¿Por qué la expansión del espacio afecta a la materia?

Si el espacio mismo se está expandiendo, ¿por qué tendría algún efecto sobre la materia (separando galaxias distantes)?

  • El espacio es "nada", y si "nada" se vuelve "nada" más grande, sigue siendo una "nada" que no debería interactuar con la materia de ninguna manera (no tiene masa, energía, etc.).

  • La gravedad no tiene una distancia de corte afaik, por lo que incluso las galaxias más distantes deberían atraerse entre sí. La fuerza de gravedad sería muy, muy pequeña, pero aun así dominaría "nada" de la expansión espacial.

  • Consideremos la inercia del Big Bang. La inercia sería la fuerza principal que aleja a las galaxias en comparación con su diminuta gravedad y la fuerza aún más diminuta, si es que la hay, de nuestra "nada" que todavía se está expandiendo en el medio. ¿No se desaceleraría la expansión si fuera impulsada principalmente por la inercia?

Inertia would be the primary force. Puedo decirte que sabes de lo que estás hablando, y no te refieres a la fuerza newtoniana en esa oración, pero te sugiero que cambies la fuerza a algo como factor porque los nuevos estudiantes realmente tienden a pensar que la inercia es en realidad una fuerza.

Respuestas (3)

  • El espacio en realidad tiene energía , energía de vacío. Ha sido demostrado por varios experimentos y puede ser explicado por la Mecánica Cuántica. Así que más espacio significa más energía. Aunque probablemente no se pueda usar para hacer trabajo, actúa para aumentar la expansión. Consulte la página de wikipedia para obtener más información.

  • Aunque las galaxias son masivas, están muy lejos y, por lo tanto, la aceleración resultante entre sí es débil. Si el espacio entre las galaxias se expande a un ritmo más rápido que su atracción mutua; las galaxias se separarán.

    Imagina a un jugador de fútbol corriendo de una zona de anotación a la otra lo más rápido que pueda. Sin embargo, la distancia entre las zonas de anotación se duplica cada 4 segundos. Las zonas de anotación no se mueven; el espacio entre ellos está creciendo. No hay forma de que el jugador pueda esperar alcanzar su objetivo. En poco tiempo no sería capaz de ver el otro extremo.

    Lo que da miedo es que esto no solo va para el campo sino para todo. El propio jugador sería desgarrado a medida que las partes de su propio cuerpo se alejaran más y más. Si el espacio se expandiera lo suficientemente rápido, las fuerzas de atracción que mantienen juntos a los agujeros negros o incluso a los átomos no serían suficientes. Esto es lo que comúnmente se conoce como Big Rip.

    Afortunadamente, la expansión es lo suficientemente lenta como para que solo las galaxias "distantes" se estén alejando unas de otras. Las fuerzas gravitatorias en un sistema solar o una galaxia son más que suficientes para resistir la expansión. Cuanto mayor sea la escala del sistema, más expansión tendrá que jugar.

  • Cuando hablamos de expansión no estamos hablando de objetos que se alejan debido a sus grandes velocidades contra un fondo estático.

    Lo que estás describiendo es como canicas en una cuadrícula. Las canicas se alejan más debido a sus velocidades relativas a la cuadrícula que apunta en direcciones opuestas.

    En cambio, la expansión es como la red que crece en escala. Esto afecta las distancias entre las canicas independientemente de sus velocidades; por eso observamos que todos los objetos lejanos se alejan de nosotros. Si no fuera por la expansión, esperaríamos una distribución más aleatoria. Es solo a escalas más pequeñas donde la expansión es un factor menor que podemos ver objetos moviéndose hacia nosotros, como la galaxia de Andrómeda.

    No nos estamos alejando en ningún sentido del centro del universo. La idea del Big Bang y la inflación es que no solo todo, materia y energía; pero todo estaba contenido en el Big Bang.

En su último punto, creo que debería especificar que por "velocidad" (de las canicas) se refiere al movimiento relativo a la cuadrícula. (También se podría definir la velocidad como el cambio en la posición relativa y, en ese sentido, las canicas tendrían una velocidad separada entre sí, incluso si no se están moviendo en relación con la cuadrícula)
@Zaslavsky ¿Cómo sugeriría que reformule la declaración para que sea más evidente? Me gustaría mantenerlo lo más ordenado posible, pero veo cómo puede ser engañoso. Traté de mejorarlo. Creo que podría expresarse mejor.
Bueno, la edición que hiciste parece estar bien. Supongo que también podría haber dicho "... velocidades a través del espacio mismo" o algo así. No puedo pensar en una manera particularmente buena de expresarlo en la parte superior de mi cabeza.
La analogía del campo de fútbol no tiene sentido (común). ¿Cómo puede expandirse el espacio entre las zonas de anotación sin que se muevan las zonas de anotación?

El espacio es "nada"

Realmente no. La relatividad general nos dice que el espacio-tiempo es una entidad viva real que responde a lo que hace la materia y la materia responde a la forma en que se curva el espacio-tiempo. O como dijo John Wheeler : "la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse". Para una introducción a la relatividad general, puede comenzar en este artículo de wikipedia .

La gravedad no tiene una distancia límite

Estás hablando simplemente de la gravedad newtoniana clásica. Pero no es así como funciona la gravedad a gran escala. A gran escala, la gravitación es sólo una apariencia provocada por el hecho de que el espacio-tiempo es curvo. Si está curvado de cierta manera, la apariencia es que los objetos se atraen entre sí. Como esto:

texto alternativo

Pero a gran escala, estas deformaciones locales atractivas son completamente insignificantes. Cuando tomas en cuenta el espacio-tiempo completo, se curva de manera diferente (más sobre esto en la última sección). Y lo importante es que el espacio-tiempo se expande (como cuando inflas un globo). Debido a que se expande, las distancias entre dos puntos cualesquiera se hacen más grandes y parece que todo se está alejando de ti. Entonces, la gravitación es en realidad una fuerza repulsiva a gran escala (o al menos, puede serlo; vea nuevamente la última sección para una aclaración).

¿No se desaceleraría la expansión?

Hay muchas soluciones de las ecuaciones de Eistein. Algunos de ellos son estacionarios, algunos de ellos se están expandiendo (ya sea a un ritmo acelerado o desacelerado), algunos de ellos vuelven de la expansión a la retracción. Ahora bien, cuál de estas soluciones es la correcta depende de las condiciones precisas en (o más precisamente poco después) del Big Bang.

Una parte importante de la comprensión teórica actual de la expansión del espacio-tiempo es que la constante cosmológica es distinta de cero y esto es lo que acelera la expansión. La imagen completa sobre el contenido de materia de nuestro universo y su relación con la expansión del universo se llama Lambda-CDM (Lambda es un alias para la constante cosmológica y CDM es una materia oscura fría, que constituye la mayor parte de la materia en el universo). Ahora bien, la constante cosmológica también se llama energía oscura . Pero actualmente no se sabe mucho sobre estos asuntos y los principales problemas conceptuales en la cosmología y la física teórica moderna tienen que ver con la naturaleza de la constante cosmológica.

La frase de J. Wheeler: 'la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse' implica que la materia se dice a sí misma cómo moverse; ahora, ¿qué deberíamos hacer con ella?
@Gerard: ¿qué pasa con eso? Debe ser completamente natural. Basta con tomar la gravedad newtoniana: una parte de la materia (la Tierra) le dice a otra parte de la materia (la Luna) cómo moverse. GR simplemente agrega un mediador de esa acción.
Por supuesto, nada nuevo. Cuando GR introduce un mediador, tal vez se pueda comparar con el concepto de 'éter'. ¿Ese también era un mediador, y después de descartarlo en SR se introdujo un nuevo mediador en GR?
@Gerard: sí, en cierto sentido, podrías pensar en el espacio-tiempo como una especie de 'éter'. Aunque es mucho más sofisticado que el concepto ingenuo de ether people propuesto antes de SR.

De hecho, creo que te han engañado. Por lo general (en mi experiencia) cuando la gente dice que el espacio se está expandiendo, lo que quieren decir es que el universo se está expandiendo, pero eso solo significa que los objetos en el universo se están separando más (o, en el caso de una masa/energía continua). distribución, que la densidad está disminuyendo con el tiempo). Esto es lo que el factor de escala cosmológico a ( τ ) es para: describe el cambio en la distancia entre dos objetos (como las galaxias) cuyo movimiento está sujeto únicamente a interacciones a gran escala.

r ( t 1 ) = a ( t 1 ) a ( t 2 ) r ( t 2 )

Ahora porque a ( τ ) es parte de la métrica, que especifica la distorsión (o "curvatura") del espacio-tiempo, es fácil pensar que este factor de escala caracterizaría la expansión del espacio mismo. Pero creo que esa es la interpretación incorrecta, o al menos una interpretación confusa. El factor de escala realmente solo se relaciona con distancias medibles entre objetos. Entonces, en lugar de tratar de descubrir qué significa que el espacio se expanda, solo piense en las cosas que se separan más.

Continuando, tienes razón al decir que, si las cosas se comportan de la manera que intuitivamente esperaríamos, la expansión del universo debería estar desacelerándose debido a la atracción gravitatoria. Pero las mejores observaciones experimentales que conozco muestran que es todo lo contrario: la expansión se está acelerando. A menos que esté preparado para argumentar que los experimentos se realizaron o interpretaron incorrectamente, eso significa que debe estar sucediendo algo no intuitivo.

Todavía hay mucho debate sobre qué podría estar acelerando la expansión del universo. Sea lo que sea, los cosmólogos la llaman energía oscura (en la época de Einstein la llamaban la "constante cosmológica"), pero nadie tiene una explicación satisfactoria de por qué existe esta energía oscura, o cuáles podrían ser sus propiedades, aparte del hecho de que acelera la expansión del universo. Esta es una de las mayores preguntas abiertas en la cosmología moderna.

Entonces, ¿quiere decir que los objetos simplemente se separan bajo una fuerza desconocida en un espacio estático, no porque el espacio mismo se esté expandiendo y separando los objetos? Siempre tuve la impresión de que se está creando una estructura de espacio, por lo que los objetos se separan porque se crea más "vacío" entre los objetos, mientras que los objetos en realidad no se mueven.
@serg: Es justo como dices. "El espacio se crea", o mejor dicho, "el espacio-tiempo se expande" y el hecho de que las cosas se separen es solo una ilusión. Así que no estoy de acuerdo con David en que está mal pensar en la expansión del espacio-tiempo en términos de a ( τ ) . Según GR eso es precisamente lo que sucede. Por ejemplo, si nuestro universo fuera una esfera de 3, entonces podrías (en principio) medir su diámetro a lo largo del círculo principal y, de hecho, esto aumentaría con el tiempo.
@Marek: Creo que malinterpretaste mi respuesta. No estaba diciendo que esté mal pensar en la expansión del espacio-tiempo en términos de a ( τ ) , sino que es engañoso pensar en a ( τ ) como caracterización del espacio mismo. Simplemente quise decir que es mejor asociarlo con distancias medibles, no con una noción abstracta de "espacio". Si el universo fuera una esfera de 3, su circunferencia sería una de esas distancias medibles; ciertamente no hay razón por la que no puedas asociarlo con a ( τ ) .
(continuación) Y tengo que estar en desacuerdo con su comentario en un punto: diría que las cosas se están separando, y la idea de que "se está creando espacio" no tiene sentido, a menos que desarrolle una definición precisa de lo que significa crear espacio.
@serg: Parece que tienes la idea de que el espacio es una entidad separada de la materia y la energía, es decir, que puede expandirse mientras los objetos en él permanecen quietos o puede permanecer estático mientras los objetos en él se separan. Haz tu mejor esfuerzo para olvidar eso. Toda la analogía del "tejido del espacio-tiempo" es terriblemente engañosa si la llevas más allá de lo que pretendía explicar, como creo que estás haciendo aquí.
Describir estas cosas en términos de palabras es complicado. Tome la métrica plana de Roberston-Walker y realice la transformación de coordenadas R = a ( τ ) r . Entonces la métrica se convierte en d s 2 = − ( 1 − ( a ˙ R a ) 2 ) d τ 2 + 2 d τ d R ( d o t a R a ) + d R 2 + R 2 d Ω 2 . Ahora, literalmente parece que hay un efecto de arrastre de cuadros (el gramo τ R término) que describe la expansión del espacio, y que las distancias son fijas. ¿Qué formulación es la correcta? Ambos. Es una cuestión de interpretación.
@David: ah, está bien entonces. Pero si recuerdo correctamente la métrica FRLW, a ( τ ) tiene una conexión muy clara con el tamaño real del universo (al menos para el caso compacto).
@David: depende. Ambas afirmaciones "se están separando" y "no se están separando" son correctas dependiendo de cómo las interpretes. Es cierto que hay un movimiento efectivo que surge de la expansión pero este no proviene del movimiento de los objetos mismos.
@David: ¿por qué tienes problemas con "se está creando espacio"? Claro, es solo una opinión popular, pero es totalmente cierto. Toma de nuevo las 3 esferas. Tiene algo de volumen. Puedes medir eso. Este volumen va aumentando con el tiempo. Entonces, de hecho, el espacio debe haber sido creado.
@Marek: bueno, ahí tienes una definición precisa de lo que significa crear espacio: aumentar la circunferencia (y por lo tanto el volumen) del universo. Eso está perfectamente bien. Con lo que realmente tengo problemas es con tratar de mantener una discusión técnica usando palabras cuyos significados no están claros. También re: 2 comentarios arriba, ¿cómo define el movimiento de los objetos en sí, excepto por el cambio en su posición relativa?
@David: No estoy tratando de mantener una discusión técnica. Pensé que estábamos tratando de explicarle algo a un profano ;-)
@David: con respecto al movimiento ... ¿realmente sabes cómo derivar FRLW? Comienzas con observadores estacionarios (que puedes hacer gracias a la suposición de homogeneidad) que son estacionarios con el fluido que llena el espacio. Así que sí, puedes definir el movimiento absoluto para este tipo (muy especial) de espacio-tiempo.
@Marek: bueno, en las respuestas, supongo que estábamos tratando de explicar a los profanos, pero ahora estamos en medio de una discusión técnica ;-) De todos modos, creo que toda esta discusión resulta de definiciones opuestas. Estoy definiendo "movimiento" como un cambio en la posición relativa medida, mientras que si ahora lo entiendo correctamente, lo está definiendo como algo más como un cambio de coordenada de movimiento, lo cual está bien, por supuesto; lo siento por hacer un escándalo por eso! Solo creo que es probable que esto último sea mucho más confuso para alguien que no está familiarizado con GR a nivel matemático.
@David: bastante justo. En cuanto al movimiento: precisamente. Hay dos definiciones independientes y ninguna de ellas es más correcta. Pero creo que @serg ya tenía una imagen bastante buena de esto en mente (que también mencioné). A saber, que puedes imaginar el universo como un globo. A medida que lo soplas, se hace más grande y las distancias aumentan, pero las moléculas de caucho reales no llegan a ninguna parte (en el segundo sentido de movimiento). Solo aumentan las distancias intermoleculares (lo que corresponde a la expansión del espacio y la disminución de la densidad del fluido galáctico).
@David @Marek: Es por eso que mi actitud sobre estas cosas es generalmente "calcular la propiedad física relevante usando las reglas de geometría diferencial y GR" y solo luego, proporcionar un conjunto de palabras en inglés simple para interpretar el resultado. De lo contrario, acabas hablando en círculos sobre cosas que podrían ser equivalentes en diferentes coordenadas. Las distancias adecuadas entre galaxias aumentan en un espacio-tiempo FRLW. <b>Por qué</b> sucede esto depende del sistema de coordenadas/esquema de interpretación que esté usando, y los diferentes esquemas aclaran algunas cosas y oscurecen otras.
@Jerry: bien dicho. También estoy de acuerdo con eso (que los resultados reales provienen de los cálculos), supongo que es demasiado fácil dejarse llevar discutiendo sobre las interpretaciones.
@Jerry Schirmer: bien dicho, de hecho.
¿Por qué la expansión del espacio afecta a la materia?
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