¿Cuál es el significado de la "expansión del espacio"?

Cuando decimos que "el espacio entre las galaxias se está expandiendo", ¿qué queremos decir realmente? Por ejemplo, si pienso en el espacio como una cuadrícula cartesiana, entonces, cuando el espacio se expande, ¿debería pensar en ello como si agregara más puntos de la cuadrícula o aumentara la distancia entre los puntos de la cuadrícula? ¿O es esta una imagen defectuosa del espacio-tiempo incluso cuando está lejos de densidades de masa significativas?

Me parece que debe ser el caso de que estamos "agregando más puntos de cuadrícula" porque de lo contrario no observaríamos la expansión ya que cualquier cosa que ocupara esa parte de la cuadrícula (por ejemplo, la luz, mi mano, etc.) también se expandiría. en una cantidad correspondiente (de lo contrario, después de una cantidad suficiente de expansión, podríamos observar procesos a escala subatómica como a escala macroscópica). Pero si es el caso de que estamos agregando más puntos de cuadrícula, entonces la "expansión" del espacio parece un nombre inapropiado: ¿no debería llamarse "creación" del espacio?

Dicho esto, cualquiera de los casos (agregar puntos de cuadrícula o estirar distancias) podría ser el mismo proceso dependiendo de la naturaleza del espacio-tiempo (es decir, si fuera discreto pero denso, como Rationals, en lugar de estrictamente discreto (Integers) o estrictamente continuo (Reales)... Espero que la analogía tenga sentido).

Entonces, ¿qué está pasando realmente en el espacio intergaláctico? ¿Cuál es el significado de su expansión? ¿Corresponde a crear más espacio, estirar el espacio que ya existe, o algo más sutil?

Aunque no es un duplicado exacto, mi respuesta a ¿El tiempo se expande con el espacio? incluye una descripción de lo que entendemos por expansión del espacio.
Lo que parece es que el significado de la expansión del espacio es que nuestras varas de medir encuentran distancias más grandes entre puntos en el espacio en momentos posteriores (que, por supuesto, es solo una forma de cuantificar la afirmación "el espacio se está expandiendo"). Esa es una respuesta bastante insatisfactoria. Pero, ¿es esa realmente la mejor explicación que tiene la teoría: el espacio se expande significa que la distancia entre dos puntos aumenta con el tiempo? Seguramente hay una idea más profunda de lo que la teoría tiene que decir acerca de cómo el espacio mismo está cambiando cuando se da el caso de que nuestras varas de medir encuentran distancias mayores en tiempos mayores.
Puedo ver (lo que creo que es) tu punto. El problema es que la comprensión más profunda por la que te esfuerzas es muy profunda. El comportamiento del espacio-tiempo está ligado a una simetría fundamental llamada covarianza general . El espacio-tiempo se expande porque tiene que hacerlo para respetar esta simetría.

Respuestas (1)

Podría comenzar esta respuesta diciendo que el espacio no es realmente lo que se está expandiendo; que es el factor de escala de la métrica que está creciendo más grande. Pero no lo haré porque esa es solo una forma demasiado complicada de decir que el espacio se está expandiendo. Pero para responder a su pregunta, la forma más correcta de pensarlo sería que los puntos de la cuadrícula se están alejando. No es que estemos agregando más puntos de cuadrícula.

Tiene razón en que el "estiramiento" del espacio se aplicaría a todas las cosas. Por ejemplo, sabemos que a medida que la luz viaja por el espacio, la expansión hace que su longitud de onda se expanda de manera correspondiente. Sin embargo, la razón por la que no nos expandimos es que tenemos fuerzas que nos mantienen unidos. El espacio entre nuestros átomos no se expande porque la fuerza electromagnética es más fuerte y mantiene a nuestros átomos relativamente en el mismo lugar. De manera similar, la gravedad del Sol mantiene a la Tierra en su órbita a pesar de la expansión. De hecho, para todos los objetos dentro de nuestro grupo local, la gravedad es lo suficientemente fuerte como para contrarrestar el efecto de la separación de los puntos de la cuadrícula.

TLDR: la expansión del espacio es más como "estirar" que agregar nuevo espacio

Si una fuerza mantiene unidos dos objetos a pesar de que el espacio se expande debajo de ellos, esto significaría que los objetos están en una especie de cinta rodante. Es decir, los objetos se mueven uno hacia el otro, mientras parecen estar a la misma distancia ya que el espacio entre ellos se expandió. Si ese es el caso, la fuerza está realizando trabajo y los objetos deberían perder energía potencial, ¿no es así?
@SujoyGupta Podría tomar ese punto de vista, pero recuerde que si la fuerza que los sostiene está haciendo trabajo, entonces la expansión también está haciendo trabajo para mantenerlos esencialmente en la misma ubicación. El efecto neto se cancela y nos queda el hecho de que, dado que los objetos no se acercan ni se separan, no hay un cambio neto en la energía potencial.
Así que aquí está el problema: si este es el caso, entonces, después de mucho tiempo, ¿no debería la expansión del espacio implicar que los procesos de vacío que solían ocurrir en escalas de longitud muy pequeñas ahora serían observables macroscópicamente? Dado que las fluctuaciones del vacío están controladas por los campos que son funciones del espacio, entonces, ¿qué impide que las distancias sobre las que pueden existir partículas producidas por pares (por ejemplo) se expandan también (en otras palabras, elevando el valor de ℏ )? ¿Será que las teorías expansionistas se quiebran en ese límite o me estoy perdiendo alguna sutileza?
Si el espacio se está estirando, entonces también nuestras varas de medir se están estirando con el espacio. ¿No implicaría eso que también las leyes de la física se están "estirando" y, por lo tanto, en realidad no notaríamos ninguna diferencia? Creo que es más exacto decir que se agrega espacio, es decir, en palabras del OP, se agregan puntos de cuadrícula.
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