Si el universo se está expandiendo, ¿en qué se está expandiendo? [cerrado]

1. Si el universo se está expandiendo, ¿hacia dónde se está expandiendo?

El universo no se está expandiendo en nada. El espacio-tiempo no se está curvando en un espacio de dimensiones superiores. Entonces, ¿qué queremos decir con "curvado" y "expandido", palabras que generalmente tienen un significado solo para objetos en el espacio?

La respuesta es que es solo una analogía. Los matemáticos han encontrado propiedades del espacio que una hormiga en una superficie vería en su mundo y las generalizaron a dimensiones superiores. Por ejemplo, una hormiga podría elegir tres puntos distantes en una esfera y conectarlos mediante líneas que cree que son rectas y no curvas en cada punto y descubrir que la suma de los ángulos dentro de dicho triángulo es mayor que $180^\circ$. Si hacemos esto en nuestro espacio y descubrimos que también obtenemos un triángulo con más de$180^\circ$adentro, diríamos que vivimos en un espacio con curvatura positiva. Simplemente lo definimos de esa manera, solo por analogía. Y no necesitamos creer que hay otro espacio incrustado en el nuestro.

Con un espacio en expansión el asunto es similar. En una esfera en expansión, la hormiga recorrería lugares y los encontraría cada vez más separados. Por esta analogía definimos un espacio en expansión como un espacio donde todas las distancias crecen en el tiempo. Nuevamente, no necesitamos que nuestro espacio se sumerja en otra cosa para expandirse en este sentido. Para los estudios del universo primitivo, la "pequeñez" del universo tiene un sentido muy claro: significa que las cosas que ahora están lejos estaban muy juntas por la interacción física y podían alcanzarse fácilmente entre sí.

Sin embargo, hay algunas sutilezas en esto, por ejemplo, porque las galaxias y otros objetos gravitantes actúan básicamente como un alfiler que evita que una parte de la esfera se expanda. Puede ver que este "pin-down" gravitacional se sostiene básicamente por la fuerza gravitatoria newtoniana.

Entonces, ¿cómo distinguir simplemente entre galaxias que se alejan unas de otras por inercia y alguna fuerza repulsiva y espacio que se expande entre ellas? La respuesta es que no. Podría entender la métrica, la noción de "distancia" del espacio-tiempo de la relatividad general, como un campo peculiar que actúa sobre toda la física en un espacio plano, por ejemplo, haciendo que las señales y las partículas vuelen más rápido, y todas las observaciones serían sin cambios. "Cuando la física no cambia, al físico no le importa".

La relatividad general incluye una topología no trivial, pero no la "predice" en ningún sentido local a partir de la configuración de las fuentes: el campo solo puede ser inconsistente a veces con la configuración y la topología. Por lo tanto, se podría decir que todo el "espacio-tiempo curvo" es solo una palabra que usamos en analogía con algunas estructuras formales en objetos realmente curvos. Es solo un identificador para llegar a la física real y mientras ningún espacio ambiental con dimensiones adicionales contribuya a la física, decimos que no existe físicamente.

2. ¿Cuándo ocurrió el Big Bang y dónde ocurrió?

"Cuando" no lo sabemos. La física del universo muy primitivo no está clara, por lo que no sabemos si el Big Bang en el sentido de "la creación del universo" incluso sucedió. Sin embargo, sabemos que si extrapolamos la relatividad general hacia atrás en el tiempo, llegamos a un punto en el que todos los lugares del universo se acercan extremadamente entre sí (en el sentido de la "métrica") y solo un poco más en el pasado las ecuaciones descomponer. Este punto sería hace unos 13.800 millones de años.

En el antiguo sentido de la relatividad general, el Big Bang habría ocurrido en todas partes . Todos los lugares estarían tan cerca que la distancia entre ellos sería cero. Todavía pueden ser puntos distintos en el espacio, pero todos están en contacto físico continuo. Las ecuaciones no permiten retroceder más en el pasado, por lo que se podría decir que es un "comienzo de los tiempos".

Pero también podrías llegar a la conclusión de que todo el universo creció "desde un lugar" o desde un "átomo primigenio", pero esto es exactamente una extrapolación hacia el desglose que se hace más religiosamente que físicamente, como podría haber sido parcialmente el caso de el sacerdote católico Georges Lemaître , el pionero de la cosmología del Big Bang. Funciona bastante bien para un universo finito porque su volumen se reduce a cero en este proceso, pero para uno infinito (que podría ser en el que estamos), el universo es infinito en todos los puntos antes del desglose; entre otras propiedades, tiene siempre un volumen infinito. ¿Cómo saltaría a un punto desde allí? Las ecuaciones simplemente no dan una explicación clara y no podemos esperar que lo hagan,

Hoy en día estamos muy seguros de que no sucedió como lo describe la relatividad general. Simplemente estamos empujando los límites de nuestro conocimiento cada vez más atrás en el tiempo, esperando que el universo se reduzca cada vez más, pero sin saber a dónde nos llevará esto. Hablamos de "modelos cosmológicos" más que de "cosmologías" porque sabemos que es una ambición tonta formular una "cosmología" definitiva. Simplemente no sabemos qué se esconde detrás de la esquina.

El Big Bang ahora es más una referencia al punto en el que sabemos que las distancias entre los lugares son las más pequeñas o al punto en el tiempo en el que la relatividad general predijo originalmente la ruptura. Entonces, en cierto sentido, hoy en día es una referencia a una era de todo el universo: el Big Bang ahora se refiere a "todas partes" en el universo hace unos 13.800 millones de años.

3. ¿Cómo ocurrió el Big Bang? ¿De dónde obtuvo su energía?

Una vez más, no tenemos idea. La física actual puede decirle lo que sucede en función de las condiciones iniciales. No puede decirle por qué se realiza un conjunto particular de condiciones iniciales aparte de extrapolar más y más hacia el pasado. Ciertas áreas de investigación intentan dar una descripción holística que diría, por ejemplo, que de acuerdo con algunos principios muy básicos, las leyes deben haber sido así y solo se permite un conjunto de condiciones iniciales. Es decir, la energía total del universo no sería parte de la configuración sino de la ley. Pero hasta donde yo sé, ninguno de estos ha arrojado resultados satisfactorios en esta pregunta.

Si hay un momento de "la creación del universo" no podría explicarse por nada externo porque una definición funcional de "el universo" es "todo lo que hay". Es decir, si algo pudiera explicar la creación del universo, sería una parte del universo y podría no ser explicado en sí mismo. Puede crear un círculo cerrado de causas, pero luego no puede explicar por qué este círculo se realiza en lugar de no hacerlo. Esto se está poniendo filosófico y es solo una muestra de por qué la física realmente no puede proporcionar una respuesta.

Es decir, cuando pregunta "La energía no se puede crear ni destruir, ¿significa eso que la energía ha existido antes de que el universo estuviera aquí?" entras en conflicto con la definición de que el universo es todo lo que hay. Si hubo energía antes del universo entonces existió algo antes del universo. Pero dado que el universo es la suma de toda la existencia, el universo existió en ese punto, existió antes de existir. Esa es obviamente una conclusión sin sentido. Entonces, si existe un "punto de creación" del universo, no hay nada más allá de eso solo por definición. Una declaración de la creación del universo incluye la declaración de que la energía fue de hecho creada en tal punto .

Una respuesta a medias a su pregunta podría residir en algunos de los modelos cosmológicos cíclicos que modelan el Big Bang como formado a partir de una semilla de una etapa anterior del universo. Muchos de estos modelos hablan de un "rebote" del universo anterior que casi colapsa y luego se detiene para volver a expandirse; esto generalmente es causado por efectos de gravedad cuántica. La energía que tiene sería proporcionada por el universo anterior y el Bang sería un "Rebote" totalmente entendido por las leyes físicas.

Sin embargo, nada de esto responde preguntas del tipo ¿Cómo obtuvo su energía el universo anterior ? , ¿Por qué hay algo en lugar de nada? , ¿Por qué se eligió este universo con sus leyes y condiciones iniciales en lugar de otro? La física convencional simplemente no proporciona una respuesta a estas preguntas. Estas preguntas están más allá del alcance del método científico habitual y podría ser "por accidente" que encontremos respuestas parciales a ellas; no hay garantía de que alguna vez lo hagamos.

Hay gente mucho mejor para responder a esta pregunta, pero yo la responderé desde el punto de vista de un físico experimental de partículas, la forma en que he archivado este conocimiento en mi cabeza.

Si el universo se está expandiendo, ¿en qué se está expandiendo?

Las observaciones astronómicas muestran que todos los cúmulos de galaxias se están alejando unos de otros, un comportamiento que se refiere al efecto de una explosión.

La teoría de la Relatividad General, que trata la gravedad como una deformación del espacio-tiempo alrededor de cuerpos masivos, se ha utilizado para modelar matemáticamente esta observación, el Big Bang es una solución particular dentro de GR.

El BB en esta teoría ocurre desde un punto, como una explosión como se muestra en los enlaces de arriba. Todos los puntos de nuestro universo son este punto. Prácticamente metafísico pero cierto. Entonces, no hay significado en "a qué se está expandiendo", excepto matemático: las funciones necesarias para describir los datos muestran la expansión del espacio. Es la expansión de los puntos dentro del universo lo que ha sido medido y modelado, sin ninguna referencia a un "afuera".

Una analogía útil para mí es la superficie de un globo. Nuestro universo, en dimensiones más pequeñas, es como la superficie de un globo en expansión. Todos los puntos de la superficie se alejan unos de otros y , en lo que respecta a la superficie, simplemente se expande. En teoría, todos los puntos del globo se proyectan hacia el punto de inicio. A otros les gusta la analogía de un pastel con frutas intercaladas. A medida que sube en el horno cada pieza de fruta se va alejando de las demás y si pudiéramos pensar que toda ella pudiera tener su origen en un punto, todos los puntos de la torta expandida serían el punto de inicio .

¿De dónde vino la energía? La energía no puede crearse ni destruirse, ¿eso significa que la energía ha existido antes de que el universo estuviera aquí?

La teoría GR difiere del mundo newtoniano y de la relatividad especial que hemos explorado y con el que estamos familiarizados. Para estos tenemos definiciones de energía y también de conservación de la energía.

En el marco GR existe energía pero el concepto de conservación de la energía no es válido. La energía puede aparecer de acuerdo con las ecuaciones apropiadas. GR es necesario en la descripción de observaciones de grandes dimensiones en el espacio y el tiempo y cuerpos muy masivos. La conservación de energía no es una ley general en GR, pero se observa localmente.

Cuando ocurrió el big bang, ¿dónde ocurrió?

En cuanto a cuándo ocurrió el Big Bang, en los enlaces que les di se lee la medida como hace 13.800 millones de años . La astronomía ha medido esto. Donde no tiene significado en el modelo BB que concuerde con las observaciones hasta ahora, porque todos los puntos en el universo eran un punto, según este modelo, y no se incluye ninguna referencia a un sistema dimensional superior general (como en la analogía del globo donde el existe una tercera dimensión fuera de la superficie). Todo es un modelo matemático.

Cuando ocurrió el big bang, ¿cómo ocurrió?

El espacio comenzó a expandirse de acuerdo con las expectativas de GR, cada punto retrocedió entre sí. Una exposición detallada del modelo debe incluir que el comienzo real está envuelto por efectos mecánicos cuánticos. La relatividad general es una teoría clásica. Se espera que en la singularidad posterior proyectada de la BB los efectos cuánticos sean dominantes y la mecánica cuántica no tenga singularidades. Existen modelos efectivos para este período necesariamente cuantificado de la BB como se muestra en la figura referida anteriormente:

El modelo BB se ajusta a las observaciones hasta ahora.

Su suposición de que tiene que haber algo antes, después, fuera o incluso en el medio de alguna secuencia de eventos, aunque es natural para la física clásica, no es necesaria. Google para "flecha de Lucrecio "borde del universo"" encuentra varias referencias web, ninguna de las cuales quiero citar en particular, al hecho de que Lucrecio preguntó qué sucede en el borde del universo alrededor del año 100 AC. Con varios términos de búsqueda similares, Google conduce a varios foros filosóficos en los que se han formulado preguntas similares.

Su pregunta también tiene una ligera similitud con la antigua paradoja de la flecha de Zenón .

AFAIK, no hay una respuesta establecida para esto. A menudo es conveniente en matemáticas suponer que hay un continuo, y tales modelos pueden ser bastante efectivos, pero no hay necesidad. Tomar las cosas como sin fin, infinitas, en interminables subidas o bajadas, etc., si bien suele ser útil, también requiere cuidado a la hora de construir modelos matemáticos, porque sin cuidado las cosas pueden acabar mal definidas.

Para entrar en la pregunta detallada que plantea, está preguntando sobre el antes, el después y el exterior de lo que podemos inferir con confianza al ajustar los datos experimentales a los modelos de la teoría física actual. No tiene que haber nada en absoluto allí. Una posibilidad diferente, quizás igualmente desconcertante, es que podamos estar usando modelos de las teorías científicas que encontramos que son consistentes con mucha precisión cerca de la Tierra y el Sol en un dominio en el que los datos experimentales no se ajustan a ningún modelo consistente único. En particular, no hay garantía de que haya un atlas consistente del Big Bang (y sí, para aquellos que saben de estas cosas, también me refiero a esto técnicamente, como de una variedad).

Me temo que esto es bastante general, pero en la medida en que veo que la Cuestión suena filosófica, también lo hago yo.

La conservación de la energía es divertida con la relatividad general. Para tener una ley de conservación necesitas algo que sea una constante del movimiento. En el caso de la energía en el espacio-tiempo, esto requiere que haya un vector Killing que sea constante a lo largo de todas las geodésicas temporales. Esta isometría es lo que define la conservación de la energía. Las métricas del espacio-tiempo para las cosmologías no admiten un vector Killing que sea constante a lo largo de las geodésicas temporales.

El universo se expande como una multiplicidad. El espacio-tiempo está foliado por superficies espaciales, donde los puntos de esa superficie aumentan su distancia a lo largo de la dirección temporal de la foliación. Si el universo es plano, estas superficies espaciales son simplemente$R^3$espacios, y la curvatura del espacio-tiempo se define por su curvatura extrínseca en el espacio más tiempo = espacio-tiempo. El universo no se está expandiendo particularmente hacia nada fuera de sí mismo.

Solo un estudiante de física aquí, así que solo sé de estas cosas porque he leído un poco más, perfectamente posible que lo haya entendido mal. Pero puedes "crear" energía/materia, el problema es que también debes hacer una cantidad equivalente de antimateria/energía, lo que resulta en una ganancia neta de 0 energía/materia. Algo que vi antes de aprender esto que comenzó a entenderlo fue este video sobre la radiación de Hawking http://www.youtube.com/watch?v=S6srN4idq1E

Si entendí la lectura correctamente, este es un posible mecanismo de creación del universo (mecanismo de partículas/antipartículas). Aparentemente, esto sucede todo el tiempo en la Mecánica Cuántica, pero en una escala mucho más pequeña, y aparentemente la única forma de usar este efecto para crear algo que dure más de una fracción de segundo es hacer que cree un universo digno de materia/energía. y emparejando anti materia/energía. Lo que hace que esto sea tan difícil de obtener una comprensión definitiva es el hecho de que debe aplicar la relatividad general y la teoría cuántica de campos, y los 2 a veces pueden estar en desacuerdo (no tengo suficiente comprensión de ninguno de los dos para decir exactamente cuál es el desacuerdo). , solo sé que aparentemente hay uno)