¿Por qué el Universo observable es más grande de lo que sugiere su edad?

La explicación más fácil de por qué la distancia máxima que uno puede ver no es simplemente el producto de la velocidad de la luz con la edad del universo es porque el universo no es estático.

Diferentes cosas (es decir, materia frente a energía oscura) tienen diferentes efectos en las coordenadas del universo, y su influencia puede cambiar con el tiempo.

Un buen punto de partida en todo esto es analizar el parámetro de Hubble, que nos da la constante de Hubble en cualquier punto del pasado o del futuro dado que podemos medir de qué está hecho el universo actualmente :

Él$a$en el parámetro de Hubble anterior se llama el factor de escala, que es igual a 1 hoy y cero al comienzo del universo. ¿Por qué los diversos componentes se escalan de manera diferente con$a$? Bueno, todo depende de lo que suceda cuando aumentes el tamaño de una caja que contiene las cosas dentro. Si tienes un kilogramo de materia dentro de un cubo de 1 metro de lado, y aumentas cada lado a 2 metros, ¿qué sucede con la densidad de la materia dentro de este nuevo cubo? Disminuye por un factor de 8 (o$2^{3}$). Para la radiación, se obtiene una disminución similar de$a^{3}$en densidad numérica de partículas dentro de él, y también un factor adicional de$a$debido al estiramiento de su longitud de onda con el tamaño de la caja, dándonos$a^{4}$. La densidad de la energía oscura permanece constante en este mismo tipo de experimento mental.

Debido a que los diferentes componentes actúan de manera diferente a medida que cambian las coordenadas del universo, hay eras correspondientes en la historia del universo donde cada componente domina la dinámica general. Es bastante simple de averiguar, también. En un factor de pequeña escala (muy temprano), el componente más importante fue la radiación. El parámetro de Hubble desde el principio podría aproximarse muy de cerca a la siguiente expresión:

Alrededor:

Como ves, sería un poco más complicado encontrar la distancia al horizonte cosmológico que simplemente multiplicar la velocidad de la luz por la edad del universo. De hecho, si quisieras encontrar esta distancia (formalmente conocida como la distancia de comovimiento al horizonte cósmico), tendrías que realizar la siguiente integral:

donde la emisión redshift$z_{e}$generalmente se toma como$\sim 1100$, la superficie de la última dispersión. Resulta que este es el verdadero horizonte que tenemos como observadores. La curvatura generalmente se establece en cero, ya que nuestro modelo más exitoso indica un universo plano (o casi plano), y la radiación no es importante aquí, ya que domina en un desplazamiento al rojo más alto. También me gustaría señalar que esta relación se deriva de la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , una métrica que incluye curvatura y expansión. Esto es algo de lo que carece la métrica de Minkowski.

En resumen: las cosas no pueden moverse más rápido que la luz por sí mismas, pero pueden moverse más rápido que la luz debido a la expansión universal. Cuanto más lejos, más rápido se van.

Estaba pensando en eso y aquí está la explicación de mi laico. Imagina que estás trazando dos puntos en una hoja de papel arrugada, los puntos se están moviendo, pero a medida que se mueven, el papel se "desarruga" y la distancia real entre los puntos será mayor que la suma de las distancias que tienen. viajado.

La explicación completamente acientífica...

Imagina el universo como un globo. Dos cuerpos comienzan cerca el uno del otro pero en superficies opuestas. La expansión del globo los aleja uno del otro a la misma velocidad y a tal velocidad que la luz de uno en su punto de partida tarda casi toda la historia del universo en llegar al otro. La distancia entre los dos AHORA no es el doble de la edad del universo, porque no puedes viajar "a través" del globo, sino que debes recorrer la superficie del globo... 13,8 * PI mil millones de años luz = 43 mil millones de años luz.

No es estrictamente correcto, ¡pero al menos evita preocuparse demasiado por la astrofísica y la cosmología!

Me encanta el tutorial de cosmología de Ned Wright y lo recomiendo encarecidamente, pero esa declaración de él es, al menos, muy engañosa. Las velocidades de recesión superlumínica claramente no pueden relacionarse con la curvatura del espacio-tiempo porque no desaparecen en el límite de la curvatura cero (densidad de energía cero o densidad de energía cero).$G$).

La verdadera razón por la que las distancias pueden ser mayores que$c$veces el tiempo cosmológico actual es que los relojes que usamos para medir el tiempo cosmológico no están en reposo relativo, como los relojes en los sistemas de coordenadas inerciales, sino que se alejan radialmente unos de otros, haciendo que las coordenadas cosmológicas se parezcan más a las coordenadas polares. Si tenemos una familia de relojes uniformemente distribuidos y definimos$t$ser la lectura en el reloj más cercano y$x$to be (el número de relojes entre ese y el origen) × (la separación entre relojes adyacentes cuando ambos marcan la misma hora), entonces$Δx/Δt\le c$es una declaración verdadera si esos relojes están en reposo relativo, pero no si se están moviendo hacia afuera desde un punto de origen común. En el último caso, resulta que no hay límite superior en$Δx/Δt$, incluso en relatividad especial.

En el caso de la relativista especial, puede pensar que esto se debe a la dilatación del tiempo. Si observa dos relojes con respecto a las coordenadas del centro de velocidad inercial, se mueven en direcciones opuestas a cierta velocidad.$v$. Después de un tiempo de coordenadas inerciales$t$, son una distancia de coordenadas inerciales$2vt$aparte, pero el tiempo transcurrido que han registrado es menor que$t$por un factor de$γ=1/\sqrt{1-v^2/c^2}$. Desde$γ{\to}\infty$como$v{\to}c$, la relación entre la distancia coordinada y los tiempos transcurridos en los relojes también tiende a infinito como$v{\to}c$.

En la relatividad especial, hay una tendencia a pensar en los tiempos de coordenadas inerciales como los tiempos "reales" y las lecturas de los relojes están distorsionadas de alguna manera por la dilatación del tiempo, pero eso es solo un prejuicio humano. Al universo no le importan los sistemas de coordenadas, y solo "le importan" los marcos de referencia si en realidad están instanciados por objetos físicos. No hay marcos de referencia inerciales naturales a gran escala en el mundo real, pero hay un marco de referencia radial natural, dado por el movimiento promedio de la materia a gran escala, o por los puntos de cruce de los frentes de onda del fondo cósmico de microondas. El sistema de coordenadas más natural para el universo, y el que realmente usan los cosmólogos, se basa en ese marco natural y, como dijo Ned Wright,$c$no tiene un significado especial.

(En realidad, las tres oraciones de Ned Wright son correctas. El problema es que cuando las juntas, parecen implicar que la expansión superlumínica está relacionada con la curvatura del espacio-tiempo, y eso no es correcto).