Si el espacio se está "expandiendo" en sí mismo, ¿por qué entonces hay un desplazamiento hacia el rojo?

La forma "de los niños" de entender el universo en expansión es que: el "espacio" es totalmente "ordinario", y todas las galaxias se están expandiendo a través de él (como una explosión). Por supuesto, eso está mal.

La mejor explicación habitual es que "el espacio mismo se está expandiendo". (Por supuesto, en escalas por debajo de los cúmulos, la gravedad une las estructuras "más pequeñas").

Una explicación aún más actualizada es que la "métrica del espacio" conceptual se está "expandiendo" ( aquí hay un ejemplo pedagógico típico ) que quizás pueda resumirse como "la escala está cambiando".

Entonces... los objetos distantes están desplazados hacia el rojo.

¿Pero por qué? Todo se está expandiendo, la métrica misma del espacio-tiempo se está expandiendo.

De hecho, me parecería que solo verías el desplazamiento hacia el rojo (o si lo prefieres, la dilatación del tiempo de las cosas lejanas) estrictamente en el caso del movimiento "cotidiano" dentro de la métrica del espacio; la idea misma de la "métrica del espacio cambiante" real! Parecería ser que, aquellos de nosotros internos a esa métrica del espacio no tendríamos idea de que tal expansión está ocurriendo: la escala simplemente está cambiando para todo.

¿Cuál es la mejor manera de entender esto?

Imagina simplemente un cubo de un metro en un videojuego con algunas cosas dentro. No hay exterior, es el universo. Ampliaré todo...

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{nota... por supuesto, obviamente, el 'exterior' (sombras, etc.) agregado por el software de presentación 3D para aclarar el PNG aquí, no tiene ningún significado y no existe de ninguna manera}

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... a todos los seres adentro, creo que absolutamente nada ha cambiado , no habría desplazamiento hacia el rojo entre los objetos allí.

¿Cual es el trato?

Tenga en cuenta también esta pregunta algo similar (¿relacionada?), Que surgió con el reciente descubrimiento de ondas gravitacionales de 2016:

¿Cómo es que las distorsiones en el espacio pueden medirse como distancias?

Creo que tienes ambos. Una cierta cantidad de espacio en expansión y objetos que se mueven en relación con ese espacio. Corrimiento al rojo restaurado.
@JoeBlow: "la escala simplemente está cambiando para todo" no es cierto: la constante de estructura fina parece ser una constante real (satélite Planck y Wmap), entonces, al menos, no hay evidencia de que los átomos se expandan.
Hola @Floris... hmm, no estoy seguro si te sigo. Por supuesto, existe el Doppler cotidiano ordinario o el corrimiento al rojo gravitacional, y existe el corrimiento al rojo cosmológico (causado por "la expansión métrica del universo"). (Por lo tanto, muchas preguntas sobre cómo diferenciar los dos ... ejemplo ) Mi pregunta es, por supuesto, solo sobre el corrimiento al rojo cosmológico ... mi pregunta, ¿por qué TODA LA MÉTRICA MALDITA en expansión debería ser detectable, en absoluto, dentro de ese sistema?
@JoeBlow: Anna V respondió esta pregunta. La teoría de la expansión necesita menos cambios. Existe una correlación significativa entre el corrimiento al rojo como distancia y las características de los objetos observados que reflejan sus edades.
Hola, igael: RESPONDIÓ a mi pregunta, exactamente afirmando que "los átomos no participan en la expansión métrica". Las ondas se expanden métricamente: si los átomos participaran en la expansión métrica, no veríamos nada, ningún cambio. Pienso. De hecho, tal como dices "los átomos no se expanden".
@Fattie Tenga en cuenta que la métrica FRW solo se mantiene si analizamos el universo en grano grueso, es decir, promediamos sobre los "bultos" y "protuberancias" causados ​​​​por la presencia de galaxias y cúmulos de galaxias. En la escala más local, la métrica ciertamente no es FRW, de hecho, en el sistema solar es más como una métrica de Schwarzchild, que ciertamente no describe un espacio-tiempo en expansión.
entendido, @ usuario35305. Permítanme ponerlo de esta manera: parece ser que el actual "término usado para describir esto" es la "expansión métrica del espacio" y/o la "expansión de la métrica del espacio". (Todo el mundo parece haber decidido que el antiguo "espacio en sí mismo se está expandiendo" estaba mal ) . que dentro de los átomos hay fuerzas que evitan que los átomos mismos se expandan. Entonces, cualquiera que sea la naturaleza de esa fuerza atómica interna, ese "sistema completo y operación" simplemente se expandiría.
@Fattie He tenido problemas con estas ideas en el pasado. Para ser honesto, el documento al que se vinculó en su respuesta brinda una explicación bastante buena de por qué la expansión cósmica no afecta las escalas locales (particularmente las secciones 2.2, 2.6.2 y 2.6.3).

Respuestas (6)

Es bastante fácil de explicar si tomamos una visión clásica de una onda electromagnética. A medida que una onda EM de una estrella distante se propaga hacia nosotros, el espacio a través del cual se propaga se expande. Dado que el espacio se está expandiendo, los picos y valles de la onda EM se están alejando unos de otros. Eso corresponde a un aumento en la longitud de onda y una disminución en la frecuencia; surge un corrimiento al rojo.

Editar:

Creo que te estás imaginando que "la misma métrica del espacio se está expandiendo" para significar que la definición de distancia está cambiando † , Pero ese no es el caso. La "métrica de la expansión del espacio" significa que las distancias mismas están cambiando. A medida que un electrón y un protón están sujetos a una expansión del espacio, la atracción electrostática entre ellos (hablando en un marco más o menos no cuántico) los "vuelve a unir" y mantiene el tamaño del átomo.

La analogía de la "hoja de goma" es un poco peligrosa, pero en este caso creo que es adecuada. Dos objetos en una hoja de goma en expansión experimentarán un aumento en la distancia entre ellos, pero no si están conectados por un resorte; en ese caso, mantendrán su distancia relativa.

No es una exención mágica que permite que los átomos de nuestro aparato de medición no se vean afectados por un universo en expansión; no se ven afectados porque las interacciones electrostáticas y la mecánica cuántica asociada que determinan el comportamiento de las partículas subatómicas no cambian con la expansión del espacio.

† eso solo significaría que el universo está cambiando de un conjunto de unidades a otro, lo que sería (como usted señala) física y filosóficamente indetectable y, por lo tanto, sin sentido.

Pero la cuestión es que, si (eso es SI) el equipo de medición y literalmente todo se estaba expandiendo, como quizás uno esperaría de una exposición pedagógica asombrosa como "la métrica misma del espacio-tiempo se está expandiendo ", no hay ningún cambio en absoluto.
Entiendo su punto, pero diría que el equipo de medición está hecho de partículas unidas por fuerzas electrostáticas y nucleares. No se puede decir lo mismo de los picos de una onda electromagnética: no existe una fuerza restauradora que mantenga la escala de una onda EM. ¿Resuelve eso tu objeción?
Hmm, si literalmente LA MÉTRICA DEL ESPACIO-TIEMPO (¡por el amor de Dios!) en realidad se estaba expandiendo, lo que de hecho no es más que decir que la "escala está cambiando", entonces en gran medida la "medida" de distancia entre los picos (o - cualquier medida !) simplemente sería "lo mismo", no hay corrimiento al rojo. Pero, de hecho, todo esto parece estar resuelto: parece que cuando decimos "la misma métrica del espacio-tiempo está aumentando" en realidad queremos decir "PERO NO ÁTOMOS". Entonces, podemos medir "mágicamente" el cambio sin sentido en la "escala - distancia" entre esos picos: porque los átomos no están cambiando convenientemente: O
Actualicé mi respuesta para abordar con suerte su frustración sobre los átomos.
Por cierto, si todavía estás allí, ¡esta fue una gran respuesta, @Brionius!

¿Cuáles son los hechos observacionales/experimentales?

1) Los átomos tienen espectros definidos, con un patrón fijo, una huella dactilar del átomo.

2) Cuanto más alejadas (medidas por la luminosidad) las galaxias alrededor de la nuestra, más se desplazó el patrón de huellas dactilares hacia la parte roja del espectro.

3) Esto sucede uniformemente por todas partes.

El modelo que se ajusta a estos hechos es la Relatividad General, que predijo el comportamiento

En la jerarquía de fuerzas, la fuerza gravitatoria es la más débil . Esto asegura que los átomos, la materia en general hasta el tamaño de las galaxias mantengan su estructura, la analogía del pan de pasas . La gravedad es lo suficientemente fuerte como para mantener intactos incluso los cúmulos de galaxias y, dadas algunas suposiciones sobre la densidad de energía y la solución de las ecuaciones de la relatividad general, la gravedad puede combatir la expansión y conducir a la gran crisis.

Los fotones son partículas elementales que tienen que obedecer localmente a la conservación de la energía y el momento. La expansión del universo cambia su impulso y así los espectros atómicos llegan desplazados hacia el infrarrojo.

la idea misma de la "métrica del espacio cambiante" real! Parece ser que, aquellos de nosotros internos a esa métrica del espacio no tendríamos idea de que tal expansión está ocurriendo: la escala simplemente está cambiando para todo.

Es el hecho de que la materia está unida por fuerzas que no se ven afectadas por la expansión lo que nos permite medir la expansión. De lo contrario, tiene razón, nuestros átomos también se expandirían y no veríamos ningún cambio en las huellas dactilares atómicas.

@BenitoCiaro Todas nuestras explicaciones son ad hoc, se llaman modelos matemáticos; y son aceptados no por su poder descriptivo (eso sería solo un mapeo) sino por su poder predictivo. Los modelos teóricos se mantienen mientras los nuevos datos los validen.
Hola Anna V Primero gracias como siempre. Permítanme tratar de llegar al meollo del asunto. Como dices (1) la materia está unida por fuerzas que no se ven afectadas por la expansión (2) que nos permite medir la expansión (3) De lo contrario, nuestros átomos también se expandirían y no veríamos ningún cambio . La confusión para mí es que lo único que sucede para "expandirse" son estructuras más grandes que los clústeres. Con otros tipos de movimiento (causado por la gravedad, explosiones, etc., etc.) simplemente decimos "sucede que se está 'moviendo'" y eso, 'movimiento', es lo que causa el corrimiento hacia el rojo en ese caso. Sin embargo.......
....... parece que estrictamente en el caso de estructuras más grandes que los cúmulos, en lugar de simplemente decir "se están separando" (por alguna razón, una fuerza aún desconocida... lo que sea... ), afirmamos en cambio que la naturaleza misma del sistema de coordenadas subyacente epistemológico cambia de escala y que la totalidad del "espacio-tiempo" está experimentando una expansión métrica. Entonces, eso es lo que me pregunto aquí.
@JoeBlow Estás ignorando el hecho crucial de que estamos observando una expansión en las tres dimensiones espaciales. No es un movimiento en una cuarta dimensión espacial donde se puede decir "se están separando". La cuarta dimensión es el tiempo (o energía y cantidad de movimiento). Estudie el análogo del pan de pasas. El pan entero se expande en las tres direcciones, cada una de ellas. un poco de masa se está expandiendo hacia afuera. Si uno considera que el universo comenzó en un punto matemático (la extrapolación de la solución matemática), todos estamos en ese punto, todos los puntos en nuestro universo actual son el punto de inicio expandido
Bueno, en el ejemplo de la masa de pasas, las pasas mantienen un tamaño fijo . (¿Verdad?) Si las pasas también aumentaron de tamaño (precisamente como en mi ejemplo visual: observe las dos pasas), entonces no hay corrimiento al rojo. De hecho, me ha explicado que los átomos NO se expanden , lo que supongo que es precisamente la respuesta exacta a mi pregunta específica aquí.
Tenga en cuenta también que: siempre se señala que debido a la GRAVEDAD, aunque la métrica del espacio-tiempo se está expandiendo, las estructuras debajo de los grupos NO se están expandiendo. Sin embargo. Ahora me doy cuenta de que esto no tiene absolutamente nada que ver con la pregunta aquí ("¿cómo es que el desplazamiento hacia el rojo si todo se está expandiendo?") La razón del desplazamiento hacia el rojo es que estrictamente los ÁTOMOS no se están expandiendo. Digamos que la gravedad era más débil y, de hecho, los cúmulos y las galaxias, incluso los sistemas planetarios, ESTABAN en expansión. Eso no haría ninguna diferencia. Todavía veríamos un desplazamiento hacia el rojo, porque los ÁTOMOS NO se están expandiendo con la métrica del espacio-tiempo. Pienso.
(Por cierto, tal vez haya un pequeño error tipográfico en la respuesta AV. Usted escribió "Esto asegura que los átomos, la materia en general hasta el tamaño de las galaxias, mantengan su estructura" . Tal como lo entiendo, y de hecho en su oración inmediatamente siguiente afirma que el "límite" depende de los cúmulos, no de las galaxias).
@JoeBlow bueno, podemos detectar el desplazamiento hacia el rojo porque los átomos no se expanden, mantienen un espectro desplazado. Pero podemos identificar de dónde provienen los fotones. Creo que la expansión medida utilizada en las ecuaciones da un efecto muy pequeño sobre el tamaño de las galaxias y cúmulos frente a la unión del campo gravitatorio. Es el enlace que di arriba map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_fate.html
Correcto, podemos detectar el corrimiento al rojo ya que los átomos no se están expandiendo. Esa parece ser la clave absoluta para la pregunta real que nos ocupa aquí.
Por cierto, los átomos aún no se están expandiendo. En algunos escenarios cosmológicos, la fuerza de la energía oscura se vuelve tan grande que incluso los átomos se triturarán en pedazos (en partículas elementales) finalmente en algún momento. Esto se llama escenario Big Rip

FYI Curiosamente encontré este artículo,

http://arxiv.org/abs/0707.0380v1

donde se dirigen los autores

el problema exacto de esta pregunta,

y, de hecho, si toda la idea pedagógica de "expansión del espacio" es una mierda .

Por ejemplo, la sección 2.6.2 es una pregunta idéntica al OP aquí.

2.6.2 ¿Todo se está expandiendo?

Una extensión del argumento en contra de la expansión global dado en la sección 2.2 es que debería ser indetectable, ya que todo simplemente se expandirá con ella.

Esencialmente continúan diciendo que debido a que los átomos no se expanden , podemos medir el corrimiento al rojo , por ejemplo,

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Que parece ser la respuesta asintótica aquí.

"debería ser indetectable": bueno, depende de si las constantes se mantienen constantes o no (c, estructura delgada, etc., especialmente todas las que tienen longitudes involucradas en alguna parte de su definición).
Si ciertas constantes (o cualquier cosa) cambian con el tiempo, podría ver ese cambio mirando el pasado, como sugiere. En cualquier caso, la pregunta en cuestión, el OP, es por qué es detectable la expansión métrica, ya que los detectores, etc., se expandirían. Respuesta: los átomos no se expanden bajo la expansión métrica.
Mi punto sobre las constantes fue justo la situación opuesta: si la métrica escalara pero no las constantes, tendría la impresión de que la constante cambia (por ejemplo, c disminuye), lo cual puede detectarse como usted señala.

La forma "de los niños" de entender el universo en expansión es que: el "espacio" es totalmente "ordinario", y todas las galaxias se están expandiendo a través de él (como una explosión). Por supuesto, eso está mal.

No está mal. No hay diferencia en la relatividad general entre "expansión del espacio" y movimiento relativo simple. Son el mismo fenómeno descrito con respecto a diferentes coordenadas.

Aquí hay una analogía. En una bola de tierra del tamaño de un planeta (la tierra sin océanos, montañas, etc.), talle un montón de caminos rectos (gran círculo) para los pies de un polo al otro, todos de un ancho fijo (digamos 1 metro). A medida que te alejas de los polos, los senderos se alejan más entre sí, alcanzando una distancia máxima en el ecuador, y luego vuelven a converger en el otro polo.

Ahora considere esta situación desde la perspectiva de las coordenadas polares (latitud y longitud). Cada camino tiene una longitud constante. A medida que cambia la latitud, los caminos no se separan ni se juntan; permanecen en separaciones longitudinales fijas, mientras que el factor de escala que relaciona la longitud con las distancias físicas cambia.

¿La separación de caminos ahora es inobservable, porque la métrica en sí misma está siendo reescalada? No. No cambias la realidad física eligiendo nuevas coordenadas para ella. En coordenadas polares, el ancho de las coordenadas de la ruta disminuye a medida que aumenta el factor de escala, lo que significa que la distancia física entre las rutas, medida utilizando el ancho de la ruta física como regla métrica, aumenta igual que antes. La disminución del ancho de coordenadas no es el resultado de una fuerza física que actúa contra la fuerza de expansión. No hay fuerza de expansión. Solo hay caminos de ancho constante que no conocen ni se preocupan por las propiedades del sistema de coordenadas que eligió.

Esta es una analogía muy cercana. Las cosmologías FLRW tienen una simetría aproximada similar a la simetría de la tierra alrededor de su eje de rotación, y las coordenadas FLRW son similares a las coordenadas polares. El tiempo cosmológico es la latitud, y la posición espacial es la longitud.

Las leyes de la física son locales. Si miras cualquier pequeña porción de la tierra (lejos del ecuador), los senderos en ella son divergentes. Esa divergencia local (movimiento relativo) es todo lo que las leyes de la física realmente "ven". Los humanos reconocemos la forma general y los grandes círculos, y elegimos coordenadas globales que respetan la simetría global. Esa es nuestra elección. Al universo no le importa.

Tendría que pensar en esto durante mucho tiempo. No es tiempo de Internet, mucho tiempo real.
Desafortunadamente, todavía siento que todas las respuestas aquí son, en una palabra, inútiles.

1: Es falso decir "todo se está gastando": el espacio se está gastando, pero los objetos unidos por fuerzas (como la gravedad) se mantienen a la misma distancia. Por eso es erróneo confundir expansión y simple cambio de escala.

2: Cuando una onda viaja a cierta velocidad, el frente 2 tiene un retraso en comparación con el frente 1 y necesita algún tiempo para cubrir la distancia para alcanzar la posición anterior del frente 1. Pero durante este tiempo la expansión ha agrandado la brecha, por lo que la distancia entre los frentes (que es la longitud de onda) aumenta: este es el corrimiento hacia el rojo.

Gracias Fabrice. En realidad, me parece que la gravedad es irrelevante. (La gravedad mantiene juntos los objetos más pequeños que los racimos). La única clave es si los átomos se están expandiendo. Si los átomos se estuvieran expandiendo (como en mi ejemplo visual), nuestro equipo de medición y los fotones se estarían expandiendo realmente y no habría corrimiento al rojo. La clave parece ser lo que dice Anna: " De lo contrario, tienes razón, nuestros *átomos también se expandirían y no veríamos ningún cambio en las huellas dactilares atómicas".*
Dije cualquier fuerza . Los átomos están limitados por varias fuerzas, por lo que no tienen motivos para expandirse.

Tenga en cuenta que en su ejemplo en realidad habría un desplazamiento hacia el rojo. Las dos esferas todavía están separadas por distancias proporcionalmente equivalentes, lo que significa que se han alejado una de la otra en términos de un marco fijo no desplazado.

Su ejemplo afirmó que todo lo expandido (en su diagrama) sigue siendo el mismo. Según su marco de referencia (su diagrama), la distancia entre las dos esferas ha aumentado aunque no parecen diferentes debido a la escala. Una señal de radio enviada de una esfera a otra tardaría más (ese es el significado de "expansión") en el universo expandido que antes de la expansión, incluso si todo parece tener el mismo aspecto. Esto no es una cuestión de escala, es una cuestión de que la distancia haya cambiado, incluso si se ve igual.
Si el espacio se está "expandiendo" en sí mismo, ¿por qué entonces hay un desplazamiento hacia el rojo?
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