico. Estas soluciones, ahora conocidas como modelos Lemaître-Tolman-Bondi (LTB), describen posibles formas para un universo que podría tener un centro. Dado que los modelos FLWR son en realidad un caso límite especial de los modelos LTB, no tenemos forma segura de saber que los modelos LTB no son correctos. Los modelos FLWR pueden ser buenas aproximaciones que funcionan bien dentro de los límites del universo observable pero no más allá.
Por supuesto, hay muchas otras formas aún menos uniformes que el universo podría tener, con o sin un centro identificable. Si resultara tener un centro en alguna escala más allá del universo observable, dicho centro podría convertirse en uno de los muchos “centros” en escalas mucho más grandes, tal como lo hizo el centro de nuestra galaxia antes.
En otras palabras, aunque los modelos estándar de Big Bang describen un universo en expansión sin centro, y esto es consistente con todas las observaciones, todavía existe la posibilidad de que estos modelos no sean precisos en escalas más grandes de lo que podemos observar. Todavía no tenemos una respuesta real a la pregunta “¿Dónde está el centro del universo?”.