Si el universo se está expandiendo, ¿en qué se expande? ¿Cómo llamamos a ese espacio que acomoda al universo en expansión?

Answer 1

Aunque la pregunta no está muy clara, parece estar basada en un malentendido de lo que los físicos están hablando cuando usan la palabra “expandirse”. (Y, comprensiblemente, es un uso extraño de la palabra.)

La forma en que normalmente pensamos en la palabra, si un objeto (como un globo) se está expandiendo, ocupa más espacio en los últimos tiempos que en los primeros tiempos. El espacio que antes no había estado fuera del globo ahora está dentro del globo. Si pensamos en el universo de la misma manera, tendríamos que imaginar que está contenido en un espacio más grande, llenándolo cada vez más. Eso no es lo que quieren decir los físicos cuando dicen que el universo se está expandiendo.

Lo que quieren decir es que el espacio en sí se está expandiendo, que si hubiera habido un millón de años luz cúbicos de bienes raíces disponibles en el pasado, ahora hay dos millones de años luz cúbicos. En la cosmología estándar, no hay nada fuera de este espacio; no está llenando algo fuera de sí mismo; Hay más y más a medida que pasa el tiempo.

Dos cosas hacen que este tema sea incómodo y sutil: (1) el volumen total de espacio en el universo es desconocido o infinito y (2) el espacio es continuo. Ignoremos ambos por el momento (de hecho, existen teorías cosmológicas alternativas en las que el espacio es finito y / o está formado por píxeles discretos, como una pantalla de computadora). Imagina un mundo con un volumen finito, hecho de pequeños bits indivisibles de espacio, como los píxeles de una pantalla de computadora. Para evitar el pegajoso problema de los límites, podemos imaginar que los bordes están conectados, como el antiguo videojuego Asteroids .

Esto es meramente por simplicidad conceptual, en realidad no sabemos si el universo está conectado de esta manera (probablemente no lo esté). Pero con esta simplicidad conceptual, será más fácil explicar lo que significa que el espacio se expanda.

El mundo de los asteroides tiene un tamaño definido: puedes medirlo volando una vez alrededor de la pantalla. Si este espacio se estuviera expandiendo, entonces su extensión finita sería cada vez más grande: usted actualiza su monitor a uno con más píxeles, por lo que la nave espacial de triángulos tiene más espacio para volar. Si esta expansión ocurre lentamente, entonces de alguna manera, gradualmente consigue más píxeles entre los píxeles que una vez tuviste.

Si bien esto es difícil de imaginar en una pantalla de computadora, es fácil de imaginar en artes de la tela como coser y tejer. Reemplace “pixeles” con “puntadas” y siempre puede meter más puntadas entre las puntadas que ya tiene. De hecho, así es como teje un sombrero: comienzas con una cinta circular y haces cada fila con menos puntos que el anterior … hasta que llegas a un punto.

Ahora imagine que la vertical de este sombrero es el tiempo y la horizontal es el espacio (unidimensional). Si el tiempo comienza en la parte inferior, es un espacio en expansión: cada fila horizontal tiene más longitud total que la anterior.

El universo en sí no se ve muy diferente:

Aunque me tomé la libertad de dibujar este universo unidimensional en un mundo nebuloso en 3D con una tabla de tablero de ajedrez, podría pensarse que es todo lo que hay para los seres unidimensionales que viven en él. Al igual que un sombrero, cada anillo espacial es un poco más grande que el anterior.

Esta forma parabólica retrata de manera realista los efectos gravitacionales que tiene una distribución uniforme de la energía en la expansión del espacio, y el apicabajo de abejas al principio es la era inflacionaria recientemente descubierta. (El hecho de que la inflación convierta el comienzo redondeado y autónomo en un corredor alargado es la razón por la cual los cosmólogos no pueden decidir si el tiempo tuvo un comienzo absoluto: cosmólogo en un columpio de llanta).

Los gráficos dibujados en la parábola indican lo que estaba sucediendo en el universo en cada era, pero no está dibujado a escala. La era inflacionaria sucedió en una breve fracción de segundo. La parte amarillo verdosa es cuando todo el espacio se llenó con un plasma espumoso; esto se enfrió unos 400,000 años después de la inflación (un corto tiempo en el gran esquema). La última imagen de esta era de plasma es el Fondo de Microondas Cósmico (CMB) que nos brinda mucha información sobre los primeros tiempos. Después de eso, se forman las primeras estrellas. En esta vista, las estrellas son rayas, localizadas en el espacio pero que se extienden a lo largo del tiempo.

Si pones el tiempo en un eje de un diagrama, como he hecho, entonces un proceso en evolución se visualiza como una forma estática. Vista desde dentro, la expansión del espacio es un cambio: de alguna manera, nuevos píxeles aparecen entre los antiguos. Visto desde el exterior, es solo la forma en que el objeto espacio-tiempo está curvado, como un jarrón. La expansión del espacio es un ejemplo de curvatura espacio-tiempo.

Esta vista ayuda a explicar de dónde provienen todos los píxeles nuevos: no se están colocando entre los antiguos; Son parte del diseño. Por ejemplo, considera la forma en que está diseñado este juego de mazmorras:

Cada habitación tiene una puerta en el oeste, sur y este, pero dos puertas en el norte. Se abren en diferentes habitaciones, cada una de las cuales es tan grande como la que dejaste. Continúa este patrón, capa tras capa, y de forma muy natural creas una forma curva. Uní un modelo físico de este patrón y obtuve lo siguiente:

Y se puede imaginar extendiéndolo indefinidamente para eliminar el supuesto (posiblemente falso) de espacio finito.

He escrito algunas publicaciones de blog sobre esto, ya que es uno de mis temas favoritos. Las publicaciones del blog lo discuten en mayor detalle.

• A Stitch in Time: mi primer artículo, en el que presento las analogías anteriores.
• Perdido en la hiperbolia: un seguimiento, en el que hice un excelente navegador Javascript de espacios hiperbólicos para dar una sensación más intuitiva de lo que es vivir en un espacio altamente curvado.
• Coffeeshop Physics: mi colección de charlas, algunas de las cuales están sobre este tema.
• Fermilab Today: un artículo que escribí para Fermilab al respecto.
• Usuario: Jim Pivarski: las matemáticas que justifican la forma de mi gráfico del universo temprano.

Answer 2

El universo no tiene que expandirse en nada para expandirse. Sé que suena ridículo, así que déjame darte un ejemplo diferente que es más fácil de entender.

Imagina que tienes una línea que continúa para siempre. En esa línea, tienes una marca cada pulgada. Hay un número infinito de pulgadas. Ahora mueve cada marcador para que estén separados por dos pulgadas. Todo el patrón se ha expandido. Todavía va al infinito, pero los marcadores están más separados. El patrón se ha expandido, pero la longitud sigue siendo infinita.

Ahora un nuevo ejemplo. Supongamos que tienes un pedazo largo de goma, que va hasta el infinito. (Esa pieza de goma representa el universo.) La goma tiene marcas en cada pulgada. Ahora estire la goma, hasta que los marcadores estén separados por dos pulgadas. Todavía va al infinito, pero se ha expandido.

Los físicos piensan en el “espacio” no como un vacío, sino como un trozo de goma. (Pero no lo llaman caucho, lo llaman el “vacío”. Las “partículas”, en física, son solo vibraciones del vacío.) El vacío puede expandirse, al igual que la pieza de caucho. Pero como va hasta el infinito, no necesita más espacio. Una forma inteligente de decirlo es que “hay un montón de espacio en el infinito”. (Eso es inteligente, pero en realidad no explica nada).

Ahora aquí hay algo nuevo que podría confundirte, o podría ayudar. En la teoría de la física estándar, las galaxias se están alejando; Esa es la expansión del Universo. Sin embargo, en la forma en que la teoría la describe (me refiero a la Teoría de la Relatividad General), ninguna de las galaxias se está moviendo realmente. Todo lo que está sucediendo es que la cantidad de espacio (vacío) entre ellos está aumentando.

No, no aprenderás esto en la escuela, ni siquiera en la universidad (a menos que tengas un profesor extraordinario). Por lo general, se enseña en la escuela de posgrado, cuando estás obteniendo un Ph.D. la licenciatura. En ese punto, el lenguaje que encontrará es el siguiente: “En la teoría del Big Bang, todas las galaxias tienen coordenadas fijas. (Eso significa que no se están moviendo). La ‘expansión’ se describe en el ‘tensor métrico’, que describe las distancias entre esas coordenadas fijas. En la Teoría del Big Bang, es el tensor métrico el que está cambiando, lo que representa la expansión del Universo, aunque las galaxias no se están moviendo. El reciente descubrimiento de la expansión acelerada significa que la tasa de expansión es creciente.”

Tal vez has leído sobre la curvatura del espacio. Coloque un agujero negro entre dos objetos inmóviles, y la distancia entre ellos aumentará repentinamente, aunque no se hayan movido. Así que “distancia” no es tan simple como la gente pensaba. Fue Einstein a quien se le ocurrió la sorprendente idea de que el “espacio” (es decir, el vacío) es flexible; Puede curvarse y estirarse.

Espero que encuentres que esto es muy confuso. Eso no es una mala señal; es una buena Cuando aprendes cosas nuevas que son completamente diferentes de lo que nunca imaginaste, entonces la “confusión” es el primer paso.