Previamente respondí una pregunta relacionada, que preguntaba cómo el universo podría tener un “radio” de 45 mil millones de años luz si el universo tiene solo 15 mil millones de años y nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz.
Intenté explicar la “geometría” del universo. Primero usando la analogía del “globo de goma” que otro usó, y luego en una edición posterior usando una analogía bidimensional de lo que está sucediendo en el “espacio-tiempo multidimensional”.
Algunas de las otras respuestas a esa pregunta solo decían “el universo se expande”, lo que en mi respuesta sugerí fue “tonto”.
Sin embargo, todavía no estoy contento con esa respuesta, y está claro de esta pregunta que muy a menudo la mejor respuesta necesita la pregunta correcta para comenzar.
Primero volvamos a mi analogía bidimensional.
Dibuja un circulo. Luego dibuja un círculo más grande alrededor de él, usando el mismo centro. Esto puede representar una “expansión del radio”.
Primer problema: el universo que conocemos no tiene un centro, salvo en el tiempo.
Consecuencia: el universo que conocemos no tiene un “radio”.
Conclusión: necesitamos algo más que un “radio” para ilustrar la “expansión” en nuestra hoja de papel bidimensional.
Así que probémoslo de esta manera:
El “universo modelo” es una colección FINITA de círculos muy pequeños en el papel. Hagamos que el papel sea lo suficientemente grande como para hacer lo que queramos con ese número finito de círculos.
Ahora vamos a definir qué representa ese “círculo”. Fácil. representa un “agujero negro” muy pequeño, algo con una cantidad finita de energía de masa y un “radio” real definido por las leyes fundamentales de la física, donde aceptamos que no podemos “observar” el “interior” de ese círculo, incluso si podemos sugerir algo que está “adentro” que resultará en lo que observamos “afuera”.
Debido a que estos “agujeros negros” tienen “gravedad”, cambian la FORMA del “espacio-tiempo”.
Ahora, antes de continuar, déjenme aclarar que SHAPE y SURFACE son de ahora en adelante las únicas “palabras” que usaré para describir lo que está sucediendo tanto en nuestro modelo bidimensional como en nuestra realidad multidimensional.
En matemáticas, una “superficie” está en dos dimensiones, y una “forma” en nuestra visión tridimensional del universo está (obviamente) en tres dimensiones.
Pero usando un modelo bidimensional del universo como analogía, hay dos tipos de “superficie”: las líneas que crean los círculos pequeños y la línea que se puede dibujar alrededor de todos los círculos pequeños, que podrían representar el punto máximo de “expansión”.
Segundo problema: el universo que conocemos no puede tener un centro, y este modelo aún nos permitiría “estimar” un centro.
Así que ahora traduzcamos el modelo a MÁS dimensiones.
Podemos establecer fácilmente una regla que dice que “se definen tres dimensiones” al decir que usando vectores ORTOGONALES (ángulo recto), la “distancia vectorial” entre el círculo A y el círculo B, y la “distancia vectorial” entre el círculo B y el círculo C tiene que “estar de acuerdo” con la “distancia vectorial” entre el círculo C y el círculo A.
En otras palabras, si los tres círculos están dispuestos como un triángulo rectángulo, tienen que obedecer la regla de Pitágorus.
En notación vectorial A = (0, 0), B = (0, 1) C = (1,1) y, por lo tanto, la “distancia vectorial” entre A y C es la raíz cuadrada de 2.
Pero para que OBSERVEMOS una distancia diferente entre A y C que la raíz cuadrada de 2, debemos OBSERVAR en más de las dos dimensiones del documento.
Por ejemplo, como en la SUPERFICIE de una esfera.
Y eso es lo que significa “relatividad”. Lo que A “observa” de B no “está de acuerdo en 2 dimensiones” con lo que B “observa” de C, porque todo es relativo al observador.
Y OBSERVAMOS en la “superficie” de una “esfera”.
Así que ahora volvamos a mi declaración anterior. La gravedad cambia la FORMA del espacio-tiempo. Esto significa que podemos tener TRES tipos posibles de “superficie”.
- Uno donde la “forma” está “cerrada”, de la MISMA MANERA en que nuestro círculo modelo está cerrado en dos dimensiones, pero recordemos que el “centro” de este “círculo” es el punto en el espacio-tiempo del Big Bang , y nada más. Es por eso que esta es la “forma” más fácil de entender, ya que tenemos un “centro” a tiempo para usar.
Tenga en cuenta el problema fundamental de explicar por qué la gravedad no solo evitaría que todo se expandiera, ya sea al principio, cuando solo hay “un pequeño círculo” con todo en él o después de un cierto período de tiempo.
- Uno en el que la “forma” es “plana”, y esto sería algo donde la “superficie” sería una hoja de papel plana infinita, o la superficie de una esfera con un radio infinito, que no sea cuando se cambia por gravedad y otras “fuerzas”, y aquí el “centro” está en todas partes en el papel, excepto que en realidad esto es solo una representación “en papel” del punto en el espacio-tiempo del Big Bang
Como he explicado antes en mi otra respuesta, tanto en todas partes dentro de los “pequeños círculos” como en todas partes afuera.
Entonces, lo que tendría es algo así como el observador A “observando” a B en algún lugar en tres dimensiones ARRIBA y yendo a un papel de “plano de referencia” PLANO bidimensional, mientras que al mismo tiempo el observador C observaría a B en algún lugar en tres dimensiones ABAJO y LEJOS de un papel PLANO bidimensional de “plano de referencia”.
En otras palabras, dependiendo del “observador”, verá diferentes “vectores” de expansión, que es lo que queremos tener porque no hay un “centro desde el cual expandirse” en la relatividad.
En otras palabras, el papel de “plano de referencia” PLANO bidimensional NO EXISTE excepto como una forma de definir lo que NOSOTROS observamos.
Tenga en cuenta también el concepto fundamental de que las “fuerzas” realmente no existen. Se pueden describir como una “superficie” o como un “intercambio de partículas”.
La “superficie” nos dice cómo “aceleran RELATIVO al observador”. Las “partículas” que se “intercambian” realmente tampoco existen, en sí mismas. Lo que definimos como un “fotón” o un “gravitón” es solo la palabra que usamos para representar el cambio cuántico en la energía.
- Y uno donde la “forma” es “abierta”, y desafortunadamente, no hay forma de representar esto más que usando DOS analogías diferentes.
La “forma” del universo está determinada por su “superficie”, que en la Relatividad General es cómo las cosas se “aceleran en relación con el observador”.
Si en tres dimensiones un “universo abierto” es como una esfera, esto significa que hay partes de la “superficie de la esfera” que no existen, porque no hay “aceleración” y, por lo tanto, no hay “fuerza de gravedad”, y podemos visualizar esto como algo así como una esfera con agujeros en ella. Allí el universo perderá toda su energía térmica, tarde o temprano, a través de esos “agujeros”.
- Si en dos dimensiones un “universo cerrado” es como un círculo donde el ACUERDO entre dos “partículas” siempre es más corto que el ARC, esto significa que tarde o temprano la atracción de gravedad entre esas dos partículas contrarrestará su expansión. El universo tiene que ser FINITO, y el Big Bang puede entenderse fácilmente como la mitad de un ciclo Big Bang y Big Crunch.
Y, por lo tanto, debemos preguntarnos cómo el Big Bang podría “existir a tiempo” el tiempo suficiente para expandirse, pero no lo suficiente como para contraerse de inmediato.
- Si en dos dimensiones un “universo plano” es como un círculo donde el ACORD tiene la misma longitud que el ARC, lo que significa que el universo continuará expandiéndose, esto sugiere que el universo es “infinito” en la mayoría de las formas en que lo entendemos ser, ya que no hay ninguna parte del universo, que no sea la evidencia del Big Bang en sí, que muestre alguna señal de “enfriamiento”.
Y eso es en general lo que vemos.
- Entonces, si en dos dimensiones un “universo abierto” es algo así como un círculo donde el ARC es más corto que el ACORD, entonces lo que realmente estamos diciendo es que la “fuerza de gravedad” que “actúa sobre ese acorde” es más débil que la “expansión sobre el arco “.
Entonces ahí lo tienes. Dos formas de visualizar cómo se expande el “universo”, teniendo en cuenta la base fundamental de la relatividad general que lo hace posible.
- Lo que llamas “espacio” en realidad no existe , como tampoco lo hacen las “fuerzas”.
- Lo que llamamos “espacio-tiempo” existe, pero solo puede ser “definido” por el observador. Lo que vemos
- Lo que vemos siempre es relativo a nosotros: el observador .
Para nosotros, el universo tiene que expandirse, y tiene que existir, porque eso es lo que observamos.
Y observamos cosas que están a 45 mil millones de años luz de distancia como si estuvieran a solo 15 años luz de distancia, porque esa expansión solo puede definirse en MÁS DE TRES DIMENSIONES.
A pesar de mis mejores esfuerzos para usar analogías de dimensiones inferiores, y por favor, aprecio que es porque siempre encontré las matemáticas más difíciles de entender que trato de explicar algo que un matemático probablemente podría explicar mejor, si entendiera tan bien como físico cuál fue realmente el problema al explicarlo.
La pregunta más difícil es explicar cómo, si solo hay una cantidad finita de energía de masa en el universo, cómo podría haber comenzado como cerrado o abierto, y si es plano, cómo podría existir el universo.
Respuesta corta y simple: el universo “crea” el espacio que necesita para que lo observemos.
Los fotones que interactúan con tu retina que provienen del Big Bang inicial realmente no existen antes de que los veas, y realmente no existen después de que lo hagas. El fotón es “creado” por nosotros solo para que podamos observarlo.
