¿Haz de luz (1 fotón) en el universo limitado?

Si nuestro universo no es infinito, ¿qué sucede con el haz de luz (o fotón) cuando viajará por todo el universo? Por ejemplo, el universo observable según wikipedia tiene un diámetro de 93 mil millones de años luz. ¿Qué pasará con el fotón después de 93 mil millones de años si lo genero ahora? ¿Volverá a mí? ¿O nunca llegará al "borde" del universo porque el universo se está expandiendo más rápido?

ACTUALIZAR 1

Por supuesto, supongo que el fotón no se absorberá :) porque es solo un pensamiento teórico. Y volver atrás quiero decir no exactamente al mismo punto, pero aproximadamente dentro de algún rango (digamos 5% del tamaño del universo).

¿Entiendo correctamente que hay algunas opciones para el caso cuando el universo es finito (significa "geometría cerrada")?

  1. El fotón nunca regresará porque el universo colapsará ante él (en caso de que no haya energía oscura).

  2. El fotón nunca regresará porque el universo se expande más rápido que la velocidad de la luz.

  3. El fotón volverá porque el universo se expande más lento que la luz. ¿Y cuál de estas 3 opciones es la más probable desde el punto de vista de los científicos actuales?

Respuestas (2)

Se dice que un universo finito tiene una "geometría cerrada" o que está "curvado positivamente", lo que significa que, en principio, puede viajar en línea recta y eventualmente regresar a su punto de partida. En la analogía 2D, la superficie de la Tierra tiene una curvatura positiva, y si recorres 40 000 km en línea recta, vuelves al punto de partida.

Sin embargo, un universo finito que no contiene energía oscura de algún tipo está destinado a colapsar, y se puede demostrar matemáticamente que incluso un fotón no regresará a su punto de partida antes de que el universo se haya derrumbado. Solo si considera un fotón emitido exactamente cuando se crea el universo (Big Bang), volverá exactamente cuando el universo termina (Big Crunch).

Si el universo contiene una cantidad suficiente de energía oscura, esto puede evitar el colapso. Esto puede hacer que se expanda demasiado rápido para que el fotón "recupere", pero puede ajustar sus componentes de manera que la expansión/colapso sea lo suficientemente lento como para que el fotón regrese.

Uno de esos modelos es "el universo merodeador", que ganó cierto interés en la década de 1960, como una explicación de un exceso de cuásares alrededor del corrimiento al rojo. z ≃ 2 (por ejemplo, Petrosian et al. 1967 ). Si la desaceleración de la materia se equilibra casi exactamente con la aceleración de una constante cosmológica, puede haber un período de tiempo (arbitrariamente largo) en el que el universo permanece estático.

Sin embargo, las observaciones indican que nuestro universo no es tal universo ( Planck Collaboration et al. 2018 ).

Tenga en cuenta también que dado que el universo no está vacío, un fotón puede ser absorbido en su camino y no regresar incluso si la expansión lo permite. Sin embargo, en nuestro universo, los fotones que se emitieron poco después del Big Bang (los llamados fotones CMB) han viajado en su mayoría libremente a través del espacio desde entonces, con solo el 5% interactuando con la materia en su camino.

Gracias. Por supuesto, supongo que el fotón no se absorberá :) porque es solo un pensamiento teórico. Y volver atrás quiero decir no exactamente al mismo punto, pero aproximadamente dentro de algún rango (digamos 5% del tamaño del universo).
¿Entiendo correctamente que hay algunas opciones para el caso en que el universo es finito (significa "geometría cerrada")? 1. El fotón nunca regresará porque el universo colapsará antes que él (en caso de que no haya energía oscura) . 2. El fotón nunca regresará porque el universo se expande más rápido que la velocidad de la luz. 3. El fotón regresará porque el universo se expande más lentamente que la luz. ¿Y cuál de estas 3 opciones es la más probable desde el punto de vista de los científicos actuales?
@Zlelik #1 es una opción posible, pero #2 y #3 no lo son exactamente. Primero, el término "Expandiéndose más rápido que la luz" realmente no tiene sentido como tal. Los puntos (o galaxias) en un universo en expansión retroceden a un ritmo proporcional a su distancia ("ley de Hubble"), por lo que habrá galaxias retrocediendo más lentamente y galaxias retrocediendo más rápido que la luz (por ejemplo, en nuestro Universo, las galaxias están separadas por más de ~14 Glyr retrocede en v>c).
En segundo lugar, retroceder a v>c no significa necesariamente que un fotón no pueda alcanzar una galaxia. De hecho, sin energía oscura, los fotones desde una distancia arbitrariamente grande pueden alcanzarnos, e incluso con DE, los fotones de la región que retrocede st v>c pueden (por ejemplo, en nuestro Universo, los fotones de las regiones en d ≲ 17 Glyr puede alcanzarnos). Ver la "paradoja" de la hormiga en una cuerda de goma .
Finalmente, si por "punto de vista de los científicos actuales" te refieres a lo que creemos que sucederá en nuestro Universo, entonces estamos bastante seguros de que un fotón nunca regresará. El Universo parece ser infinito, y en todas las circunstancias se expande demasiado rápido. Si quiere decir "qué tipo de universo es más probable que exista", entonces la respuesta es (creo) "No tenemos ni idea".
Muchas gracias por la aclaración. Pero pensé que cuando respondiste "se dice que el universo finito tiene una "geometría cerrada"", ¿eso significa que los científicos actuales piensan así (que nuestro universo es finito y tiene geometría cerrada) o no? Además, no entendí cómo es posible que los fotones de 1 galaxia puedan llegar a otra galaxia si se alejan más rápido que la luz. ¿O es porque el espacio es curvo?
@Zlelik No, cuando digo "un universo finito", me refiero a cualquier universo concebible dentro de nuestra comprensión física. Pero como escribo más adelante, nuestro universo, el "Universo" (con U mayúscula), no es tal universo. El Universo no es el único universo físicamente posible , pero es el único que podemos observar, y muy posiblemente el único existente. Las observaciones indican que el Universo es "plano" (en oposición a "cerrado" o "abierto") y, por lo tanto, infinito, pero dado que solo podemos observar una región finita (el "Universo observable" desde el cual la luz ha tenido tiempo de llegar nosotros), no podemos estar seguros.
Puede decir que no tiene sentido hablar de universos que no existen, pero en realidad en muchos casos sí lo es. Por ejemplo, el Universo primitivo estaba dominado por la radiación, por lo que en muchos cálculos tiene sentido considerarlo como un universo que contiene solo radiación, y no materia ni energía oscura. Además, dado que no conocemos la geometría en escalas más grandes que el Universo observable, mantenemos abiertas todas las posibilidades, por así decirlo.
En cuanto a su última pregunta, el hecho de que la luz nos llegue desde una galaxia que se aleja más rápido que la luz, no tiene nada que ver con la curvatura. Ni con la energía oscura acelerando el espacio. Las respuestas no son triviales, pero lea el artículo Wiki al que vinculé en el comentario anterior sobre la hormiga en la cuerda de goma (puede omitir todas las matemáticas). Al final, hay una alusión al Universo en expansión. Si todavía no tiene sentido, probablemente debería hacer una nueva pregunta, ya que se vuelve demasiado larga para un comentario :)

Nadie puede decirlo con certeza porque, si bien tenemos teorías que se ajustan bastante bien a nuestras observaciones, esas teorías requieren que el universo sea considerablemente más grande que la parte que podemos ver: la luz simplemente no ha tenido suficiente tiempo para llegar a nosotros todavía. Pero dado que no tenemos observaciones de este universo extendido, corremos un riesgo significativo de que nos equivoquemos de alguna manera importante. Además, sabemos que nuestras teorías actuales están incompletas: una de las cosas que nuestras teorías no nos dicen es si el universo es finito o infinito. (Nota: algunas teorías sí hacen una predicción, pero no están respaldadas por mejor evidencia que las teorías que hacen predicciones diferentes. El jurado, compuesto por experimentadores , aún está deliberando).

¡Pero podemos responder a tu pregunta! Si el universo es infinito, el fotón nunca regresará. Eso es obvio. Pero incluso si es finito, nuestras teorías muestran que los puntos del universo suficientemente separados se separan más rápido que la velocidad de la luz debido a la expansión del espacio, por lo que, en este caso, el fotón nunca regresará. Hay evidencia fuerte (pero no revestida de hierro) a favor de que esta imagen sea cierta.

Pero incluso si el espacio no se estuviera expandiendo FTL, el fotón nunca volvería a casa porque el espacio no es perfectamente plano. La masa curva el espacio y las grandes masas (como las galaxias gigantes y los cúmulos de galaxias) curvan el espacio lo suficiente como para que podamos medirlo. Entonces, el espacio actúa como un panel de vidrio ligeramente ondulado, e incluso si fuera finito y no se expandiera, los fotones no regresarían a casa, pero eventualmente regresarían a unos diez millones de años luz de casa a medida que pasaban. en su camino alrededor del universo por segunda vez!

Por supuesto, esto es cierto solo si su fotón no se absorbe. Hay muchas cosas en el universo que absorben fotones y si un fotón viajara lo suficiente, eventualmente sería absorbido.

Entonces, despídete ahora porque esta es la última vez que verás tu fotón.

El 95% de todos los fotones CMB aún no han interactuado con ninguna materia desde que se emitieron, y dado que el Universo se está expandiendo, la mayoría de los fotones probablemente nunca lo harán. Además, tenga en cuenta que incluso si dos puntos se alejan entre sí más rápido que la luz, un fotón aún puede llegar de un punto al otro en un tiempo finito.
¿Haz de luz (1 fotón) en el universo limitado?
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