¿Por qué la expansión del espacio no expande la materia?

He revisado otras preguntas en este sitio (por ejemplo, "¿por qué la expansión del espacio afecta la materia?") pero no puedo encontrar la respuesta que busco.

Así que aquí está mi pregunta: a menudo se oye hablar de la expansión del espacio cuando hablamos de la velocidad de las galaxias en relación con la nuestra. ¿Por qué, si el espacio se expande, la materia no se expande también? Si se dibuja un círculo en un globo (plano 2d) y el globo se expande, entonces el círculo también se expande. Si la materia es un objeto con 3 dimensiones espaciales, entonces cuando esas 3 dimensiones se expanden, también debería hacerlo el objeto.

Si ese fuera el caso, no veríamos que el universo se expande en absoluto, porque nos estaríamos expandiendo (espacialmente) con él.

Tengo algunas respuestas potenciales para esto, que plantean sus propios problemas:

  1. Las partículas fundamentales son objetos del "tamaño de un punto". No pueden expandirse porque, para empezar, no tienen una dimensión espacial. El problema con esto es que, si bien las partículas no se expandirían, el espacio entre ellas sí lo haría, lo que llevaría a un punto en el que las 3 fuerzas que no son de gravedad ya no mantendrían unida la materia debido a la distancia.

  2. Las partículas fundamentales se enrollan en dimensiones adicionales al estilo de la teoría de cuerdas. Estas dimensiones no se están expandiendo. Mismos problemas que 1, con el problema adicional de ser un poco insatisfactorio.

  3. La respuesta parece ser (de Marek en la pregunta anterior) que la fuerza gravitacional es mucho más débil que las otras fuerzas que los objetos grandes (macro) se separan, pero los objetos pequeños (micro) permanecen juntos. Sin embargo, esta simple explicación parece implicar que la expansión del espacio es una 'fuerza' que puede ser superada por una mayor. Eso no me suena bien.

Debido a que la expansión del espacio significa expansión del campo, el campo debido a la materia está mucho más expandido que la materia misma.
Landau Lifshitz mostró cómo se conserva la energía + la energía gravitatoria. Aumentar, digamos, el tamaño de un átomo en realidad aumentaría su energía, mientras que el universo en expansión parece tomar energía del tensor de energía de estrés. Por lo tanto, en todo caso, ¡uno podría esperar que un átomo se encoja en radio a medida que el universo crece! ja ja
No estoy seguro, sería bueno si alguien pudiera corregirme, pero cuando la gente dice que el universo se está expandiendo, ¿no están diciendo que los límites del espacio están aumentando?
@ Adamawesome4 tal vez haya aprendido desde que publicó el comentario anterior, pero entiendo, y la mayoría estará de acuerdo, que el universo no tiene límites y que la expansión del espacio está ocurriendo en todas partes. Otros podrían argumentar de manera diferente. Es sólo el universo observable el que está acotado. Limitado por la velocidad de la luz y nuestra capacidad de observar los primeros objetos luminosos.
Como se indicó, la pregunta afirma una falsedad y luego pregunta por qué es verdad. No es cierto que la expansión cosmológica no produzca tensión en la materia. Es cierto que la deformación es demasiado pequeña para medirla.
@marek "que la fuerza gravitacional es mucho más débil que las otras fuerzas que los objetos grandes (macro) se separan, pero los objetos pequeños (micro) permanecen juntos". esto debe ser una cita incorrecta porque está mal en el contexto dado aquí, pero no se proporciona un enlace a la pregunta a la que se hace referencia.
Una extensión de la analogía del globo es imaginar un insecto en el globo. No crecerá como resultado del inflado del globo, aunque sentirá que sus piernas se separan (pero luego podrá ajustarlas).
Incluso si la materia fuera expandida por el espacio, ¿cómo nos daríamos cuenta de que seríamos parte de ella?
Su suposición de que convencionalmente se considera que las partículas fundamentales son puntuales puede no ser correcta: la teoría de Einstein-Cartan, elaborada a través de conversaciones entre Einstein y el matemático Elie Cartan a fines de la década de 1920, asume una longitud espacial pequeña (pero mayor que la de Planck). grado para los fermiones, y fue elaborado más tarde por Sciama y Kibble, por lo que actualmente se conoce como teoría ECSK. Según se informa, más compleja matemáticamente que el GR de 1915, esta teoría relativista no alcanzó su auge inicial, pero Nikodem J. Poplawski la utilizó en varios artículos cosmológicos, 2009-2019.
@Barmar: gracias, esa es una analogía mucho más clara, ya que si pintara un punto en un globo con un Sharpie, el punto se expandiría al mismo ritmo que el globo. Lo cual es confuso.
PBS Spacetime acaba de publicar un video sobre esta pregunta exacta , que creo que responde mejor a la pregunta que cualquiera de las respuestas a continuación.

Respuestas (13)

Hablemos primero del globo porque proporciona un modelo bastante bueno para el universo en expansión.

Es cierto que si dibujas un círculo grande, se expandirá rápidamente a medida que soplas dentro del globo. En realidad, la velocidad aparente con la que dos de los puntos del círculo a una distancia D uno del otro se movería uno respecto al otro será v = H 0 D dónde H 0 es la velocidad a la que se expande el globo mismo. Esta simple relación se conoce como la ley de Hubble y H 0 es la famosa constante de Hubble . La moraleja de esta historia es que el efecto de expansión depende de la distancia entre los objetos y en realidad solo es aparente para el espacio-tiempo en las escalas más grandes.

Aún así, esto es solo una parte de la imagen completa porque incluso en distancias pequeñas los objetos deberían expandirse (solo más lento). Consideremos las galaxias por el momento. Según wikipedia, H 0 70 k metro s 1 METRO pags C 1 entonces para la Vía Láctea que tiene un diámetro de D 30 k PAGS C esto daría v 2 k metro s 1 . Puedes ver que el efecto no es terriblemente grande, pero con el tiempo suficiente, nuestra galaxia debería crecer. Pero no es así.

Para entender por qué, debemos recordar que la expansión del espacio no es lo único importante que sucede en nuestro universo. Hay otras fuerzas como el electromagnetismo. Pero lo más importante es que nos hemos olvidado de la vieja gravedad newtoniana que mantiene unidos grandes objetos masivos.

Verá, cuando se derivan las ecuaciones de expansión del espacio-tiempo, nada de lo anterior se tiene en cuenta porque todo es insignificante en la escala macroscópica. Uno asume que el universo es un fluido homogéneo donde las partículas de fluido microscópicas son del tamaño de las galaxias (se necesita un tiempo para acostumbrarse a pensar en las galaxias como microscópicas ). Así que no debería sorprender que este modelo no nos diga nada sobre la estabilidad de las galaxias; por no hablar de planetas, casas o mesas. Y a la inversa, al investigar la estabilidad de los objetos, no es necesario tener en cuenta la expansión del espacio-tiempo a menos que llegue a la escala de las galaxias e incluso allí el efecto no es tan grande.

"Dado el tiempo suficiente, nuestra galaxia debería crecer. Pero no lo hace" - ¿fuente? Y después de eso, su respuesta es (reformulada): "Con las suposiciones que hicimos para derivar la expansión, asumimos que las galaxias son puntos". Así que solo dijo "nuestra derivación no dice nada sobre galaxias de tamaño finito", lo cual es interesante, pero la pregunta que hizo @SoulmanZ no tiene respuesta: ¿Podemos explicar por qué las galaxias no se expanden? Me gustaría una respuesta yo mismo.
@ user3141592 Desde una perspectiva energética (pseudotensor de gravedad landau lifshitz más energía del tensor conservada), un universo en expansión parece eliminar la energía de los sistemas locales (como la onda em) desde esta perspectiva, se puede ver que la expansión de una galaxia aumenta su energía, por lo tanto uno podría esperar (contrariamente a la intuición) que una galaxia experimentaría una fuerza interna de contracción.
@doublefelix Las galaxias no se expanden porque se mantienen unidas por fuerzas gravitacionales locales que no se tienen en cuenta en el modelo cosmológico simple. Esto está, de hecho, contenido en la respuesta de Marek.
te están citando mal en la pregunta.
@doublefelix Para obtener más información sobre por qué las galaxias no se expanden, consulte mi respuesta a esta pregunta.
La apelación a la "vieja y buena gravedad newtoniana" podría malinterpretarse como una sugerencia de que, de alguna manera, la gravedad newtoniana se encuentra encima o además de los efectos del espacio-tiempo descritos por GR (me doy cuenta de que no tiene la intención de sugerir eso).
@Marek Cuando te refieres a la "gravedad newtoniana antigua", ¿te refieres a la gravedad que prevalece en ese universo finito, que ocupa parte de un vacío infinito, que Newton planteó antes de 1692-3, o al universo estático infinito que él planteado posteriormente, después de reconocer que esa versión anterior se habría derrumbado inmediatamente? Como explica Guth algebraicamente en las páginas 295-297 de la edición de 1997. de "The Inflationary Universe", la segunda versión también se habría derrumbado, por lo que, dada su etiqueta actual de "cosmología", su respuesta no se aplica del todo a esta pregunta.
Esto no responde la pregunta. Si dibuja una cuadrícula de coordenadas en el globo, la distancia entre dos puntos en el círculo no cambia, medida en esas coordenadas , porque todo se expande a lo largo del espacio. El hecho de que la distancia aumente medida desde fuera del sistema no parece relevante, ya que no somos capaces de medir distancias desde fuera de nuestro propio universo.

Si la pregunta se interpreta como por qué los átomos y otros sistemas atados no se expanden, la respuesta es que la expansión general del espacio no puede realizar un trabajo continuo contra la fuerza electromagnética que mantiene unido un átomo o cualquier otra fuerza que mantiene unido un sistema atado.

Sin embargo, la expansión acelerada del universo puede ejercer una pequeña fuerza negativa "constante" entre los electrones y el núcleo y hacer que el átomo sea un poco más grande de lo que habría sido en un universo en expansión sin aceleración. Pero en la mejor teoría actual de la energía oscura, que es una energía de vacío constante, este efecto será constante y los átomos ya se han expandido tanto como nunca.

Hay especulaciones teóricas de una aceleración de la expansión acelerada del universo donde este efecto aumenta con el tiempo de tal manera que eventualmente, de manera exponencial, el universo termina en una gran rasgadura donde los átomos y eventualmente los núcleos se romperían.

En otro sitio web, respondí una pregunta sobre si podíamos extraer energía del universo en expansión y esta es la respuesta que escribí, que creo que será útil para comprender este problema:

El universo se expande a 74 km/seg/Mpc (Mpc es un mega parsec que equivale a 3,26 millones de años luz). Así que tomemos dos objetos pesados ​​y colóquelos lejos de cualquier cúmulo de galaxias u otra influencia y espaciémoslos a solo un parsec (3,26 años luz). Entonces se separarán efectivamente a 7,4 cm/seg. Ahora imagine que su cuerda de filamento monomolecular entre los objetos ejerce una fuerza sobre los objetos que los desacelerará. Luego, durante el tiempo que están desacelerando, puede extraer trabajo de los objetos. Ese trabajo por segundo proviene de la fuerza que ejerce la cuerda aplicada sobre los 7,4 cm/seg que los objetos se están separando. Sin embargo, una vez que la fuerza hace que su velocidad relativa caiga a 0, no podrá obtener más energía de los objetos ya que ya no se separan.

Ahora, todo esto es solo de la expansión del espacio "Big Bang". Una vez que la fuerza de la cuerda ha llevado su velocidad relativa a cero, los dos objetos son como un sistema de enlace gravitacional y dejarán de "expandirse". Sin embargo, además de la expansión "estándar" del espacio, ahora sabemos que hay energía oscura que está provocando una expansión acelerada del universo. Esto significa que los dos objetos no solo se están "moviendo" a una velocidad constante de 7,4 cm/s, sino que esta velocidad en realidad aumenta con el tiempo. Entonces, si configura su cuerda de tal manera que la fuerza que ejerce sobre los objetos resulte en una desaceleración que es ligeramente menor que esta aceleración cósmica, puede extraer trabajo de forma continua e indefinida. Desafortunadamente, No he podido convertir las medidas de energía oscura en unidades de aceleración en este caso particular de objetos a un parsec. Sospecho que es un número pequeño, pero las estimaciones actuales son definitivamente positivas. Tenga en cuenta que si su cuerda ejerce más fuerza que causa una desaceleración mayor que la aceleración cósmica, los objetos finalmente dejarán de separarse y el trabajo que puede extraer se reducirá a cero nuevamente.

Tenga en cuenta que solo de la expansión normal del universo solo puede extraer una cantidad total finita de energía, pero que con la expansión acelerada puede extraer una cantidad pequeña pero positiva de energía por segundo para siempre. Sin embargo, su cuerda necesita alargarse más y más con el tiempo (a una velocidad de 7,4 cm/seg, en este ejemplo), así que, como dicen TANSTAFL (no existe tal cosa como un almuerzo gratis). La cuerda debe alargarse porque debe aplicar su muy pequeña fuerza a objetos en movimiento continuo para realizar el trabajo. Dado que se necesitará energía continua para hacer una cuerda que se alargue continuamente, y no puede ganar esta batalla comenzando con objetos que están más separados, ya que entonces la cuerda se alarga a un ritmo incluso más rápido que los 7,4 cm/seg de este ejemplo.

La conclusión es que creo que este proyecto de energía libre no es práctico, aunque es teóricamente posible. El problema que debe resolverse es el costo de energía de la cuerda que se alarga continuamente.

Si la pregunta se interpreta como por qué los átomos y otros sistemas atados no se expanden, la respuesta es que la expansión general del espacio no puede realizar un trabajo continuo contra la fuerza electromagnética que mantiene unido un átomo o cualquier otra fuerza que mantiene unido un sistema atado. Esto está mal. Por ejemplo, el sistema solar se expande debido a la expansión cosmológica, pero el efecto es indetectablemente pequeño. Consulte Cooperstock, Faraoni y Vollick, "La influencia de la expansión cosmológica en los sistemas locales", arxiv.org/abs/astro-ph/9803097v1
Sin embargo, la expansión acelerada del universo puede ejercer una pequeña fuerza negativa "constante" entre los electrones y el núcleo y hacer que el átomo sea ligeramente más grande de lo que habría sido en un universo en expansión sin aceleración. Esto también está mal. La tensión en un sistema unido es proporcional a ( d / d t ) ( a ¨ / a ) , dónde a ( t ) es el factor de escala cosmológico. Esta cantidad no es constante en modelos realistas y puede ser distinta de cero incluso si la constante cosmológica es cero. Además, se desvanece de manera idéntica en una cosmología que consiste solo en energía oscura (=constante cosmológica).
@BenCrowell Creo que su respuesta pierde el punto principal. La declaración "el sistema solar se expande... pero el efecto es pequeño" parece sugerir que podemos aplicar la expansión cosmológica sin ajuste a cosas como los sistemas solares. Esto, creo, está mal (ver mi respuesta a esta pregunta). Esto no quiere decir que no haya ninguna influencia en el sistema solar, pero la influencia compite con la gravedad del Sol y esta última domina.
@Ben Crowell Ese artículo (Cooperstock, Faraoni y Vollick, astro-ph/9803097v1) está mal. Un vacío con geometría FLRW viola la ecuación de campo de Einstein. Al asumir la geometría FLRW a escalas del sistema solar, asumen implícitamente una distribución uniforme de materia FLRW a esa escala. El efecto que calculan es la influencia gravitacional local de esa materia. Incluso puedes usar la gravedad newtoniana y obtener la misma respuesta. Pero el asunto en realidad no está ahí, por lo que el efecto en realidad no existe.
@Ben Crowell Su segundo comentario también es incorrecto. A gran escala hay una tensión que creo que es proporcional a a ¨ / a (no ( d / d t ) ( a ¨ / a ) ). Nuevamente, esta es solo la influencia gravitacional ordinaria de la materia (+ energía oscura) realmente presente; no es un efecto "extra". A escalas pequeñas hay una tensión proporcional a Λ (la energía oscura está presente en todas las escalas), más algo de presión de la propia gravedad, más efectos de marea de la materia cercana, y eso es todo. GR es una teoría de la gravedad, no de fondos de espacio-tiempo fijos.

Esto fue escrito para una pregunta que se cerró durante mi redacción de esto. La pregunta es cómo afecta el CC a la física atómica, por Ashton.

La energía oscura tiene el equivalente de masa-energía de un protón cada 1-10 metros cúbicos. Esa es una energía bastante difusa. Un átomo está en la escala de 10 8 cm de longitud o tiene un volumen de aproximadamente 10 30 metro 3 . Entonces, aproximadamente esa proporción del valor de energía oscura de masa de un protón actúa sobre un átomo, o perturba sus niveles atómicos. eso es sobre 10 21 Gev o 10 12 ev. Eso es muy pequeño.

Ahora bien, su pregunta no carece por completo de mérito. Algunas mediciones atómicas muy sensibles obtienen divisiones de niveles atómicos dentro de 10 6 ev. No lo diré con certeza, pero esta gente de óptica cuántica atómica puede ser bastante inteligente en el banco. No es del todo inimaginable que con estados comprimidos, estados comprimidos entrelazados de fotones y electrones, etc., esto pueda medirse. Si hay una respuesta EM debido a una división de nivel, la onda estaría alrededor del rango subhertziano.

La interacción hamiltoniana para la constante cosmológica sería un potencial de oscilador armónico invertido H C C   =   Λ r 2 / 3 . Algunos análisis para evitar los cruces de niveles y estados de energía y el resto podría no ser algo irrazonable en el que trabajar.

Aunque la respuesta de Marek es buena, no responde a la pregunta, incluso si él mismo plantea la misma pregunta, argumentando: “Puedes ver que el efecto no es terriblemente grande, pero con el tiempo suficiente, nuestra galaxia debería crecer. Pero no es así”. Siento que no responde a eso. Por otro lado, siento que esta respuesta da algo: es que todavía estamos esperando que concluyan los experimentos. Tal vez, B. Crowell, si hay tal resultado, podría publicar una actualización. Gracias.
@ConstantineBlack comentario justo; mira mi respuesta
De hecho, la densidad de energía oscura es aproximadamente un protón por metro 3 , lo que significa que la masa dentro de un átomo es alrededor 10 30  GeV , no 10 21  GeV .

La respuesta a su pregunta, en el caso del tamaño de cosas como los sistemas solares y las galaxias, está contenida en una simple observación en la Relatividad General llamada teorema de Birkoff.que explicaré a continuación. El principal resultado es que, en primera aproximación, cosas como los sistemas solares y las galaxias no participan en la expansión cosmológica. Las galaxias se separan más unas de otras mientras cada una permanece aproximadamente de un tamaño fijo. Y además, la razón de esto, y la forma en que sucede, es que el espacio-tiempo local alrededor de objetos aislados como las estrellas es estático, es decir, no se expande, y por lo tanto no hay razón para que los objetos físicos ubicados en ese espacio-tiempo, como el planeta. La Tierra, las mesas, las sillas, los átomos, etc., deberían tener alguna inclinación a expandirse. En la analogía del globo de goma, la situación es que la goma del globo no se estira en absoluto en la vecindad de una estrella dada, pero entre estos parches la goma se estira.

No es demasiado difícil esbozar las matemáticas subyacentes de lo anterior, que el resto de esta respuesta presenta brevemente.

Consideramos un caso simple para obtener la idea principal. El caso simple es el vacío alrededor de una distribución de materia esféricamente simétrica. Esto da la solución de Schwarzschild. Esta métrica de Schwarzschild es la fórmula del comportamiento del espacio-tiempo; a su vez nos dice las posibles órbitas de los planetas y cosas por el estilo. El punto importante es que esta solución es única, lo que significa que la simetría esférica es suficiente para fijar la solución para la métrica del espacio-tiempo lo suficiente como para que el único parámetro restante sea la masa del cuerpo central. Esta importante observación se llama teorema de Birkoff.. Tiene algunas consecuencias simples. Una consecuencia es que si el cuerpo en el centro oscila en la dirección puramente radial mientras mantiene su forma esférica, no ocurre ningún cambio en el espacio-tiempo fuera del cuerpo (no hay ondas gravitacionales). Otra consecuencia es que si la región de vacío esféricamente simétrica es en sí misma un agujero en un fluido esféricamente simétrico más grande, entonces nuevamente el espacio-tiempo en la región no cambia. Y esto sigue siendo cierto incluso si ese fluido circundante se expande hacia el exterior. Esta es la observación crucial para nosotros.

Ahora considere el sistema solar. El espacio-tiempo local y su curvatura están dominados por el efecto del Sol. El universo en la escala más grande es como un fluido continuo, igualmente denso en todas las direcciones. A medida que ese fluido se expande, el espacio-tiempo alrededor del Sol no se ve afectado, por lo que los planetas siguen las mismas órbitas en los mismos radios y, además, cada planeta está situado en un espacio-tiempo estático, uno que no se expande localmente.

Por supuesto, la simetría esférica no será perfecta, pero este argumento brinda la historia principal de los sistemas ligados gravitacionalmente a escalas hasta aquellas en las que ya no se puede aproximar la contribución dominante a la gravedad local como proveniente de un cuerpo central con vacío a su alrededor. También ignora la constante cosmológica.

La expansión del espacio no es un hecho inexorable al que nada pueda resistir u oponerse, es más como el resultado neto de la gravitación y las condiciones iniciales en las escalas más grandes. En cualquier región local dada, casi cualquier fuerza puede evitar la expansión localmente.

No creo que tengas razón. Por ejemplo, la solución de Schwarzschild para GR es solo una solución para la ecuación GR con constante cosmológica = 0. Por otro lado, la solución para GR para un universo vacío con una constante cosmológica distinta de cero tiene una métrica con un factor de escala a (t) multiplicar la parte espacial que es una función exponencial del tiempo. La solución correcta de Schwarzschild con una constante cosmológica distinta de cero tendría que exhibir este comportamiento a grandes distancias del agujero negro y, por lo tanto, también será diferente a todas las distancias del BH.
Gracias; Reconozco que mi respuesta omitió la constante cosmológica. Todavía lo encuentro útil como ejemplo del hecho de que la gravitación local puede 'ganar' en una competencia con los efectos cosmológicos, que son el resultado neto de las condiciones iniciales y la distribución en la escala más grande.
Esta respuesta es buena. Sería más preciso usar la solución de De Sitter-Schwarzschild , pero la diferencia es demasiado pequeña para detectarla localmente. El punto clave es que la geometría FLRW es solo el campo gravitacional de una determinada distribución de materia. Localmente, la materia no se distribuye de esa manera y el campo es diferente. El campo no "quiere" ser FLRW. Si elimina toda la materia localmente, obtiene el espacio de De Sitter, y si también pudiera eliminar la energía oscura, obtendría el espacio Minkowski, independientemente de la era.
Puedo ser ingenuo y agradecería las correcciones verbales, pero me parece que esta respuesta tiene el mejor potencial para la correspondencia con los universos locales de la cosmología que rebota, particularmente si tuvieran una disposición más o menos concéntrica en escalas secuencialmente decrecientes. Debido a que el primer análisis de los datos de CMB para tener en cuenta sistemáticamente las lentes gravitatorias de las galaxias (descrito en arxiv.org/abs/1911.02087 ) parece haber sugerido recientemente que tales LU se cerrarían, Andrew Steane tiene mi voto aquí.

Rápida analogía divertida:

Si pensamos en la expansión del espacio como una lámina que se estira, las partículas de materia se alejan unas de otras. Hurra, como se ha explicado varias veces antes.

Extendiendo esto a 3D, básicamente estamos estirando objetos a un ritmo muy lento. 1,62038964 × 10^-17 m/s/metro, para ser precisos. Por lo tanto, una persona típica se estira a unos 3x10^-17 metros por segundo. No pude encontrar buenas estimaciones sobre la constante de resorte ideal del cuerpo humano, pero probablemente se estiraría dentro de 10 órdenes de magnitud de 10^-15 metros.

(Debido a que la fuerza electromagnética es tan fuerte, su resistencia a la tracción es muy alta).

Por lo tanto, con la expansión del Hubble eres aproximadamente un 0,0000000000001 % más alto. ¡Felicitaciones!

Entonces, ¿la densidad de la materia está disminuyendo?
¿Existe una unidad de medida que determine la densidad de un objeto independientemente del espacio? así que el metro aún diría que eres n metros. pero como dices, la persona es 0.0000000000001% más alta. ¿Alguna unidad que muestre eso?

Volvamos al globo que se expande, que es una muy buena analogía aunque carezca de dimensión. Supón que hay una hormiga en la superficie del globo. Con el paso del tiempo se dará cuenta de que sus seis patas se están separando cada vez más. A medida que comience a sentirse incómodo, los barajará para adaptarse. Si hay dos hormigas hablando juntas, se separarán, por lo que retrocederán una hacia la otra. De manera similar, los electrones en los átomos, y los átomos en los sólidos, se expandirán aparte pero volverán a juntarse.

Mi comprensión de la teoría actual es que las galaxias se están alejando unas de otras a un ritmo acelerado debido a la repulsión de la energía oscura, creando un universo en expansión.

Sin embargo, dentro de las galaxias, la materia oscura mantiene unidas a las galaxias, tanto que el borde exterior de la galaxia gira al mismo ritmo que el borde interior, lo que significa que debe haber una gran cantidad de materia que mantiene unidas a las galaxias.

No existe el concepto de "espacio en expansión" en la relatividad general.

Muchas respuestas en este sitio dicen que existe una diferencia fundamental entre la expansión cosmológica, que se debe a la expansión del espacio entre los objetos, y la expansión ordinaria, que se debe al movimiento relativo de los objetos.

Lo que nunca encontrará en ninguna de estas respuestas es ningún criterio matemático que pueda usar para diferenciar entre los dos casos, como un campo de tensor que es distinto de cero cuando el espacio se expande y cero cuando los objetos simplemente se alejan entre sí. Eso es porque no se puede definir tal cosa en GR. En la medida en que parece haber una diferencia, es un artefacto de la elección de las coordenadas.

(La gente a menudo duda de que la expansión "superlumínica" pueda explicarse mediante el movimiento relativo ordinario, que puede ser parte de la razón de la creencia en la expansión del espacio. Pero puede ser y lo es. Acabo de escribir sobre esto en otra respuesta ).

El resultado es que el efecto de la expansión a gran escala del universo en la física local no es ni más ni menos que el efecto gravitacional de los objetos distantes que se alejan de ti. Esto solo puede consistir en una aceleración general en alguna dirección particular y una fuerza de marea, las cuales promediarán casi cero cuando la materia esté lejos y distribuida casi uniformemente. Es probable que no pueda incluir un componente que actúe para expandir un objeto en todas las direcciones o comprimirlo en todas las direcciones; que sólo puede provenir de la materia local. (Esto también es cierto en la gravedad newtoniana, donde es una consecuencia de la ley de Gauss).

El globo en expansión es un excelente modelo de lo que mucha gente piensa que dice GR sobre la cosmología. Es un mal modelo de lo que GR realmente dice sobre cosmología.

La energía oscura tiene un efecto de estiramiento local, pero no hace que los objetos se expandan continuamente.

De acuerdo con el modelo cosmológico favorecido actualmente, la energía oscura ejerce una fuerza exterior simétrica sobre los objetos en todas las escalas. Esto no se debe a algún efecto de arriba hacia abajo de la expansión cosmológica, sino simplemente porque está presente en todas las escalas. A diferencia de la materia ordinaria, no se agrupa: se distribuye uniformemente por todas partes, incluso dentro de los átomos y los protones.

Así que hay una fuerza de expansión de energía oscura actuando sobre ti. Pero los objetos sólidos no crecen ni se encogen continuamente bajo la aplicación de una fuerza de expansión/compresión, a menos que sea lo suficientemente fuerte como para romperlos o comprimirlos en un agujero negro. Por ejemplo, el aire te está presionando en todas direcciones en este momento. Esto lo hace un poco más pequeño de lo que sería en el vacío, pero no hace que se encoja hasta cierto punto con el tiempo. Del mismo modo, si las personas están tratando de jalar sus brazos en direcciones opuestas, lo hace un poco más ancho, pero no lo hace expandirse continuamente. Te expandes hasta que la fuerza restauradora de tu elasticidad interna equilibra la fuerza ejercida sobre tus brazos, y luego dejas de expandirte.

La autogravitación (la atracción gravitacional de cada parte de tu cuerpo hacia las demás partes) es otra fuerza de compresión que actúa sobre ti. Aunque es muy pequeño, se trata de 10 27 veces más grande que la fuerza de expansión de la energía oscura, si calculé bien. Entonces, incluso considerando solo los efectos gravitacionales, no hay una fuerza de expansión neta . Está presente, sin embargo, en teoría.

Pues bien, según la respuesta dada a esta pregunta: ¿ En qué punto del universo R m v = 0 si hay una fuente de gravitación (masa puntual) , la expansión del universo se refiere en realidad a la expansión de la materia:

"Así que las ecuaciones de Einstein en el vacío significan exactamente eso: que GRAMO m v = 8 π T m v = 0 en una región sin masa-energía. Eso está lejos de decir que no hay gravedad, así como sería una tontería decir que no hay campo eléctrico en el exterior de una bola cargada".

Entonces, si esto es cierto que la ecuación de Einstein:

R m v 1 2 gramo m v R + gramo m v Λ = 8 π GRAMO C 4 T m v

(si no es nulo) se restringe solo a la materia (porque si el T m v = 0 entonces el lado izquierdo de la ecuación también desaparece), y dado que contiene la constante cosmológica Λ , la conclusión lógica es que la materia debe estar expandiéndose.

Resumiendo: el vacío La ecuación de Einstein requiere que (1) el universo bajo consideración debe estar siempre vacío de materia, o (2) la materia se está expandiendo (o (3) la ecuación de Einstein es incorrecta). Dado que (1) no se considera cierto, y (3) no es afirmado por la física convencional, entonces solo nos queda (2), es decir, la materia se está expandiendo.

PD: también puede formularlo de manera diferente: gravedad ( T m v 0 ) es la fuente de la expansión del universo dentro de la materia.

EDITAR: Debería ser obvio que Λ no es sólo una fuerza que puede ser vencida (y por lo tanto no aparente). Está en el lado de la ecuación que muestra la curvatura real.

EDIT2: Como escribí en otra parte, la (posible) expansión mantendría intactos los valores relativos (de varias " constantes, la constante de Planck, la masa del electrón, la velocidad de la luz, la carga elemental y la permitividad del espacio libre" ). Es como con la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud en SR: para el marco en movimiento, nada cambia y el observador local no lo notaría. La diferencia es que el observador externo tampoco lo notaría, porque el cambio se estaría produciendo en todas partes, al mismo tiempo y con la misma aceleración.

Soy un no físico que usa el razonamiento cognitivo no matemático, por lo que me gustan las respuestas que no son físicas porque tienen más sentido.

Tienes dos botes, uno a 20 pies de la costa y otro a 100 pies de la costa. El bote más cercano a la orilla está siendo empujado hacia la orilla por grandes olas. El bote a 100 pies de distancia se está alejando de la orilla debido a la corriente del océano.

Piensa en el océano como espacio y en los barcos como galaxias. Debido a que los dos flotan libremente, con el tiempo, su distancia crecerá más.

Ahora, ata los dos botes con una cuerda. Piense en la cuerda como Gravedad.

Ahora, a menos que la corriente y las olas sean lo suficientemente fuertes como para romper la cuerda, nunca se separarán.

Dado que el espacio no solo se está expandiendo, sino que se está expandiendo a un ritmo cada vez más acelerado; eventualmente, en trillones de años, se acelerará más rápido de lo que las fuerzas débil, fuerte, electromagnética y gravitatoria pueden contrarrestar, y en realidad volarán en pedazos.

Esto es un poco insultante para los físicos, ¿no?

La respuesta a esta pregunta es solo por comprensión y no por prueba. Si el Universo se expande entonces digo Sí, a eso también se expande la Materia. La explicación para esto es que toda la Materia se está expandiendo, incluso la escala para medir la Materia también se está expandiendo. Considere un pequeño ejemplo:Un bloque de madera rectangular se está expandiendo. Mida las dimensiones iniciales del bloque, digamos que son x, y, z después de la expansión solo del bloque de madera, mida nuevamente, luego es x + a, y + b, z + c. Pero, ¿qué sucede si la escala también se expande a la misma velocidad que el bloque de madera? Luego, mídala en cualquier momento y obtendrá sus dimensiones solo como x, y, z y no como x + a, y + b, z + c. Volviendo a la realidad, lo mismo está pasando en el Universo. es decir, el universo se expande junto con él, todo lo demás también se expande. Lo único es que no podemos notar las cosas pequeñas. Podemos notar cosas más grandes como galaxias, planetas, estrellas, etc.

En "Annie Hall" de Woody Allen surge esta pregunta; ¿la respuesta? "¡Brooklyn no se está expandiendo!" La razón es que es el espacio-tiempo el que se está expandiendo; los objetos que tienen algún tipo de energía de enlace se mantienen unidos por fuerzas. Los fotones se expanden, al igual que las ondas sonoras cósmicas. Pero Brooklyn se mantiene unida por el amor maternal. Vea la escena en youtube.com/watch?v=5U1-OmAICpU
Hola. @PeterDiehr y Sushant23. Pero, ¿por qué Brooklyn no lo hace? Si a pequeña escala estamos de acuerdo con la respuesta publicada, que no podemos ver la expansión ya que todo se está expandiendo, entonces ¿por qué verlo a gran escala? ¿Es porque se expande más rápido en las escalas grandes pero en las pequeñas la velocidad es la misma para todos los objetos? Gracias.
@ConstantineBlack: la expansión es equivalente a una fuerza muy débil: las fuerzas de unión locales siempre la abruman: átomos, moléculas, personas (por ejemplo, ¡no es una excusa válida para la cintura!), Planetas, sistemas solares y galaxias. Pero se puede ver a grandes distancias; por lo tanto, el desplazamiento hacia el rojo debido a la expansión cósmica es un buen indicador de la distancia, aunque se utilizan otros indicadores para establecer la escala de distancia. Ver la Ley de Hubble
@PeterDiehr Gracias por la rápida respuesta. Me parece conceptualmente erróneo admitir que la expansión es una fuerza tal que puedes usar una ecuación como la de Newton o cualquier argumento que al menos diga que: la fuerza total sobre el objeto es expansión + otras_fuerzas para que el resultado en escalas pequeñas no sea expansión. . Es más razonable decir que los experimentos dicen esto o aquello o que en pequeñas escalas, la tasa de expansión es la misma para todos los objetos (¿incluso dentro de la galaxia?) para que no lo observemos. ¿Estoy perdiendo algo aquí? Gracias.
@ConstantineBlack: haga de esta una nueva pregunta y le proporcionaremos una respuesta que, con suerte, sea correcta en todos los niveles.
No, todo (materia ordinaria, varas de medir, etc.) no se expande. La expansión cosmológica significa que si, en un año, pudieras caber X metros (hechos de acero o madera o lo que sea) entre dos cúmulos de galaxias dados, después de que haya pasado un año, ahora puedes colocar y metros entre ellos, donde y > X .
Creo que la confusión aquí es si se está "expandiendo" o "rechazando". Si es repelente, entonces donde otras fuerzas más fuertes que la fuerza repelente mantendrán la materia unida. Si se está expandiendo, la escala se está expandiendo con él. Las cosas se están haciendo más grandes. Pero entonces no me explica por qué las cosas van más lejos. Si todo se expande a la vez, la distancia debería permanecer igual, es como escalar el diagrama a 10x. A menos que las cosas se expandan a ritmos diferentes. Además, si las fuerzas no aumentan con la expansión, la gravedad debería debilitarse con el tiempo, incluso si la densidad es la misma cantidad de masa.

Para aceptar que el espacio se expande hay que admitir que la regla, hecha de átomos, es invariable, es decir, siempre tiene la misma longitud, y nadie ha aportado un argumento convincente al respecto. La expansión del espacio se basa en la creencia de que esto es un hecho. Si los átomos se expanden a la misma velocidad, no pudimos medir ninguna expansión. Si, por el contrario, los átomos se van encogiendo a través del tiempo podemos medir una expansión espacial sin que de facto le suceda nada al espacio. No sé por qué el espacio se está expandiendo excepto que lo medimos. La materia puede estar contrayéndose porque los campos gravitoeléctricos tienen energía que se expande y provienen de las partículas desde que nace la materia y, obviamente, no podemos medir este hecho en el laboratorio. Modelo no discutido, fuera de la academia, sin revisión por pares,es 'Un modelo auto-similar del Universo revela la naturaleza de la energía oscura' que no necesita Energía Oscura, Inflación, etc.

Concluyendo: a la pregunta '¿Por qué la expansión del espacio no expande la materia?': si la materia se expandiera al mismo ritmo nadie sería capaz de medir ninguna variación. El acto de medir es obtener una relación entre dos cantidades y tanto el numerador como el denominador (el estándar) pueden cambiar para obtener un valor medido específico. Pero el estándar se basa en las propiedades del 'átomo' (en el primer enlace y en este reciente La base física de las unidades naturales y las constantes verdaderamente fundamentales ) que suponemos invariables.

Ambos enlaces brindan información interna sobre las unidades, pero el primer enlace es mucho más interesante porque brinda una idea de la lógica del acto de medición.


EDITAR agregar:
por lo general, se acepta que no hay efectos en la escala del sistema solar de la expansión espacial, pero recientemente se informó, es decir, se midió, que la distancia entre el SOL y la Tierra está aumentando mucho más de lo esperado:
Medición experimental de patrones de crecimiento en fósiles corales: variación secular en las distancias antiguas entre la Tierra y el Sol por Weijia Zhang, 2010 (detrás del muro de pago)

Los resultados experimentales indican una expansión especial con un coeficiente de expansión promedio de 0.57 H 0

Aumento secular de la unidad astronómica a partir del análisis de los principales movimientos de los planetas y su interpretación por GA Krasinsky, 2004 (detrás del muro de pago)

medido $\fraq{dAU,dt}=15 \pm 4 m/cy .. en la actualidad no hay una explicación satisfactoria del aumento secular detectado de AU

-- no revisado por pares por Weijia pdf de 'Una prueba de la sugerencia de una órbita terrestre eternamente constante tanto en el Fanerozoico como en el Criptozoico a partir de observaciones astronómicas y ritmos geológicos' (en http://www.paper.edu.cn )

El autor revisó todos los avances en la investigación del sistema lunar y la paleontología desde 1963, encontró tres contradicciones entre diferentes métodos: ... Esto significa que la Tierra antigua está más cerca del Sol. .. El período de revolución de la Tierra es cada vez mayor, registrado por la NASA. El semieje mayor de la Tierra está aumentando, registrado por JPL.

en la página 13 encontramos una tabla con los valores medidos de duración de un año sideral (creciente) después de 1900.

La distancia creciente se deduce en el modelo presentado, como se ve en la ec. 35), pág. 10 del artículo preliminar de 2002 (arxiv) de Alfredo Oliveira
Una variación temporal relativista de la materia/espacio se ajusta tanto a datos locales como cósmicos

Entonces, a la pregunta '¿Por qué la expansión del espacio no expande la materia?'
la respuesta es porque 'la expansión del espacio es el resultado de la evanescencia de la materia', es decir, la materia se está encogiendo.

Como ejercicio: imagina que estás sentado en medio de una habitación y empiezas a ver que las paredes se alejan de ti. Cuando despiertas de ese sueño, o alucinación si estás drogado, ¿cómo lo describirías? :
Estaba sh-shr-shri-encogiéndose, como lo hizo naturalmente Alicia en el País de las Maravillas, o que la casa se está haciendo más grande, ¿MÁS GRANDE?

Votaré a favor ya que esta publicación intenta responder la pregunta, en contraste con otras respuestas aquí. Además, votaré a favor porque nadie está explicando los votos a la baja.
@ConstantineBlack Lo voté negativamente porque está mal. Me imagino que esa es la razón de los otros votos negativos también. Actualmente está en +10/−9.

Respuesta corta: en el momento actual, no hay suficiente energía oscura en el universo para afectar la distancia entre las partículas. Aunque puede que no siempre sea así...

En 2003, Robert Caldwell del Dartmouth College y su equipo presentaron un interesante artículo sobre la teoría del Big Rip.

Un universo dominado por energía fantasma es un universo en aceleración, expandiéndose a un ritmo cada vez mayor. Sin embargo, esto implica que el tamaño del universo observable se está reduciendo continuamente; la distancia al borde del universo observable que se aleja a la velocidad de la luz desde cualquier punto se acerca cada vez más. Cuando el tamaño del universo observable se vuelve más pequeño que cualquier estructura en particular, no puede ocurrir ninguna interacción de ninguna de las fuerzas fundamentales entre las partes más remotas de la estructura. Cuando estas interacciones se vuelven imposibles, la estructura se "desgarra". El modelo implica que después de un tiempo finito habrá una singularidad final, llamada "Big Rip", en la que todas las distancias divergen hasta valores infinitos.

t r i pags t 0 2 3 | 1 + w | H 0 1 Ω metro

En su artículo, los autores consideran un ejemplo hipotético con w = −1.5, H 0 (Constante de Hubble) = 70 km/s/Mpc, y Ω metro (densidad de la materia en el universo) = 0,3

Usando estas cifras en sus cálculos, estiman que dentro de 21.940 millones de años, la fuerza de la gravedad dejará de mantener unidas a las galaxias.

59,1 años después, los sistemas solares dejarían de mantenerse unidos por la gravedad.

Luego, quizás días u horas antes del gran desgarro, los planetas y la materia se descompondrían y, finalmente, en el gran desgarro, las partículas subatómicas se desgarrarían.

Existe un debate sobre cuál es el valor de w. La evidencia indica que w está muy cerca de −1 en nuestro universo, lo que hace que w sea el término dominante en la ecuación. Cuanto más cerca esté w de −1, más cerca estará el denominador de cero y más lejos estará el Big Rip en el futuro. Si w fuera exactamente igual a −1, el Big Rip no podría ocurrir, independientemente de los valores de H 0 o Ω metro .

Según los últimos datos cosmológicos disponibles, las incertidumbres aún son demasiado grandes para discriminar entre los tres casos w < −1, w = −1 y w > −1. ("Resultados de la misión de 9 años de WMAP". wmap.gsfc.nasa.gov.) & (Allen, SW; Rapetti, DA; Schmidt, RW; Ebeling, H.; Morris, RG; Fabian, AC (2008). "Mejorado restricciones sobre la energía oscura de las observaciones de rayos X de Chandra de los cúmulos de galaxias relajados más grandes". Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society).

Si el documento se mantiene como cierto, entonces el universo solo durará otros 22 mil millones de años más o menos... Tendremos que esperar para ver.