¿Cómo sabemos que el espacio se expandió con una velocidad más rápida que la de la luz durante la inflación del big bang?

¿Cómo sabemos que el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz en la inflación?
He leído esta pregunta Phys.SE, y dice que el límite para más rápido que la velocidad de la luz es solo para la materia y las ondas. Quiero decir, ¿el borde del universo no está determinado por algo que está allí, como ondas o materia?
Porque si no hay ondas y no importa, entonces, ¿cómo sabe uno que el espacio está ahí? ¿Cómo se puede decir que el espacio está ahí o no, si no hay materia ni ondas ahí con las que uno pueda interactuar, cómo se podría diferenciar que el espacio está ahí y no está ahí? Pero entonces, si se requiere que las ondas o la materia estén allí para que sepamos que aquí es donde está el borde, ¿cómo entonces el universo podría expandirse más rápido que la velocidad de la luz? Debo estar perdiendo algo obvio aquí, por favor, perdóname, no soy físico.

El espacio entre la 'materia y las ondas' se expandió más rápido que la luz. Esta tasa de inflación proviene de modelos teóricos, no se observa directamente .
No hay borde en el universo; en realidad, esto se aborda en varias de las respuestas a la pregunta que vincula. El Big Bang no fue como una explosión que ocurrió en un punto, con el universo expandiéndose hacia afuera desde ese punto. La teoría utilizada para describir el universo en expansión (la métrica FLRW) supone que el universo es el mismo en todas partes . Esto significa que no puede tener un borde; de ​​lo contrario, los puntos en el espacio-tiempo cerca del borde serían diferentes al resto del universo. El requisito de homogeneidad significa que el universo es infinito o está cerrado; de cualquier manera, no tiene borde.
@JohnRennie: ¿Entonces solo permitimos preguntas que demuestren que el OP ya tiene todos los conceptos correctos? En ese caso, ninguno de nosotros podría publicar ninguna pregunta, porque está bastante claro que todas nuestras teorías físicas actuales son incorrectas y probablemente divertidamente absurdas desde el punto de vista de nuestros amigos físicos extraterrestres que encontraron el TOE correcto hace unos seis mil millones de años. En otras palabras: ¿dónde establecemos el límite para los no expertos?
@JohnRennie entonces, si el universo fue el mismo todo el tiempo durante el Big Bang, ¿cuál fue la inflación? No trato de ser inteligente, pero algo se ha expandido, ¿qué fue? ¿O no hubo singularidad y el universo apareció a gran tamaño y ese aparecer con mucha energía es lo que llamamos inflación?
El espacio-tiempo se estaba expandiendo durante la inflación y, de hecho, todavía lo está, aunque en estos días se está expandiendo mucho más lentamente. El requisito de homogeneidad significa que la expansión es la misma en todas partes, es decir, la ley de Hubble con el mismo valor de la constante de Hubble se aplica en todas partes del universo. ¿ Estás preguntando qué significa expandir el espacio-tiempo ?
@LIUFA: Cuando se habla de singularidades en la física, el significado real no es que algo haya adquirido un valor infinito o infinitesimal, sino que la teoría que predice tal singularidad se rompe en ese punto y es incompleta. Simplemente se necesita una teoría diferente para continuar con la descripción de lo que realmente sucede en los puntos singulares.
@JohnRennie ¿Entonces apareció algo de materia y el espacio entre esa materia se expandió y la energía por volumen disminuyó? ¿De dónde vino ese espacio extra en el medio?
@LIUFA: parece que estás preguntando lo mismo que ¿ Cómo puede expandirse el espacio?
Creo que esto no se dijo lo suficientemente explícitamente en ninguna de las respuestas: el universo no se expandió a la velocidad de la luz durante la inflación . Este es un error recurrente. Siempre se pueden encontrar dos puntos que retroceden formalmente en C pero los puntos más cercanos no. Pero esto es cierto para un universo en expansión en cualquier momento, incluso ahora. El único momento en el que no puede encontrar puntos más cercanos para no retroceder en > C es el único instante del Big Bang, pues allí la distancia crece infinitamente por cada dos puntos. Pero no confiamos en la teoría en ese punto.
Tome el universo observable, para definir la expansión del espacio como C, implícitamente tenemos que asumir un borde y un medio. El borde se aleja del pajote en C o más. Puede ser que el 'borde' y el 'medio' sean arbitrarios y todo lo que estamos haciendo es hablar del cono de luz para un punto arbitrario. Pero es interesante que con todas las complejas tasas de expansión en curso, en relación con el cono de luz, la expansión compuesta desde el centro hasta el borde se mantendría invariable (aceleración de la corriente)
Hola, JohnRennie: probablemente ya sepas la respuesta, pero en términos de expansión a diferentes escalas. Tome el universo en el momento del origen CMB. Tenía 300.000 años. Entonces, el tamaño del universo se habría duplicado en ~ 2 segundos. La siguiente duplicación tomaría el doble de tiempo: 4 segundos. Sin embargo, la tasa de expansión como el borde desde el medio es constante. Entonces, si decimos que el espacio entre dos átomos de hidrógeno que casi se tocan se estaba expandiendo inicialmente en C, esa expansión estaría desacelerando a la inversa de la tasa de duplicación. Entonces sería (creo) -kC/2^(2t). En otras palabras....
...el espacio local pasó de una expansión en C a 0+ en los primeros minutos del universo. Podría estar totalmente equivocado y si soy Dios, espero que le des una buena paliza.
¿Por qué creen que la constante cosmológica es 10^120 veces más grande de lo que miden? La aritmética dice que es diminuto

Respuestas (2)

¿Cómo sabemos que el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz en la inflación?

Comencemos desde el principio, por la razón de que la teoría del Big Bang se propuso como modelo para el universo. La razón fueron las observaciones de que todos los cúmulos de galaxias se alejaban unos de otros. Esto es lo que sucede a partir de una explosión en el centro, en tres dimensiones. En el marco de la Relatividad General se propuso que el universo partía de una singularidad, y se propuso una solución particular y se modelaron los datos hasta un punto, llamado Big Bang.

La inflación entró para tratar de explicar otras observaciones, de hecho, las mediciones del fondo cósmico de microondas (CMB) . Muestran un universo muy homogéneo, porque aunque los mapas muestran regiones más calientes y más frías, las diferencias son menores a 0.0002 Kelvin . En el antiguo modelo del Big Bang, la homogeneidad no podía atribuirse a que el universo alcanzara un equilibrio termodinámico durante la creación de los núcleos, porque para entonces el universo era demasiado grande para que todo él pudiera comunicarse termodinámicamente con las interacciones de la velocidad de la luz y homogeneizar el temperaturas

Así, la inflación se impuso desde el principio después de la singularidad hipotética, un tiempo en el que las interacciones dinámicas cuánticas homogeneizaron el universo para crear los niveles de homogeneidad observados en el CMB.

Big Bang

Modelo BB actual

Porque si no hay ondas y no importa, entonces, ¿cómo sabe uno que el espacio está ahí? ¿Cómo se puede decir que el espacio está ahí o no, si no hay materia ni ondas ahí con las que uno pueda interactuar, cómo se podría diferenciar que el espacio está ahí y no está ahí?

Tienes razón en esto, por eso se habla del "universo observable". Los modelos se ajustan al universo observable.

Pero entonces, si se requiere que las ondas o la materia estén allí para que sepamos que aquí es donde está el borde, ¿cómo entonces el universo podría expandirse más rápido que la velocidad de la luz?

Los modelos se pueden extrapolar a partes actualmente no observables. Observamos su huella en el CMB, (370000 años después de la BB) y tal vez, si los resultados de BICEP2 se mantienen, en la huella de las ondas gravitacionales en el CMB (10^-32 segundos después de la BB), y usando las ecuaciones de la modelo BB actual, sabemos que ahora una parte del universo de entonces es inaccesible para nosotros porque las ecuaciones nos dicen que ha retrocedido con velocidades mayores que la velocidad de la luz. Vea la respuesta de CuriousOne sobre esto.

Hola, Anna VI, no creo que sea correcto que nuestras ecuaciones nos digan que existe una expansión infinita. Las ecuaciones pueden decir eso, pero la suposición está incorporada en alguna parte. No son robustos, pero
@LucyMeadow define infinito. Nuestras fórmulas no son infinitas. Se ajustan a lo observable y extrapolamos a lo inobservable. El cerebro humano hace esto cada vez que atrapamos una pelota que nos lanzan, ajustando lo observable. Tenemos las matemáticas como herramienta. Las fórmulas gravitatorias se ajustan a la tierra, pero también son válidas para la parte posterior de la luna, que es inobservable.

La inflación no viola ninguna física local de la velocidad de la luz y no existe una prohibición global en la relatividad general contra los puntos del espacio-tiempo que se alejan entre sí más rápido que la velocidad de la luz. Dichos puntos de espacio-tiempo simplemente no están causalmente conectados, es decir, no hay forma física de comunicarse entre ellos (ya que las señales de luz de uno no pueden llegar al otro punto). Lo que esto significa es que no podemos mirar "más allá" del horizonte de eventos del universo local. No sabemos qué hay "fuera" de este horizonte de eventos. Si la inflación es correcta, el universo puede ser mucho, mucho más grande que la parte que podemos ver.

O tal vez la hipótesis de la inflación no es correcta, y sucedió algo más que tiene consecuencias similares para la homogeneidad como la inflación. ¿Qué podría ser eso?

Por ejemplo, el universo podría haber existido antes de T_cosmological=0, y puede haber estado en un estado bien mezclado (es decir, homogéneo) mucho antes de que T_cosmological siquiera comenzara. Esto sucede en los modelos de "gran rebote".

O la velocidad de la luz podría ser mucho más rápida a energías ultraaltas, lo que permitiría que el universo inicial se homogeneizara mucho más rápido de lo que calculamos usando la relatividad general y la mecánica cuántica.

O la relatividad general necesita una modificación, como agregar torsión que conduzca a lo que se llama teoría de Einstein-Cartan. Si entiendo bien, en ese modelo el universo nunca fue arbitrariamente pequeño, el big bang comienza con un tamaño finito, lo que también parece ayudar a que sea más homogéneo.

Estoy seguro de que los teóricos aquí tendrán algunos argumentos por los que todos mis modelos favoritos ya han sido descartados (¡en cuyo caso me disculpo por decir tonterías!).

La conclusión importante para todos (tanto físicos como no físicos) es que es importante mantener la mente abierta sobre varias posibilidades.

Pensé que podría ser útil agregar que el modelo cosmológico basado en la torsión, en arxiv.org/abs/2006.07748 , se describe como eterno tanto en el pasado como en el futuro, y cada "big bang" es espacialmente "local". , y, en consecuencia, causalmente separados de otros en un multiverso, con sus separaciones causales permitiendo definitivamente variaciones inverificables en la velocidad de la luz. Nikodem Poplawski lo ha descrito en artículos de 2010-2020 cuyos preprints se pueden encontrar con su nombre en el sitio "Arxiv" de la Universidad de Cornell. Es falsificable si no hay una dirección preferida de movimiento.
¿Cómo sabemos que el espacio se expandió con una velocidad más rápida que la de la luz durante la inflación del big bang?
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