Prueba experimental de expansión espacial

Sabemos que el universo se expande con la expansión del espacio. Esto se deriva de la solución FLRW que explica muy bien el flujo del Hubble observado. (Dado que cualquier aceleración existente es extremadamente pequeña, supongamos por simplicidad que es cero).

Una expansión uniforme del espacio no aplica ninguna fuerza sobre los cuerpos, por lo que se mueven exactamente de la misma manera que lo harían en un espacio sin expansión. Por ejemplo, si dos cuerpos están en reposo entre sí, pero el espacio entre ellos se expande, permanecerán en reposo entre sí de la misma manera que lo harían en un espacio que no se expande. En otras palabras, la expansión del espacio no se puede detectar observando el movimiento de cuerpos masivos (siempre y cuando no crucen el horizonte cósmico).

La expansión afecta la velocidad de la luz, como se observa de forma remota. La expansión también crea un horizonte cósmico, más allá del cual no se puede detectar nada. ¿Se han observado estos efectos? ¿Hay algún resultado experimental que muestre que el espacio realmente se expande en lugar de que las galaxias simplemente se separen por inercia?

Tu segundo párrafo me parece poco convincente. ¿Estás diciendo que todo el asunto del Hubble no puede existir?
@lalala No, no lo hago. Todo lo que muestra el flujo del Hubble es que las galaxias se están separando. No explica por qué. Podría deberse a que el espacio entre ellos se expande o porque inicialmente se separaron y aún continúan por inercia. (En última instancia, ni siquiera hay una gran diferencia entre estos dos puntos de vista).
"Una expansión uniforme del espacio no aplica ninguna fuerza sobre los cuerpos, por lo que se mueven exactamente de la misma manera que lo harían en un espacio que no se expande". Esto no es cierto. La distancia entre los cuerpos crece. Si están conectados por una cuerda, la cuerda experimentaría fuerza.
@Anixx Hay algunas fuerzas de marea en ciertos casos (y dependiendo del modelo), pero en general no, si atas dos objetos con una cuerda y los llevas a la velocidad inicial cero entre sí, entonces la cuerda no experimentaría ninguna fuerza debida a la expansión del espacio, a menos que la expansión se acelere. No se puede distinguir una expansión uniforme simplemente moviéndose por inercia. No hay prueba experimental de que el espacio realmente se expanda en lugar de que las galaxias simplemente se separen por la inercia del impulso inicial. La única evidencia relevante es la aceleración de la expansión.
No, estás equivocado. La cuerda iría tensada.
Incluso se puede interpretar la constante cosmológica como una especie de fuerza repulsiva.
@Anixx La constante cosmológica no es responsable de la expansión del espacio, sino solo de su aceleración. Con la aceleración, la cuerda se tensaría, pero no sin ella. Una expansión uniforme ocurre a cierta velocidad por distancia (la ley de Hubble). La velocidad no produce fuerzas, solo la aceleración lo hace. No tengo un enlace a mano, pero recuerdo haber visto una solución basada en FLRW. Mostró fuerzas de marea secundarias, pero ninguna fuerza directa debido a la expansión. Buena discusión.
Bueno, sin la expansión acelerada, la distancia entre dos cuerpos aún se expande con la aceleración, porque el crecimiento de la distancia es proporcional a la distancia actual.
@Anixx Esto sería cierto si el parámetro Hubble fuera constante a lo largo del tiempo, pero no lo es. En caso de expansión sin aceleración (o desaceleración), el parámetro de Hubble es inversamente proporcional a la edad del universo, por lo que todas las velocidades permanecen constantes.

Respuestas (2)

No obtendrá una prueba experimental de la expansión del espacio, porque la expansión del espacio es solo una interpretación, no un hecho observable. Si desea describir la expansión cosmológica en términos de movimiento en lugar de expansión del espacio, puede hacerlo. Hay una ambigüedad fundamental en la interpretación verbal informal de estas métricas cosmológicas, porque queremos visualizar la expansión usando imágenes mentales del flujo del Hubble, pero esas imágenes mentales asumen implícitamente que hay alguna forma de definir la velocidad de la galaxia A en relación con la distancia. galaxy B. GR no ofrece tal definición. Cuando hablamos de distancias entre galaxias o de velocidades de recesión, las personas que entienden GR se dan cuenta de que esto es una forma abreviada de un conjunto más complicado de definiciones que son hasta cierto punto arbitrarias y que no están genéricamente integradas en GR. P.ej,

En otras palabras, la expansión del espacio no se puede detectar observando el movimiento de cuerpos masivos (siempre y cuando no crucen el horizonte cósmico).

Detectar un horizonte cósmico no tiene aquí ningún estatus lógico especial. Hay todo tipo de otros observables, como los desplazamientos Doppler, que descartan cualquier intento de interpretar las observaciones cosmológicas en términos del movimiento de la materia sobre un fondo de espacio-tiempo plano. Parece que está tratando de hacer una dicotomía entre la expansión espacial y la gravedad newtoniana, pero la dicotomía verificable por observación es entre GR y la gravedad newtoniana. La expansión espacial es solo una forma de hablar sobre GR, y es una forma opcional de hablar sobre ella, al igual que la interpretación de Copenhague es solo una forma opcional de hablar sobre la mecánica cuántica.

Una deserción del horizonte de partículas sería una prueba de expansión, porque el movimiento por sí solo no puede explicar la existencia del horizonte. Su respuesta establece que la expansión no se puede probar. Solo para aclarar, ¿estás diciendo que el horizonte no se puede detectar? Por ejemplo, el corrimiento al rojo de alguna galaxia puede ir aumentando hasta que la galaxia desaparezca por completo. El número de fotones recibidos disminuiría junto con el creciente corrimiento al rojo. Una función de este número por el tiempo (interpolado) cruzaría el cero en un tiempo finito a diferencia del horizonte del agujero negro. ¿Hay un defecto lógico en este argumento?
Mi pregunta es sobre la existencia de pruebas experimentales de la expansión del espacio no necesariamente mediante la observación de cuerpos en movimiento que sería imposible como dije en la pregunta. En su respuesta, primero dice: "No obtendrá una prueba experimental de la expansión del espacio", pero luego afirma: "Hay todo tipo de otros observables, como los cambios Doppler, que descartan cualquier intento de interpretar las observaciones cosmológicas". en términos del movimiento de la materia sobre un fondo de espacio-tiempo plano". ¿Estos observables no probarían la expansión del espacio? ¿Podrías aclararlo por favor?
Una deserción del horizonte de partículas sería una prueba de expansión, porque el movimiento por sí solo no puede explicar la existencia del horizonte. Esta es una lógica descuidada. La detección de un horizonte no sería consistente con la gravedad newtoniana. Eso no significa que pruebe la expansión del espacio. Por las razones descritas en mi respuesta y en la de timm, la expansión del espacio no es una predicción empíricamente comprobable de la relatividad general. ¿Estos observables no probarían la expansión del espacio? ¿Podrías aclararlo por favor? He explicado por qué no lo hacen. No has explicado por qué crees que lo hacen.
" la dicotomía verificable por observación es entre GR y la gravedad newtoniana " - Tampoco tiene nada que ver con mi pregunta. La gravedad newtoniana es irrelevante, porque las galaxias se moverían por inercia incluso sin gravedad entre ellas. Y GR no requiere un horizonte. Por ejemplo, el modelo Milne cumple con GR, pero nada cruza el horizonte. Está ampliamente aceptado que las galaxias más allá del horizonte se alejan más rápido que la luz debido a la expansión del espacio. Esto es exactamente de lo que se trata mi pregunta. Sin embargo, en lugar de responderla, pareces luchar contra la interpretación convencional.

La expansión también crea un horizonte cósmico, más allá del cual no se puede detectar nada. ¿Se han observado estos efectos?

Vemos fotones que han sido emitidos más allá de la esfera de Hubble. Estos fotones se han estado alejando de nosotros en el universo primitivo. Si dices "horizonte cósmico" probablemente te refieres al horizonte de partículas, que hoy está a 46 Glyr de nosotros. No podemos detectar fotones más allá de este horizonte por definición, ya que el horizonte de partículas limita el universo observable.

¿Hay algún resultado experimental que muestre que el espacio realmente se expande en lugar de que las galaxias simplemente se separen por inercia?

No, no los hay. La expansión del universo significa aumentar las distancias entre objetos comóviles. Que el espacio se expanda o que las galaxias distantes se alejen unas de otras depende de las coordenadas elegidas. Por lo tanto, ninguno de estos puntos de vista, al no ser invariantes, puede considerarse como un fenómeno físico medible. El espacio se expande en coordenadas FRW y las galaxias se alejan en coordenadas normales.

" Vemos fotones que han sido emitidos más allá de la esfera de Hubble. " - ¿Cómo sabes esto? Si realmente pudiera saber esto (la existencia del horizonte de partículas), sería una prueba de la expansión del espacio, pero según su propia respuesta y otros, no existe tal prueba.
Usted preguntó si "el espacio realmente se expande" o si las galaxias "simplemente se separan". Ninguna de estas posibilidades puede verificarse experimentalmente. En cambio, los datos cosmológicos del desplazamiento hacia el rojo nos dicen que las distancias están aumentando, lo que a menudo se describe simple pero erróneamente como espacio en expansión. Rees & Weinberg dijeron (1993): "... ¿cómo es posible que el espacio, que está completamente vacío, se expanda? ¿Cómo puede nada expandirse? La respuesta es: el espacio no se expande".
Bonita cita. Me gustaría tener este libro para ver el contexto completo. Un ejemplo de expansión del espacio que no puede interpretarse como un mero aumento de distancias debido al movimiento es el hecho de que el tamaño de un universo cerrado está aumentando. Este tamaño se puede medir fácilmente comparando los efectos ópticos en un espacio cerrado con su corrimiento al rojo. Otro ejemplo de expansión espacial es la existencia del horizonte de partículas que también se puede detectar (como en mi comentario bajo la pregunta de Ben). Entonces, su afirmación de que la prueba experimental ni siquiera es posible necesitaría un mejor apoyo. ¿Podrías aclararlo por favor?
Tu forma de pensar es bastante natural, pero te falta una cosa. Piensa en algunas galaxias que ocupan cierto volumen. A medida que aumentan sus distancias físicas (o disminuyen en caso de que el universo se contraiga), este volumen cambia, lo que corresponde a un cambio de la métrica. Sin embargo, el cambio de volumen no implica que el espacio se expanda como un material, por ejemplo, como una lámina de goma. Puede encontrar esta discusión un poco más detallada en Expanding Space: the Root of all Evil? . Se puede argumentar de manera similar con respecto a la distancia al horizonte de partículas. ∗
Gracias por el papel. El único concepto nuevo para mí es "fuerzas de marea cosmológicas", lo que implica que mi segundo párrafo puede haber sido incorrecto, como se indica en los comentarios. La existencia de estas fuerzas también sería una prueba por la que estoy preguntando. Tú y Ben parecen malinterpretar mi pregunta y pelean conmigo por la terminología. No me importa si lo llamas "expansión espacial" o "expansión métrica". Puede llamarlo "langosta", si lo prefiere. Mi pregunta es si hay alguna evidencia directa de ello, ya sean las fuerzas de marea, el horizonte, cualquier cosa, pero las galaxias simplemente vuelan empujadas en un espacio-tiempo estático.
Expansión métrica es una buena palabra clave. Wikipedia: "Para comprender la expansión métrica del universo, es útil discutir brevemente qué es una métrica y cómo funciona la expansión métrica. Una métrica define el concepto de distancia, al establecer en términos matemáticos cómo las distancias entre dos puntos cercanos en el espacio se miden, en términos del sistema de coordenadas". Tenemos evidencia de que las distancias van aumentando. Puedes interpretar eso como quieras, como expansión espacial o como volar aparte.
Lo siento, pero estoy perdiendo la esperanza de explicar cuál es mi pregunta. Sé lo que es la métrica. Entiendo que el flujo del Hubble no prueba ni refuta la interpretación de la expansión del espacio. Mi pregunta es si algo más lo hace. Ejemplos: las fuerzas de marea cosmológicas, la existencia del horizonte, etc. Sin ninguna prueba, ¿cómo podría alguien afirmar que el universo es más grande que el universo observable? ¿O que el universo no es Milne? Lo siento, esto es lo mejor que puedo hacer golpeando mi cabeza contra la pared de la incomprensión. Gracias por tu conocimiento y los enlaces.
Sin prueba alguna, ¿cómo podría alguien afirmar que el universo es más grande que el universo observable?" Esta es otra pregunta, pero buena. No hay prueba. Pero sabemos que el Λ El modelo CDM describe la evolución del universo como un todo. Hasta la fecha, este modelo es consistente con los datos de observación. Entonces, no sería plausible que el universo sea diferente más allá del universo observable.
Comprendido. No hay prueba directa, sino solo un resultado teórico de FLRW que se considera correcto debido a su éxito en otras áreas, como la predicción de la proporción de elementos ligeros. Mi pregunta es específicamente sobre la evidencia experimental directa. Entonces, la existencia del horizonte no está confirmada experimentalmente. Entiendo.
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