Inmediatamente después del Big Bang, ¿cómo superaron las partículas la gravedad extrema y otras fuerzas y lograron separarse?

He leido esta pregunta:

¿Por qué el universo no colapsó en un agujero negro poco después del Big Bang?

donde lubos motl dice:

Esta materia no tiene centro, es casi uniforme en todo el espacio, y tiene una velocidad lo suficientemente alta (alejándose de sí misma) que la densidad finalmente se diluye.

Ahora, esta y ninguna de las otras respuestas (hay muchas) responden a mi pregunta específicamente. No estoy preguntando sobre el colapso en un agujero negro. Estoy preguntando, justo después del Big Bang, la densidad era extrema, por lo tanto, la gravedad y la curvatura tenían que ser extremas, tal vez la velocidad de escape (es decir, en este caso, la velocidad necesaria para que las partículas se separen) podría haber alcanzado cerca o incluso superar la velocidad de la luz. Pero eso es solo gravedad. Están las otras fuerzas (en ese punto unificadas si entiendo correctamente), que deben haber estado manteniendo unidas las partículas. Esto podría involucrar también a la época del fotón y del quark.

Ahora primero pensé:

  1. Tal vez no eran partículas que se separaban, sino simplemente espacio que se expandía entre ellas. Pero espera. En primer lugar, el espacio se está expandiendo incluso ahora. En todos lados. Contrariamente a la creencia popular, el espacio se está expandiendo por todas partes. Incluso aquí donde estamos. Es solo que aquí, las otras fuerzas están dominando. Nosotros, que estamos hechos de materia, nos mantenemos unidos por las otras fuerzas que dominan la expansión del espacio. Así que el espacio se está expandiendo aquí mismo, pero la materia de la que estamos hechos permanece unida. No volar aparte aquí. El espacio también se estaba expandiendo en ese entonces. entonces, ¿cómo pudo la expansión del espacio superar todas las otras fuerzas en ese entonces pero no ahora?

  2. Puede ser solo un problema de escala. La expansión del espacio, algunos la llaman energía oscura, podría ser simplemente algún tipo de fuerza, presión negativa, que se extiende por todo el universo. Actúa sólo a gran escala. Por ahora. Pero cuando el universo era extremadamente pequeño, las escalas también lo eran, y tal vez la energía oscura se concentró en esta pequeña región, haciéndola relativamente más fuerte en comparación con las otras fuerzas.

Pregunta:

  1. Inmediatamente después del Big Bang, ¿cómo superaron las partículas la gravedad extrema y otras fuerzas y lograron separarse?
Esto es similar a preguntar "¿Cómo una manzana lanzada hacia arriba supera la gravedad de toda la Tierra por un tiempo?" ¿Encuentras eso sorprendente?
@G.Smith por un tiempo? Estamos (y todo está) alejándose de todo hasta donde podamos modelar en el futuro. No estoy preguntando por qué por un tiempo. Estoy preguntando cómo sucedió en ese entonces y no ahora. Lo siento, pero realmente no veo la similitud entre su ejemplo y mi pregunta. ¿Puedes por favor aclarar? La expansión del espacio no puede separar las partículas ahora aquí donde estamos, pero fue capaz de hacerlo en ese entonces, sin embargo, ¿la densidad era aún mayor en ese entonces? Tal vez necesite aclarar, así que editaré si no está claro.
Una expansión uniforme del espacio no separa la materia. Las fuerzas locales mantienen unida la materia, no contra "la fuerza de la expansión del espacio"; tal fuerza no existe. Buena pregunta de todos modos +1.
@safesphere muchas gracias! Cuando dices que "no existe tal fuerza", ¿quieres decir que la energía oscura no es una fuerza?
@ÁrpádSzendrei Las fuerzas no son responsables del movimiento uniforme (primera ley de Newton), sino solo de la aceleración (segunda ley de Newton). La "energía oscura" (si existe) puede verse como una "fuerza" y, por lo tanto, no tiene nada que ver con la expansión uniforme del espacio. Ninguna fuerza está causando la expansión y la expansión no aplica fuerzas sobre la materia. La "energía oscura" sería responsable de la aceleración de la expansión, pero (incluso si tal aceleración existe) es tan minúscula que puede ignorarse en la escala de la galaxia para todos los propósitos prácticos.

Respuestas (3)

Hay dos razones por las que no hubo colapso gravitacional en el universo primitivo:

  1. La distribución de energía y materia poco después del Big Bang era casi uniforme. Debido a esta simetría, no había ninguna razón para que el colapso gravitatorio ocurriera en un lugar en lugar de otro: la fuerza gravitatoria neta en cada ubicación se redujo a algo muy, muy cercano a cero.
  2. El universo primitivo estaba a una temperatura muy alta, lo que significaba que las partículas fundamentales se movían rápidamente y la gravedad tenía muy poco efecto sobre ellas.

El espacio se estaba expandiendo, pero esto no era "superar" la gravedad. De hecho, la expansión del espacio significó que el universo se estaba enfriando, lo que ayudó a la gravedad. Como un lápiz en equilibrio sobre su punta, el universo estaba en un estado de equilibrio inestable, que se volvió más inestable a medida que se enfriaba.

A medida que el universo se expandió y se enfrió, las partículas fundamentales se combinaron en protones y neutrones, y luego en átomos (casi todos los cuales eran átomos de hidrógeno y helio). Esto tomó varios cientos de miles de años. Las muy pequeñas desviaciones de la simetría absoluta fueron entonces suficientes para desencadenar el colapso de los átomos que se enfriaban en nubes ligadas gravitacionalmente, y luego en las primeras estrellas y galaxias. Pero este proceso fue muy lento, y las primeras estrellas (llamadas estrellas de Población III ) tardaron cientos de millones de años en formarse.

Buena respuesta. ¿Puede decirme, por favor, está diciendo que era como un área uniformemente distribuida de partículas, donde la gravedad se cancelaba desde todas las direcciones, por lo que no tenía forma de crear una curvatura extrema? Entonces, aunque era muy denso, había una separación espacial entre las partículas, es decir, ¿había algo de espacio entre ellas? Esto podría explicar la gravedad. ¿Qué pasa con las otras fuerzas? ¿Por qué, por ejemplo, durante la época de los quarks, la fuerza fuerte (o en ese entonces unificada) no los mantenía unidos?
@ÁrpádSzendrei Sí, se podría decir que la gravedad se canceló desde todas las direcciones. Y durante la época de los quarks, la temperatura del universo era tan alta que incluso la fuerza fuerte no era lo suficientemente fuerte para unir los quarks en protones y neutrones. En este punto, el universo estaba lleno de un plasma de quarks y gluones; consulte en.wikipedia.org/wiki/Quark%E2%80%93gluon_plasma para obtener más detalles.
" El universo primitivo estaba a una temperatura muy alta " - ¿Cómo lo sabes? La entropía aumenta, por lo que debe ser cero en el Big Bang, lo que implica la temperatura cero absoluta en el universo primitivo. La energía de Fermi puede ser alta debido al principio de exclusión de Pauli, pero solo si toda la materia se produce en el Big Bang y no después. No lo sabemos, pero incluso si es así, la energía de Fermi puede ser alta a una temperatura termodinámica cero, fría al tacto, porque esta energía no se puede transferir como calor.
@safesphere La alta temperatura es compatible con la baja entropía en el universo primitivo debido a la gravedad. Ver en.wikipedia.org/wiki/Entropy_(arrow_of_time)#Cosmology : “El universo estaba en un estado uniforme de alta densidad en sus primeras etapas... El gas caliente en el universo primitivo estaba cerca del equilibrio termodinámico... en sistemas donde la gravitación juega un papel importante, este es un estado de baja entropía…”.
La capacidad calorífica negativa a la que te refieres parece contradecir la afirmación de que la fuerza gravitacional neta es cercana a cero. Sin embargo, esto puede estar un poco más allá del tema de la pregunta, así que no se preocupe.

¿Se supone en las explicaciones anteriores que un "espacio" dimensional que existe como un cierto volumen de vacío (es decir, que tiene o contiene una ausencia total de materia o energía) debe haber existido antes de los eventos del Big Bang? Eso parece una suposición muy grande.

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Creo que su pregunta se basa en una suposición incorrecta sobre la geometría del universo. Dices que no estás preguntando por un agujero negro, pero supongo que ves la geometría del universo como una colección finita de materia rodeada de vacío . Si en un momento temprano la temperatura de esta configuración de la materia no es lo suficientemente caliente (o, de manera equivalente, no tiene suficiente presión), entonces toda la materia colapsaría en un agujero negro.

Si me equivoco acerca de su visión de la geometría, hágamelo saber e intentaré responder a su pregunta en función de la geometría real que tiene en mente. ¿Es finito o infinito? ¿Es homogéneo o algo más? Si es finito, ¿lo ves como un límite 3D de una hiperesfera 4D o algo más? ¿La energía oscura está presente o no?

Por cierto: la expansión del espacio no hace que toda la materia se separe, como las galaxias muy distantes se alejan de la Vía Láctea. La materia en la Vía Láctea permanece dentro de un rango idéntico (o casi) al actual.

Simplemente estoy preguntando, en aquel entonces, cuando la densidad era extrema, la gravedad era extrema y otras fuerzas actuaban atrayendo partículas, todavía se separaban, pero ahora, las partículas ya no se separan, permanecen en grupos aquí donde estamos por ejemplo.
¿Cómo fue que la expansión espacial en ese entonces pudo vencer a las otras fuerzas pero no ahora?
@Árpád Szendrei Theer es un concepto activo de que la expansión del espacio no tiene efecto sobre la materia cercana dentro de un límite. Por ejemplo, no afecta a los constituyentes de la Vía Láctea. Sin embargo, para la materia lo suficientemente separada, tiene el efecto de dominar los efectos gravitatorios locales. Hay una fórmula que se usa para decidir si la materia está lo suficientemente alejada como para efectuarse una expansión del universo, agregaré esa fórmula más adelante.
La fórmula para la velocidad de escape de una partícula de prueba a una distancia D de un cuerpo gravitatorio es V_esc=(2GM/D)^(1/2). La fórmula para la expansión es V_exp = HD. D_lim es el valor para el que V_esc=V_exp. Si D>D_lim, la partícula de prueba se ve afectada por el universo en expansión. Si D<D_lim, entonces no lo es. Se entiende que se trata de una regla aproximada más que de una regla precisa. D_lim=(2GM/H^2)^(1/3).
Inmediatamente después del Big Bang, ¿cómo superaron las partículas la gravedad extrema y otras fuerzas y lograron separarse?
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