Big Bang: ¿qué es exactamente lo que se expande?

Question

He leído un poco sobre el Big Bang a lo largo de los años, pero al no ser físico nunca he podido entender realmente de qué se trata.

Por lo que sé, a partir del Hubble hemos podido medir el desplazamiento al rojo de las galaxias lejanas, y como todas están desplazadas al rojo, en todas las direcciones, postulamos este modelo de la expansión, para luego desarrollar el modelo hacia atrás, hacia el Big Bang, etc.

Lo que no entiendo es lo de la "expansión". No dudo que esas galaxias se alejen de nosotros. Me resulta menos evidente por qué se le llama "expansión". ¿Qué se está expandiendo y cómo?

Mi duda viene sobre todo de pensar que si "todo" se expande, no deberíamos poder medirlo, porque todos nuestros aparatos de medición se expandirían también. Si podemos medir la expansión, significa que algunas cosas (¿la luz? ¿el espacio-tiempo?) no se están expandiendo.

Editar: Para responder al comentario de Kyle Kanos, y tal vez para precisar la pregunta, ¿qué significa que el "espacio" se expande? ¿Cómo podría expandirse el "espacio" sin expandir las cosas que contiene?

Answer 1

Considere un diagrama como el que muestro a continuación

Se trata de cuatro galaxias unidas a una retícula imaginaria, por simplicidad esta retícula es cuadrada, y el tamaño de cada celda es $a$ . La afirmación de @Kyle, aunque corta, es absolutamente correcta, lo que se expande es el espacio, en el sentido de que la cuadrícula escala en tamaño. En el ejemplo anterior, la longitud de cada celda se incrementa en un factor de $2$ Por supuesto. $a$ en general cambia suavemente en función del tiempo

$$ a = a(t) \tag{1} $$

Su observación también es algo correcta, si se sienta en la galaxia $A$ y observa la expansión del universo, verás que la geometría del triángulo formado con las galaxias $B$ y $C$ no cambia. Pero hay un par de cosas que le ayudarán a detectar la expansión

1. Dibujé deliberadamente el objeto $D$ como un conjunto de puntos, imaginemos que en la figura de la izquierda estos objetos están ligados gravitatoriamente. Si ese es el caso, incluso después de que el universo se expanda, este objeto permanece ligado, por lo que la distancia entre sus partes no va a cambiar. En estos casos decimos que $D$ es desvinculado de la expansión y esa es en realidad la razón por la que existen las galaxias, y por la que algo como el CMB es una herramienta tan poderosa para entender la historia del universo. Porque contiene tamaños de objetos de los que conocemos la distancia, así que midiendo los ángulos podemos formarnos una imagen bastante sólida de los procesos que llevaron a la formación de dichos objetos.

2. ¡La luz! También en esta imagen dibujé un fotón emitido por $D$ Por supuesto, se necesita un tiempo para que se desplace hasta que puedas verlo (recuerda que estás en $A$ ), pero el universo se expande mientras tanto, cuando finalmente lo recibes, su "longitud" se ha visto afectada por la expansión. Más técnicamente su longitud de onda también aumentará, en nuestro ejemplo, en un factor de $2$ . Así que se vuelve más rojo, si se puede identificar qué objeto de color $D$ emitió su luz (que conocemos), y medir de qué color se ve, también se puede inferir cuánto afectó la expansión del universo a ese fotón.

En este caso, la norma se amplía, pero entendemos cómo, y podemos utilizar su cambio en su beneficio.

Answer 2

En mi opinión, y esto es muy poco estándar, y debería haber, y estoy seguro de que habrá, otras respuestas que den un punto de vista más convencional, pero has dado en el clavo con respecto a que hay cierto grado de absurdo en la noción del big bang y el comienzo del tiempo.

Lo que muchos no se dan cuenta es que tanto el tiempo como el tamaño son en sí mismos relativos y, como tal, la noción de que el Universo es del tamaño de un guisante es absurda en un momento en el que ni un guisante ni nada que se le parezca remotamente existe, y si existiera, no tendría sentido "del tamaño de un guisante" de todos modos.

Donde rara vez se tiene cuidado es en hacer afirmaciones precisas sobre lo que significa que el universo sea diminuto.

Lo que yo interpreto que estas afirmaciones significan en realidad, es que la distribución de los espacios dentro del universo era diferente en la medida en que el espacio dentro de las partículas era mucho mayor, en comparación con el espacio entre las partículas, como proporción del espacio total, de lo que es ahora .

Pero la idea de que el metro de entonces tenía mucho que ver con el de ahora es absurda.

Lo que puede hacer, es recuperar alguna noción significativa de lo que entendemos por expansión utilizando un enunciado de la siguiente forma: "La distribución del espacio entre la materia se desplaza de tal manera que la proporción de espacio contenida dentro de las partículas disminuye con el tiempo en relación con la proporción de espacio total que hay entre las partículas".

Además, también hay que tener cuidado con la otra dimensión de la separación, el tiempo, que es más potente para reducir al absurdo la noción del big bang.

Según algunos de nuestros modelos básicos (si luego encuentro la referencia que era de John Baez, la añadiré - por ahora puedo encontrar este discusión de un libro de Roger Penrose, que especula sobre el tiempo antes del big bang), si observamos el movimiento a medida que nos acercamos al big bang, yendo hacia atrás, todo el movimiento se hace cada vez más rápido, y se convierte en una singularidad al principio del tiempo. Báez habló de que se trata de una singularidad, y si no recuerdo mal, posiblemente de un defecto de nuestros modelos. Pero lo que no recogió en el blog que escribió (y tampoco he visto a ningún físico destacado recogerlo) es que si es cierto, esto significa que el big bang no es necesariamente el principio del universo.

Si el movimiento se aproxima a la velocidad infinita, entonces las cosas pueden suceder infinitamente rápido - infinitamente muchas cosas pueden suceder en ningún momento. Con este conocimiento, la teoría del big bang vista realmente, sólo dice que nuestro concepto de tiempo se rompe hace unos 13 mil millones de años, pero se puede tomar cualquier momento de su elección, arbitrariamente cerca del big bang y todavía encontrar siempre más cosas que tienen lugar en lo que llamamos los "momentos" antes, que en los 13 mil millones de años enteros desde entonces.

Por lo tanto, parece que, en lugar de considerar que el tiempo es lineal, debemos pensar que es circular. Localmente, el cambio se correlaciona de forma bastante inequívoca con la distancia o la separación, pero cuanto más atrás vemos, más nos acercamos a un "horizonte de sucesos" análogo al horizonte de un agujero negro, en el que nos resulta difícil separar los sucesos entre sí de forma lineal que se asemeje al tiempo tal y como lo experimentamos localmente.

Si no recuerdo mal hay teorías tentativas, pero reputadas, de físicos prominentes que comparan el big bang con nuestra salida de un agujero negro y mi opinión personal sería que probablemente es una buena analogía, si no una descripción. Mi opinión personal es que el big bang es el momento en el que nosotros (todo el universo tal y como lo conocemos) como conjunto de luz, fuimos emitidos, y que nosotros y todo lo que nos rodea retrocedemos a la velocidad de la luz en relación al big bang. Entonces el CMB es el remanente distante más débil de ese evento, que podemos ver.