¿Se está expandiendo realmente el espacio?

Según su Introducción, Einstein, Relativity and Absolute Simultaneity es un volumen de ensayos “dedicado, en su mayor parte, a argumentar que la simultaneidad es absoluta” (como sugiere el título). Esto no es física convencional. Dado que los editores del libro ( William Lane Craig y Quentin Smith ) son/eran filósofos en lugar de físicos, su valor como libro de texto de cosmología es dudoso.

Entonces, sí, según el peso de la evidencia disponible y el consenso de la corriente principal de la física, Smith está equivocado.

Él está equivocado.

Lo que se observa es una amplia gama de fenómenos, no solo uno, y todos apuntan en la misma dirección .

Los físicos convencionales no son ingenuos. Este tipo de teorías se prueban con fuerza contra los datos en cientos de formas y experimentos, y contra otras teorías, y luego nuevamente por otros equipos. No se compran solo porque son bonitos y esotéricos. Además de objetos distantes que se alejan más rápido:

• los objetos que se alejan parecen alejarse de manera similar en cualquier dirección. No hay un "centro" aparente. O estamos en algún lugar mágico, o se ve así desde todas partes ... lo que implicaría fuertemente que el espacio mismo se está expandiendo.
• lo mismo para la estructura del universo (galaxias y vacíos), explosiones gamma, supernovas, cuásares... Similar en todas las direcciones, sin "centro" aparente
• el fondo cósmico de microondas se ha enfriado con el tiempo. Estos son fotones que vuelan libremente desde el comienzo del universo. Los fotones simplemente no se "enfrían" como tales. No de esa manera, y especialmente no gradualmente. No hay evidencia de que los fotones se comporten de manera diferente en tiempos y distancias cósmicos (o más bien, cuando se prueban, estas ideas no ganan). Pero se enfrían gradualmente si el espacio se expande durante su viaje de miles de millones de años. Esta es una evidencia directa, que coincide directamente con otra evidencia de corrimiento al rojo.
• otros experimentos muestran que el espacio es excesivamente "plano". Pero no empezó así. Nuevamente, esta es una buena evidencia de que el espacio se ha expandido. Como inflar un globo con una hormiga parada sobre él, a la hormiga le parecerá muy arrugado cuando es pequeño, mucho más plano cuando está expandido. Nuestro universo nos parece extremadamente plano.
• ciertos eventos en el universo muy primitivo, como el recalentamiento y el sobreenfriamiento, tienen sentido y encajan matemáticamente, en un contexto de expansión, más que cualquier otro contexto sugerido conocido que se haya estudiado.
• Las ecuaciones de campo de Einstein sugieren fuertemente la expansión , hasta el punto de que Einstein, que no tenía nuestro conocimiento actual de la evidencia, tuvo que "modificar" sus ecuaciones para que no terminaran sugiriendo que el espacio se estaba expandiendo o contratación Las ecuaciones de campo de Einstein han sido probadas masivamente por todo, desde el GPS hasta la desviación de la luz alrededor de las estrellas, los agujeros negros, las ondas gravitacionales, y... bueno, una gran cantidad de cosas. Describen cómo se comporta el espacio mismo, principalmente pero no solo en relación con la gravedad y la masa. Estamos muy seguros de ellos hasta ahora. Y si no los modifica agregando una " constante cosmológica " precalculada"Diseñados para contrarrestar deliberadamente el comportamiento "por lo demás normal" de las ecuaciones, también muestran que el espacio se expande o se contrae. A Einstein no le gustaba hacer eso, pero aparentemente no podía ver ninguna otra forma de evitar esa conclusión de sus ecuaciones... gente en el El tiempo creía en un universo estático, y si eso era así, entonces había que agregar un "factor de engaño" a sus ecuaciones para hacer que predijeran lo que creía la corriente principal, y no predecir la expansión (en estos días, la "constante cosmológica"
  es se entiende un poco mejor y ahora se cree que se relaciona con la llamada " energía oscura ", esencialmente uno o más campos cuánticos escalares que se cree que existen y que son responsables de esta expansión. El término "oscuro" significa que noTodavía no tenemos instrumentos que puedanpercibir su energía o partículas: es "oscuro" para los instrumentos existentes, aunque creemos que está allí a partir de las observaciones de los efectos que coinciden con lo que haría dicho campo. Creemos que alrededor del 69% de toda la masa-energía del universo está en forma de esta energía oscura, ¡así que es un elemento bastante grande cosmológicamente!)
• Estas teorías también han hecho predicciones detalladas y extremadamente precisas, que son muy difíciles de explicar de otra manera. Por ejemplo, el modelo del Big Bang explica por qué debería haber un fondo cósmico de fotones y (si encontramos una forma de detectarlo) también un fondo cósmico de neutrinos, y algunas de sus propiedades esperadas. Predice que el universo debería contener 75% de hidrógeno, 25% de helio y rastros de otros elementos, y exactamente por qué esos porcentajes (respuesta: se relaciona con la proporción de protones y neutrones creados anteriormente y el tiempo disponible para la fusión), por qué algo de deuterio podría formarse por fusión pero luego no se fusionó con helio (se fusiona con helio muy fácilmente), y así sucesivamente. Ninguna otra teoría conocida explica todos estos hallazgos. Y el modelo Big Bang incluye como elemento central, la expansión.

Esos son ejemplos. Hay otros también.

• Enlace relevante para un poco más de información:
  https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_of_the_universe

Básicamente está equivocado. Lo que se aleja exactamente de lo que depende del sistema de coordenadas que esté utilizando. En GR, todos los marcos son físicamente equivalentes entre sí.

En coordenadas comovivas, es decir. Según la métrica de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker, el Universo consiste en un gas de galaxias que se expande uniformemente. En este caso, las galaxias se mueven sobre geodésicas asociadas a esta métrica. Sin embargo, en coordenadas de comovimiento, las galaxias tienen una posición fija y su velocidad es$0$. Entonces, qué cambia: la métrica. La parte espacial de la métrica tiene un factor de escala que cambia con el tiempo. Esto se asocia entonces a "la expansión del espacio".

También podemos describir la misma física usando marcos locales de Minkowski. Dado que el marco de Minkowski es estático, no tenemos una expansión de la parte espacial. Sin embargo, el corrimiento al rojo cosmológico ahora se puede atribuir a la acumulación de corrimientos Doppler de fotones enviados por una galaxia y recibidos por otra a través de marcos locales de Minkowski. En este marco, la velocidad de las galaxias no es$0$y se alejan unos de otros.

En resumen, es una cuestión de perspectiva decidir qué se está "expandiendo". La primera evidencia observacional se atribuye a Edwin Hubble.

Sobre el tema del Big Bang, comúnmente se cree que no había espacio-tiempo antes de que ocurriera el Big Bang. No hay dónde ni cuándo, porque no había espacio-tiempo. El Big Bang sucedió y llegó el espacio-tiempo.
Por supuesto, hay otras teorías como el universo cíclico.

Se pueden vincular tres pruebas observacionales concretas con el transporte de luz/fotones a través del vasto espacio del universo. Estos son solo ejemplos, no el cuerpo de evidencia.

• Si acepta el Big Bang y la producción de una radiación de cuerpo negro de 3000 K unos 300 000 años después del Big Bang, ¿dónde están esos fotones hoy? Si la "explosión ocurriera en el espacio-tiempo", la forma del espectro seguiría siendo la misma hoy, los fotones solo se diluirían. Si "el espaciotiempo está explotando", el espectro se deformaría al cambiar la longitud de onda (-> tamaño) de los fotones. La radiación de cuerpo negro CMB actual de ~2,7 K es exactamente lo que espera en este caso.

• Solo piense: ¿Qué significa si los astrónomos dicen "un objeto tiene un corrimiento al rojo de X"? El corrimiento al rojo se ve en el patrón de bandas de emisión y absorción muy estrechas/precisas de moléculas y átomos normales, que están en longitudes de onda muy diferentes (mucho más largas) de lo que se observaría en un laboratorio en la Tierra, cuanto más lejos esté un objeto. está lejos de la tierra. Si el "big bang fuera una explosión en el espacio-tiempo", un fotón nunca cambiaría su longitud de onda, solo se diluiría o absorbería (intensidad). Solo en una "explosión del espacio-tiempo" el fotón (longitud de onda) también se estiraría, mientras se mueve y su longitud de onda se haría más larga, cuanto más viaje a través del espacio. Eso es lo que vemos.

• Si observa la luz de objetos extremadamente distantes: en su camino hacia nosotros (como observadores) pasa ocasionalmente a través de áreas de mayor densidad de hidrógeno (materia) que dejarán una huella típica y bien conocida de bandas de absorción de hidrógeno neutral. Estas bandas se desplazan hacia el rojo según la distancia de la nube de hidrógeno (oscura). Dado que para objetos muy distantes esto sucederá muchas veces, observamos una serie de bandas de absorción desplazadas. Esto se llama el 'bosque de Lyman alfa' ( https://en.wikipedia.org/wiki/Lyman-alpha_forest ) y es una gran herramienta para estudiar la estructura del universo. Esto puede entenderse muy bien en el contexto de la expansión del espacio.

Se comentó en la discusión a continuación que esos efectos pueden ser simplemente cinemáticos (efecto Doppler). Si bien la cinemática nunca es irrelevante y, además, domina nuestro entorno local en la Tierra y también en el universo local, en escalas cosmológicas se convierte en una corrección menor. Los corrimientos al rojo que observamos corresponderían a velocidades altamente o ultra relativistas. Y la isotropía del espacio observada es muy consistente con la expansión del espacio, mientras que no es natural en un escenario impulsado únicamente por la cinemática.

Existe evidencia observacional de la expansión del espacio, llamada corrimiento al rojo : la mayoría de las galaxias se están alejando de nosotros y podemos medir eso por la cantidad de corrimiento al rojo. Hay más detalles aquí . Pero de todos modos, esto es exactamente lo que el autor parece negar como evidencia.

Hubble notó que las galaxias distantes tenían corrimientos al rojo más altos y ajustó sus datos de observación con la famosa relación lineal ahora conocida como la ley de Hubble:

donde z es el corrimiento al rojo, c es la velocidad de la luz, r es la distancia y$H_0$es la constante de Hubble. Cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja de nosotros.

La pregunta es, ¿por qué las galaxias se alejan de nosotros según la ley de Hubble? ¿Cómo interpretamos esta ecuación?

Solía ​​​​existir la "hipótesis de la luz cansada", que intentaba explicar la relación de Hubble asumiendo que las galaxias no se están alejando de nosotros, sino que los fotones simplemente pierden energía a medida que se mueven por el espacio. Esta idea rápidamente pasó de moda.

Otra hipótesis es que el universo se está expandiendo, que es exactamente lo que consideramos un hecho hoy en día.

El punto clave es que las galaxias no solo se alejan de nosotros, sino que también se alejan unas de otras. Lo sabemos por el Principio Cosmológico , que establece que el universo es homogéneo e isótropo. No vivimos en un lugar especial del universo, sino que el universo es prácticamente el mismo en todas partes. Hay toneladas de evidencia que respaldan el Principio Cosmológico, y la mayor parte de la cosmología establecida se basa en su validez.

Hablando filosóficamente, no sabemos que el universo se está expandiendo, como tampoco sabemos que el Principio Cosmológico es válido. Si analiza filosóficamente cualquier evidencia científica, nada contaría como evidencia. Sí, las galaxias podrían estar alejándose unas de otras debido a alguna causa aleatoria, o tal vez debido a Dios, pero la evidencia científica es clara: el universo se está expandiendo y esto está respaldado tanto por la Relatividad General (las ecuaciones de Friedmann) como por los datos de observación ( corrimiento al rojo). Lo que vemos es exactamente lo que cabría esperar de un universo que está experimentando una expansión homogénea e isotrópica. Si rechaza que el universo se está expandiendo, o que el principio cosmológico es válido, también puede rechazar toda la Cosmología.

No hay evidencia observacional para una hipótesis de expansión espacial. Lo que se observa son supercúmulos de cúmulos de galaxias que se alejan unos de otros con una velocidad proporcional a su distancia.

Esto es esencialmente correcto. La expansión del universo no es más que la recesión de los supercúmulos de galaxias. Hay mucha gente que piensa que está ocurriendo algún fenómeno adicional de "expansión del espacio mismo", pero no es así. No existe ningún concepto en la relatividad general de "espacio en expansión" (o "espacio", para el caso), y cuando parece que lo hay, es porque te estás confundiendo con los sistemas de coordenadas. Ver esta respuesta .

Continúa diciendo que el espacio es euclidiano e infinito.

Supongo que esto es técnicamente correcto en el modelo cosmológico estándar actual. Se supone que las porciones de tiempo cosmológico constante son euclidianas e infinitas en el modelo, y hasta ahora se ajusta a los datos. Pero el universo no es newtoniano ni relativista especial, porque el espacio- tiempo está curvado en el modelo, aunque los cortes espaciales no lo están.

¿No significaría esto que el Big Bang fue una explosión en el espacio-tiempo en lugar de una expansión del espacio-tiempo como se suele decir?

No implica eso, no. Es posible incrustar el cosmos que vemos en un espacio-tiempo más grande y, en cierto sentido, entonces se estaría "expandiendo" en ese espacio-tiempo más grande. Pero no hay evidencia que respalde ningún modelo particular de ese tipo. No es necesario que haya nada afuera para que el universo se expanda, y en el modelo cosmológico estándar, no lo hay.

Smith simplemente está equivocado.

Tiene razón al decir que no hay evidencia observacional directa (en un sentido ingenuo) de que el espacio se está expandiendo en lugar de que el espacio esté fijo mientras las galaxias se separan a través de él. Ambos parecen galaxias cada vez más separadas.

Pero hay mucha evidencia observacional de que la relatividad especial y general son correctas. Y, si esas teorías son correctas, la única forma de dar sentido a las observaciones es decir que el espacio mismo se está expandiendo.

Es como pararse en una carretera y ver un automóvil que se hace cada vez más grande y decir que no hay evidencia de que se esté acercando porque tal vez solo está creciendo en tamaño. Sabemos que los autos simplemente no hacen eso.

El problema es que, a escalas y velocidades pequeñas, el modelo que Smith quiere respaldar realmente funciona bien, a diferencia del modelo de "automóvil en crecimiento". Entonces, obviamente, no es tonto pensar que las galaxias simplemente se están separando en un espacio inmutable. Pero, cuando entiendes cómo funcionan las cosas a velocidades cercanas a la luz, queda claro que simplemente no puede ser correcto.

Hay mucha prosa sobre el "estiramiento del espacio", similar a una tela elástica. Preferiría simplemente decir: las cosas se están separando . En lenguaje técnico, me refiero al tensor de expansión$\Theta_{\mu\nu}$(una parte de la "descomposición cinemática") para líneas de mundo de galaxias, dentro de un modelo del universo de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker. En cada punto, esta cantidad te indica el movimiento relativo de las galaxias cercanas. El énfasis en esta cantidad evita interpretaciones poéticas injustificadas, que sin duda motivaron la "Diatriba" de Peacock.

Otra razón, creo, son los marcos de referencia. En la física newtoniana, puedes tomar un único marco de referencia para todo el universo. Supongamos que estuviera centrado en la Vía Láctea. Entonces, las galaxias distantes retrocederían en$2\times$,$3\times$,$4\times$etc. la velocidad de la luz, en relación con este marco. Sin embargo, en relatividad, los marcos de referencia se tratan mejor como locales. Nada va más rápido que la luz en cualquier marco de referencia (local, temporal). Por lo tanto, Davis y Lineweaver (2004) concluyen que "la velocidad se debe a la tasa de expansión del espacio, no al movimiento a través del espacio".

Algunos comentarios sugirieron que los físicos están mejor calificados que los filósofos para abordar este tema. No estoy de acuerdo. Se trata de la interpretación de la física, por lo que los filósofos de la físicasería en principio el más autorizado. (Aunque en la práctica, que yo sepa, son los físicos los autores de los artículos relevantes, incluidos los citados anteriormente; también Luke Barnes y Geraint Lewis y colaboradores; George Ellis, etc.) Para ser más matizado, esta es una intersección de diferentes campos. . ¿Qué corrimientos al rojo tienen las galaxias? Preguntemos a los astrofísicos, técnicos de telescopios, estadísticos, etc. ¿Qué ecuaciones produce la relatividad general? Preguntémosle a los relativistas. ¿Cuál es el significado y la interpretación? Este es más el dominio de la filosofía. (Por supuesto, no quiero decir que todos deban ceñirse a su propio dominio).