Cuando el universo se expande, ¿crea nuevo espacio, materia u otra cosa?

Sí, el espacio se está creando constantemente. El nuevo espacio no contiene materia (como átomos) o materia oscura. Esto significa que la densidad de la materia normal y oscura disminuye al mismo ritmo que aumenta el volumen . Sin embargo, la energía oscura , que es algo completamente diferente y se cree que es una propiedad del propio vacío, se crea con el nuevo espacio, por lo que la densidad de la energía oscura se mantiene constante.

Esto a su vez significa que mientras el Universo primitivo (es decir, desde que tenía 70.000 años hasta casi 10.000 millones de años) estaba dominado por la materia, el Universo ahora está dominado por la energía oscura.

Y solo empeorará.

La expansión del espacio-tiempo no implica la creación de nada. Lo que está ocurriendo en el proceso de expansión es la ampliación de la métrica misma del espacio-tiempo.

Imagine esto como cualquier sistema de coordenadas arbitrario con puntos geométricos separados por una distancia constante. A medida que se expande el espacio-tiempo, la distancia entre estos puntos geométricos se expande la misma distancia para cada punto. Básicamente, cada región del espacio-tiempo se está expandiendo alejándose de cualquier otra región a la misma velocidad y distancia, sin importar dónde se encuentre.

Esta es la razón por la que pensar en la "creación" de nueva materia como el método de expansión no solo es incorrecto, sino que no es útil en absoluto, ya que introduce la idea de que el espacio-tiempo tiene un borde concreto donde siempre surgen cosas nuevas que posiblemente podrían ser pensadas. de como una cierta distancia de nosotros. no es asi La expansión del espacio-tiempo está ocurriendo en todas partes a medida que se expanden las distancias entre cada punto de nuestro sistema de coordenadas.

A nuestra escala (y, de hecho, en cualquier escala más pequeña que la de los cúmulos de galaxias) no vemos esta expansión isotrópica como fuerzas gravitatorias entre objetos superadas después de esta expansión coordinada. Recuerda que Andrómeda se dirige actualmente hacia nosotros como recordatorio. Los cúmulos de galaxias están siguiendo la expansión y actualmente se están distanciando unos de otros. Sin embargo, se debe tener cuidado aquí. No son las distancias entre las galaxias del cúmulo las que se están expandiendo, son los propios cúmulos distanciándose unos de otros.

Durante el 'big bang', la distancia entre coordenadas era cero. Aquí es de donde proviene la idea de la singularidad inicial, ya que la densidad del espacio-tiempo se vuelve instantáneamente infinita con la afirmación de que no existe ningún espacio geométrico (busque la definición de singularidad para obtener más aclaraciones). La mayoría le dirá actualmente que la noción de la singularidad existente es dudosa y que las descripciones del espacio-tiempo de la Relatividad General no se adhieren a lo que está sucediendo en el nivel cuántico, pero eso está fuera del alcance de esta pregunta.

Esta pregunta también se produjo en la lección 4 de Modern Physics de Leonard Susskind en relación con un modelo que mostró para explicar la expansión.

"Pedacitos de espacio, pedacitos de espacio recién formado, esa es una forma de pensarlo. La otra forma de pensarlo es simplemente a través de las ecuaciones de la relatividad general..."

Creo que sería un error pensar que el espacio se 'crea'. O al menos, eso sería más como un concepto metafísico. Plantea la cuestión de qué es el espacio y qué es¿creación? No creo que tenga mucho lugar en la relatividad general (al menos no sin considerar modelos más profundos que intentan unificar la relatividad general con la teoría cuántica de campos). ¿Se crea espacio o simplemente se estira (en comparación con una banda elástica, creamos una banda elástica cuando estiramos una banda elástica)? Esos conceptos pueden ser formas de pensarlo pero no describen con precisión lo que "son", o al menos van más allá de la descripción física y matemática. Las ecuaciones actuales (al menos a las ecuaciones de la relatividad general) no dicen si el espacio se estira o si se crea espacio. Esos conceptos son irrelevantes.

No existe ningún mecanismo físico por el cual podamos decir 'esto o aquello está creando espacio'. Una visión contrastante interesante que pone la expansión y la "creación" del espacio bajo una luz diferente es el punto de vista de que el universo en expansión y las ecuaciones relativistas ya se pueden derivar utilizando solo la dinámica newtoniana ( descrita por primera vez por McCrea y Milne a mediados de los años 30 ). Ese marco, aunque conduce a las mismas ecuaciones, es una noción newtoniana y tiene una interpretación diferente. Es bueno mencionar que en la mecánica newtoniana el espacio es absoluto (por lo que cuando un volumen se expande, se podría decir que debe haber algo así como la creación de espacio), pero en la relatividad general este no es el caso. Lo que a ti te parece grande puede parecerle pequeño a otro observador.

En la Relatividad General, la expansión del universo puede describirse mediante las ecuaciones de campo de Einstein como cualquier otro movimiento. Podría compararlo con el modelo cosmológico newtoniano y ver la expansión del universo como se describe en las ecuaciones de movimiento (es decir, no hay una entidad mágica que esté causando la expansión al "crear" espacio, es solo un movimiento ordinario como lo describe Einstein ecuaciones de campo).

Estas ecuaciones se pueden expresar muy brevemente como:

• ^{Nota: las siguientes ecuaciones se pueden escribir de muchas maneras diferentes. He usado la notación de Jerzy Plebanski Andrzej Krasinski, en An Introduction to General Relativity and Cosmology}

  El universo en expansión se puede describir mediante las ecuaciones de campo de Einstein.

  $R^{\mu\nu} - \frac{1}{2}g^{\mu\nu}R+\Lambda g^{\mu \nu} = G^{\mu \nu} + \Lambda g^{\mu\nu} = \kappa T^{\mu \nu} \\$

  dónde$\kappa = \frac{8\pi G}{c^4}$es la constante de Einstein y$\Lambda$la (desconocida) constante cosmológica.

  Una de las muchas soluciones específicas son las ecuaciones de Friedman (para un universo isotrópico homogéneo) que utilizan la geometría de Robertson-Walker

  $\begin{array}{rcl} d s^2 &=& g_{\mu \nu} dx^{\mu} dx^{\nu} \\ &=& d t^2 - R(t) \left( \frac{d r^2}{1-kr} + r^2(d \theta^2 + \sin^2\theta d \psi^2) \right) \end{array}$

  con$R(z)$un factor de escala dependiente del tiempo y$k$el índice de curvatura.

  Esto conducirá a una solución para el factor de escala.$R$

  $\begin{array}{rcrcl} G_{00} &=& \frac{3k}{R^2} + 3 \frac{\dot R^2}{R^2} &=& \kappa \epsilon - \Lambda \\ -G_{11} = -G_{22} = -G_{33} &=& \frac{k}{R^2} + \frac{\dot R^2}{R^2} + 2 \frac{\ddot R}{R} &=& -\kappa p + \Lambda \end{array}$

  dónde$p$es la presión y$\epsilon$es la densidad de energía.

La expansión se puede ver como un efecto cinemático (como con la expansión en la cosmología newtoniana) y cuando es descrita por las ecuaciones de movimiento en el marco de la relatividad general es equivalente a un cambio, en el tiempo, de la 'métrica' . Este cambio de la métrica pasa a ser la forma en que podemos describir el movimiento, la gravitación y el electromagnetismo de una manera relativista.

Si lo desea, podría llamar a ese efecto algo así como 'creación de espacio', pero entonces, en mi opinión, necesitaría ser consistente y llamar a cualquier otra contracción/estiramiento de longitud relativista como 'espacio que se crea/elimina' (por ejemplo, el espacio se elimina de interferómetro de Michelson y Morley cuando se está moviendo, o cuando pasan ondas gravitacionales, entonces experimentamos una repetida eliminación y adición de espacio).

Entonces, la próxima vez que veas caer una manzana de un árbol, debes imaginar que, desde el punto de vista de esa manzana, el espacio se contrae, por lo tanto, se elimina el espacio.