¿Qué queremos decir con que el espacio se está expandiendo?

Sé que esta pregunta se ha hecho a menudo en Physics.SE, así como en este sitio, pero no las entiendo. ¿Qué queremos decir cuando decimos que el espacio se está expandiendo? Quiero decir que el espacio no es una entidad física que pueda expandirse. El espacio es solo (aparentemente) "la nada". Por favor, solucione mi confusión.

¿Algo como esto te ayuda a explicarlo? astronomy.stackexchange.com/questions/305/… Además, intente pensar en ello como un espacio que se extiende, o que se crea más espacio entre las cosas.

Respuestas (3)

De hecho, el espacio no es una entidad física (hasta donde sabemos). Decir que el espacio se expande es otra forma de decir que las galaxias se alejan unas de otras a un ritmo proporcional a su distancia.

Desafortunadamente, la imagen del "espacio en expansión" es una fuente de confusión y conceptos erróneos interminables, como se puede ver en la página de esta misma pregunta: mpv mencionó que " La expansión real del espacio se manifestaría de la siguiente manera: tienes 2 cohetes en espacio vacío, estacionarios entre sí. Ninguno de ellos enciende sus motores, pero sin embargo, comienzan a alejarse unos de otros " .

Esto es completamente incorrecto, la "expansión del espacio" no es una fuerza mágica que aleja los objetos unos de otros. Si te refieres al espacio vacío sin energía oscura, sin materia oscura y sin materia visible, entonces los dos cohetes se moverían uno hacia el otro debido a su atracción gravitatoria mutua (si ignoras su masa, entonces no se moverían en absoluto). En el caso general, lo que dictará el movimiento de los cohetes es su atracción gravitacional, la materia cercana (visible y oscura) y la energía oscura (sea lo que sea), cuya combinación podría acercarlos o alejarlos entre sí. La expansión del espacio no es una fuerza adicional. Las galaxias no se alejan unas de otras porque se crea entre ellas alguna sustancia no detectada,

Joan.bdm dijo: " Como dije a gran escala todos los objetos se alejan de nosotros, si no fuera por la expansión del espacio significaría que estamos en el centro del universo " .

La segunda parte de la oración anterior también es incorrecta. Siempre que todas las galaxias retrocedan desde un punto a un ritmo proporcional a su distancia, se deduce que desde CUALQUIER punto se verá que todas las galaxias retroceden a un ritmo proporcional a su distancia. Esto se ve fácilmente con un dibujito (cada * corresponde a una galaxia):

Antes

ingrese la descripción de la imagen aquí

Después

ingrese la descripción de la imagen aquí

Si se ve que todas las galaxias retroceden a un ritmo proporcional a su distancia desde el punto de vista de la galaxia en el centro, entonces desde cualquier galaxia se verá también que todas las demás galaxias retroceden a un ritmo proporcional a su distancia.

No creo que tengamos ninguna explicación satisfactoria de por qué las galaxias se alejan unas de otras a un ritmo proporcional a su distancia en primer lugar. La "expansión del espacio" no es una explicación, es una analogía. Una lectura relacionada e interesante: Expansión del espacio: ¿la raíz de todos los males?

Pero si es insuficiente, ¿por qué tantos físicos están de acuerdo y por qué también es parte del modelo Lambda CDM?
@Lee Si tiene algunas objeciones a mi respuesta, agréguelas como comentario a mi respuesta para mantener la discusión estructurada. Mi explicación no es agregar una nueva fuerza encima de la energía oscura, sino que en realidad es la manifestación de la energía oscura (término lambda en las ecuaciones de Einstein). Los dos hablamos de lo mismo.
@mpv Lo habría agregado como comentario, pero no puedo comentar su respuesta hasta que tenga "50 reputación". Desafortunadamente, por la forma en que expresó su respuesta, alguien que no sabe mejor llegará a creer que una creación o expansión del espacio hace que los cohetes se alejen. Puede tener la llamada expansión del espacio sin energía oscura (expansión constante o desacelerada), en cuyo caso los cohetes no se alejarían unos de otros. En tu ejemplo con los cohetes, el espacio no está completamente vacío ya que mantienes la energía oscura. Además, la energía oscura no es necesariamente homogénea a pequeña escala.
@Yashbhatt Muchos (la mayoría, espero) físicos no están de acuerdo con la idea de que el espacio es una entidad física o una sustancia que en realidad se crea o se extiende entre galaxias. La expansión del espacio es un modelo matemático, una descripción del hecho de que las galaxias se alejan unas de otras a un ritmo proporcional a su distancia, dentro del marco de la teoría de la relatividad general. Esta descripción matemática es parte del modelo ΛCDM, pero la idea de que alguna entidad física entre galaxias se está expandiendo o creando no lo es.
@lee Entonces, ¿qué es la expansión del espacio?
@lee Tienes razón, podría haberlo expresado mejor. Varias cosas no están realmente claras en mi respuesta, pensaré en mejorarla.
@Yashbhatt Si el espacio no es una entidad física, entonces la expansión del espacio no es una expansión física. Decir que el espacio se expande es otra forma de decir que, a gran escala, las galaxias se alejan unas de otras a un ritmo proporcional a la distancia que las separa (ley de Hubble). Consulte en.wikipedia.org/wiki/Metric_expansion_of_space . Se puede describir igual de bien cómo funciona el universo sin hablar de la expansión del espacio, que es solo una herramienta que no aporta ningún poder explicativo adicional (lo que sí aporta son muchos conceptos erróneos).
@lee Encuentro la explicación de mpv (ver los comentarios en su respuesta) relacionada con el Big Bang bastante satisfactoria. Míralo.

La expansión del espacio significa que los objetos en distancias cosmológicas se alejan unos de otros.

Usted puede preguntarse: ¿es lo mismo que si hubiera 2 cohetes en el espacio vacío (inmóviles uno con respecto al otro) y luego uno de ellos enciende sus motores y se aleja acelerando?

La respuesta es no. El caso descrito anteriormente no es una expansión del espacio. Es un movimiento simple con respecto a un marco inercial. Observe que el cohete en aceleración podría detectar su movimiento con un acelerómetro.

La verdadera expansión del espacio se manifestaría de la siguiente manera: tienes 2 cohetes en el espacio vacío, estacionarios uno respecto del otro. Ninguno de ellos enciende sus motores, pero aun así, comienzan a alejarse unos de otros. Como arrastrado por alguna fuerza invisible, pero sin sentir aceleración alguna (los acelerómetros indicarían cero).

Esto es muy similar al caso del campo gravitatorio no homogéneo. Las fuerzas de marea también aumentarían la separación entre los 2 cohetes sin ninguna lectura en los acelerómetros. Sin embargo, en el caso de un campo gravitatorio no homogéneo, generalmente hay un cuerpo gravitatorio cercano y los 2 cohetes estarían en caída libre hacia el cuerpo. Pero en el espacio en expansión no existe tal cuerpo hacia el cual graviten los objetos. El espacio se está expandiendo porque la métrica del espacio-tiempo está cambiando.

Todo esto significa que en el universo en expansión no puedes encontrar un marco inercial global. Los objetos distantes inicialmente en reposo comenzarían a alejarse unos de otros inmediatamente. Así no es como se comporta un marco inercial.

"La verdadera expansión del espacio se manifestaría de la siguiente manera: tienes 2 cohetes en el espacio vacío, estacionarios uno respecto del otro. Ninguno de ellos enciende sus motores, pero sin embargo, comienzan a alejarse uno del otro. Como si fueran arrastrados por alguna fuerza invisible, pero sin sentir ninguna aceleración (los acelerómetros indicarían cero)". ¿Alguna vez hemos probado eso?
No puede probar eso actualmente: la ley de Hubble es dominante en escalas Mpc
@Yashbhatt No podemos hacer un experimento directo para eso debido a las grandes distancias. Concluimos que de las observaciones y también esto es lo que obtenemos de ciertas soluciones de las ecuaciones de Einstein para la gravedad. No lo sabemos con certeza: es solo una explicación plausible que hasta ahora es consistente con las observaciones y tiene sentido en el marco teórico actual.
@mpv ¿Pero la expansión del espacio no parece una hipótesis ad hoc para evitar que algo alcance la velocidad de la luz? ¿Qué pruebas tenemos de que no son las galaxias las que se mueven sino el espacio el que se expande?
@Yashbhatt El desplazamiento al rojo de las supernovas distantes (tipo Ia) sería diferente, si el desplazamiento al rojo fuera solo Doppler. Vea esto: publique.csiro.au/?act=view_file&file_id=AS03040.pdf Además, la hipótesis de no expansión significa que estamos en el centro del universo, ya que observamos solo un pequeño patrón de dipolo CMB que indica que nos movemos a 370 km/ s wrt a CMB. Eso es muy lento, ya que una gran cantidad de galaxias distantes se mueven más rápido que la luz. Ver physics.stackexchange.com/questions/38779/…
Mira la respuesta de Lee. Dice que no es necesario que el espacio se expanda. Todavía podríamos no ser el centro del universo si las galaxias se estuvieran alejando.
@Yashbhatt Si no consideramos CMB, no necesitamos estar en el centro. Pero una vez que medimos el CMB, está claro que estamos casi estacionarios en el marco de referencia donde el CMB es isotrópico. Pero las galaxias distantes se alejan de nosotros a velocidades locas (muchas de ellas a velocidades superlumínicas). Todos estos miles de millones de galaxias tendrían que observar una enorme anisotropía dipolar CMB. ¿Por qué observamos una anistropía dipolar tan pequeña, mientras que la mayoría de las galaxias se alejan tan rápido de nosotros? ¿Estamos en el centro del universo? ¿O los fotones CMB son arrastrados con estas galaxias y ven también una pequeña anisotropía?
@mpv No sé qué es la anisotropía dipolar, pero ahora la expansión del espacio tiene sentido. Muchas gracias por despejar una gran duda de mi mente.
@mpv ¿Tiene enlaces a algún artículo que explique en detalle lo que mencionó?
@Yashbhatt Sí, los enlaces se proporcionaron en uno de mis comentarios anteriores. physics.stackexchange.com/questions/38779/… y también publique.csiro.au/?act=view_file&file_id=AS03040.pdf

Todo lo que sabemos es esto:

Los objetos distantes se alejan de nosotros a un ritmo proporcional a su distancia de nosotros.

Todas las versiones de "el espacio se está expandiendo" son variantes filosóficas de esto.

En realidad todo se aleja de todo, no hay un punto central.
Lo sé, pero el espacio no es una cosa real. Entonces, si estoy de pie y un gato se me escapa, ¿qué digo? ¿Que el gato está estacionario, pero la tierra se expande? ¿Cómo podemos decir con certeza que el espacio se expande cuando no podemos diferenciar entre los objetos que se alejan y el espacio que se expande?
Como dije a gran escala todos los objetos se alejan de nosotros, si no fuera por la expansión del espacio significaría que estamos en el centro del universo.
@ Joan.bdm Entonces, ¿qué tiene de malo el ejemplo sobre dos galaxias que mencioné?
Por supuesto, todo esto depende del punto de vista, pero la teoría más realista es la expansión. Si ves una galaxia alejándose de ti también podrías imaginar que ambas galaxias están estáticas pero la tuya se está volviendo más pequeña (eso también provocaría los mismos efectos pero es imposible). Tiene sentido pensar que el universo se expande ya que es lo único que existe, nada más podría detenerlo. Lo extraño es que está acelerando su velocidad de expansión.
¿Qué queremos decir con que el espacio se está expandiendo?
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