¿Por qué está tan organizado el universo?

Hasta cierto punto, el universo exhibe algo llamado criticidad autoorganizada donde un sistema dinámico no lineal con muchos grados de libertad (el gas después del Big Bang pero antes del surgimiento de la estructura) finalmente forma un sistema con un grado notable de invariancia de escala. (lunas orbitando planetas, planetas orbitando estrellas, estrellas orbitando centros galácticos, etc.)

Creo que otro aspecto clave de esta pregunta es ¿qué quiere decir con "organizado"? Según algunas definiciones, la galaxia apenas está organizada. Tienes estrellas aquí y allá, planetas aleatorios dispersos ( tanto dentro como fuera de los sistemas solares ), tienes nebulosas aleatorias y galaxias enanas. Hay grandes vacíos y extrañas estructuras de pared .

Otra pregunta es ¿qué tipo de universo concebible se consideraría desorganizado? ¿Quizás estrellas que explotan con frecuencia, muchas colisiones galácticas todo el tiempo, etc.? Bueno, la razón por la que no experimentamos eso se debe simplemente a la escala de tiempo. Si viviéramos mil millones de años y nuestro año percibido actual pareciera un segundo, entonces eso sería efectivamente lo que veríamos. Todo sería bastante caótico y cambiaría rápidamente.

Hay dos elementos por los que el universo parece estar tan ordenado: las leyes físicas que gobiernan el universo son las mismas en todas partes, y los objetos astronómicos están muy, muy, muy lejos unos de otros.

Considere dos objetos, uno mucho más grande que el otro y ambos muy lejos de cualquier otra cosa. Debido a la gravedad (que funciona igual en todas partes), el más pequeño se moverá en una elipse alrededor del más grande o volará siguiendo una trayectoria hiperbólica y desaparecerá en la distancia. La posición inicial y la velocidad exactas afectarán solo los detalles de la elipse o la hipérbola, pero cualquier conjunto de condiciones iniciales dará como resultado una de esas dos.

Ahora considere el sistema solar. Si tomas algo (mucho más pequeño que el sol) y lo colocas en algún lugar al azar del sistema solar y le das una velocidad aleatoria, es muy probable que siga una trayectoria hiperbólica o una órbita elíptica, porque todo lo demás es muy amplio. espaciado que es poco probable que se acerque lo suficiente a cualquier otra cosa como para que importe mucho: la situación es muy probablemente casi como el escenario de dos objetos anterior, y la ruta resultante para el objeto es muy probablemente casi lo que habría sido en ese guión.

Por supuesto, el "muy probablemente" y el "casi" aquí son importantes. Hay muchas excepciones en las que los objetos pasan cerca de objetos que no son el sol, y es necesario tener en cuenta la gravedad de Júpiter y otros planetas para calcular las rutas con alta precisión.

Si observa objetos donde no hay atmósfera para desgastar la evidencia (por ejemplo, la luna , Marte ), verá muchas pruebas de que ha habido muchas colisiones y, por supuesto, estas colisiones aún continúan (por ejemplo, Schumacher-Levy 9 ).

En sistemas que no son tan simples, como los cúmulos estelares o nuestra galaxia, la situación es más compleja. La razón principal por la que las galaxias y los cúmulos estelares se ven tan ordenados es que las distancias entre las estrellas son tan grandes que, incluso cuando las estrellas se mueven muy rápido, el cambio que vemos en su patrón general a lo largo de la vida humana es muy leve. .

Sin embargo, incluso en escalas de tiempo más largas, la densidad es lo suficientemente pequeña como para que haya pocas colisiones o incluso interacciones cercanas (ver el libro de Binney & Tremaine, Galactic Dynamics , pp. 187-190). En cambio, las estrellas siguen un potencial debido a la gravedad colectiva de toda la materia de la galaxia. En un sistema más o menos esférico, esto podría dar como resultado órbitas más o menos elípticas, pero también podría dar como resultado trayectorias en forma de roseta (no cerradas) (ver Binney y Tremaine, págs. 103-110). En un sistema donde la mayoría de las interacciones son gravitacionales, las asimetrías en la distribución de estrellas distantes son tan importantes como las estrellas cercanas. (Aunque la gravedad de una masa cercana disminuye con la distancia al cuadrado, la cantidad de materia a una distancia determinada aumenta con la distancia al cuadrado).

Las órbitas específicas de las estrellas dentro de estos potenciales no están particularmente ordenadas. Puedes ver esto si comparas la suavidad en la distribución de las estrellas jóvenes con las de las viejas. Las estrellas jóvenes tienden a formarse en grupos ("regiones de formación de estrellas", lugares donde hay una nube de gas en las condiciones adecuadas para la formación de estrellas, por ejemplo, LH 95 , IC 5146 ), por lo que las galaxias con muchas estrellas jóvenes tienden a tener una estructura visible ( a veces desordenado como I Zw 18 y NGC 4214 , a veces no, como en NGC 5248) cuyos detalles dependen de la dinámica del gas en la galaxia. Sin embargo, con el tiempo, solo los grupos más densos permanecen juntos (debido a su gravedad mutua); de lo contrario, la variedad de trayectorias tomadas por diferentes estrellas de la misma región de formación estelar se extenderá con el tiempo. Las galaxias con estrellas en su mayoría muy viejas, como M 87 , por lo tanto, tienden a ser en su mayoría muy uniformes, con una población de cúmulos muy densos (cúmulos globulares) que aparecen en nuestras imágenes como fuentes puntuales porque están muy lejos. (Los cúmulos globulares de nuestra propia galaxia se pueden resolver, espectacularmente, en estrellas individuales; véase, por ejemplo, M 13 y M 3 ).

Curiosamente, la aleatoriedad subyacente (desorden) en las trayectorias de las estrellas conduce a instancias interesantes de orden aparente. Así como los movimientos aleatorios de las moléculas en un gas nos permiten usar leyes estadísticas para hacer descripciones precisas del comportamiento del gas, las trayectorias aleatorias de las estrellas en los cúmulos globulares dan como resultado una sorprendente uniformidad en su apariencia. Ver este artículo de Madsen . (Los cúmulos globulares son lo suficientemente viejos y compactos como para que las interacciones entre estrellas individuales puedan ser realmente importantes; ver Binney & Tremaine p190).

En escalas aún mayores, las interacciones dramáticas entre galaxias son bastante comunes. NGC 3227 es un buen ejemplo; se puede ver más aquí . En el caso de las galaxias más pequeñas que se fusionan con la Vía Láctea, podemos ver las diferentes trayectorias de las estrellas individuales de la galaxia más pequeña extendiéndolas más suavemente sobre nuestra galaxia. Varios de estos parecen estar ocurriendo a la vez en el "Campo de arroyos" .

La belleza está en el ojo del espectador. Así es el orden.

Lo que para ti es un gigantesco mecanismo ordenado, para mí puede ser un horrible desastre entrópico. Y ambos tendríamos razón.

Gran parte de la aparente organización del Universo se relaciona con la naturaleza jerárquica y en gran parte atractiva de las cuatro fuerzas fundamentales. La acertadamente llamada Fuerza fuerte domina otras influencias, por lo que los quarks están en gran medida ligados a los bariones, que son neutrales con respecto a la carga de color. La Fuerza Fuerte también se encarga de que los bariones, cuando se aplastan entre sí, tiendan a adherirse unos a otros en grupos, formando núcleos atómicos.

La fuerza débil se da a conocer principalmente con eventos ocasionales como la radiactividad. La fuerza electromagnética luego atrae electrones a los núcleos atómicos, formando átomos. También hace que los átomos tiendan a pegarse, en moléculas, y las moléculas se peguen en cristales. Finalmente, la gravedad domina una vez que las estructuras son eléctricamente neutras y es estrictamente atractiva, excepto posiblemente en la escala cosmológica, pero la expansión cósmica aún no se comprende bien de todos modos.

Yo diría que el universo parece organizado debido a tres cosas:

1. La primera ley del movimiento de Newton
2. Gravedad
3. Tiempo

De tus comentarios en otras publicaciones, te maravillas con las líneas rectas y las órbitas, como fractales, que aparecen en todas las escalas (lunas que orbitan planetas que orbitan estrellas que orbitan galaxias que orbitan cúmulos). Esto se debe al hecho de que todos los objetos se mueven en línea recta a menos que una fuerza externa actúe sobre ellos. En escalas astronómicas, esa fuerza es casi siempre la gravedad y, en ocasiones, la colisión física. La primera fuerza atrae a los objetos a órbitas o los expulsa lejos unos de otros, y ocasionalmente los cuerpos chocan para formar un solo cuerpo más grande que ahora puede ser incluso más efectivo gravitacionalmente.

Por supuesto, aquí estoy ignorando los fenómenos cuánticos, químicos, nucleares y magnéticos porque estoy tratando de dar un panorama general. Pero si tratas de imaginar un universo desorganizado, ¿cómo lo describirías? Cualquier descripción que se me ocurra, considerando los dos primeros elementos que enumeré anteriormente, se convertirá en un universo organizado como el nuestro, dado lo suficiente del tercero.

Para citar una de las órbitas más cercanas a la Tierra, la luna no está en una órbita fija. Está saliendo lentamente en espiral hacia el espacio. Quizá le interese leer sobre el Experimento de medición de distancia por láser lunar o la colisión del cometa P/Shoemaker-Levy 9 con Júpiter . Ni siquiera la rotación de la Tierra es fija.

si quieres mirar la materia que no está desorganizada, encontrarás muy poco

Eso no es cierto. Busque en Google las palabras "cuarto desordenado" y obtendrá un montón de imágenes de materia desorganizada. Incluso si afirma que esas habitaciones desordenadas son el resultado de procesos humanos, no naturales, puede buscar en Google las palabras "secuelas de la erupción del volcán" y nuevamente obtendrá un montón de imágenes de materia desorganizada.

Para lograr un progreso serio en la respuesta a esta pregunta, debe definir claramente qué unorganizedsignifica. Hay un concepto de física que se ocupa de esto: se llama "entropía". Sin embargo, la entropía no está directamente relacionada con la mecánica celeste.

En un comentario a una de las respuestas, escribes:

Organizado es cualquier objeto que tiene trayectoria y no está chocando.

Las cosas definitivamente chocan. La Luna probablemente se formó a partir de algo que chocó con la Tierra hace muchos miles de millones de años. Los meteoritos chocan con la Tierra todos los días (uno de estos mató a los dinosaurios). Y no somos únicos, por ejemplo, aquí hay un asteroide chocando con otro planeta , dos estrellas de neutrones chocando , y así sucesivamente. Incluso las galaxias chocan (lo último que escuché es que las probabilidades son bastante buenas de que la Vía Láctea experimentó tal colisión en su juventud). Esto ignora las colisiones microscópicas entre átomos que, por ejemplo, también dan lugar a la presión atmosférica.

Si los objetos que no chocan es su definición de "organizado", entonces uno puede preguntarse razonablemente "¿por qué el universo está tan desorganizado?". Debido a que esta posición completamente opuesta es defendible, la conclusión es que su pregunta es demasiado vaga para ser respondida.