¿Tamaño del universo después de la inflación?

Question

Wikipedia afirma que el período de inflación fue de $10^{-36}$ seg a alrededor de $10^{-33}$ seg o $10^{-32}$ sec después del Big Bang, pero no dice cuál era el tamaño del universo cuando terminó la inflación. Acabo de ver un programa de Brian Greene sobre el Multiverso y me pareció oírle decir que el tamaño era de escalas galácticas cuando terminó la inflación. Sin embargo también he leído que el tamaño era de una pelota de baloncesto.

¿Existen múltiples teorías con diferentes tamaños resultantes? ¿Significa algo el "tamaño" en este contexto?

Answer 1

Con la definición adecuada del "tamaño" del universo, esta pregunta tiene sentido. El modelo estándar de la cosmología diría que el universo es infinito y que, por tanto, no tiene un "tamaño". Sin embargo, si tenemos en cuenta que el big bang ocurrió $13.7 \pm 0.17$ mil millones de años podemos definir un tamaño significativo para el universo observable. Por ejemplo, se podría definir el tamaño del universo observable como la distancia que podría haber recorrido un fotón desde el big bang.

Consideremos, por ejemplo, un fotón del fondo cósmico de microondas (CMB) que fue emitido como luz visible unos 379.000 años después del big bang y que acaba de llegar a nuestros detectores de microondas (el corrimiento al rojo es z=1089): ese fotón ha estado viajando durante 13.700 millones de años, por lo que ha recorrido una distancia de 13.700 millones de años luz. Así que se puede imaginar que el radio actual del universo observable es de 13.700 millones de años luz. Sin embargo, durante este tiempo el universo se ha expandido, por lo que la posición actual de la materia que emitió ese fotón estará ahora a 46.500 millones de años luz. (A estas alturas, el pequeño $10^{-5}$ baches en el CMB se habrán condensado en galaxias y estrellas a esa distancia). Esto da un diámetro del universo observable actual de 93.000 millones de años luz . Obsérvese que, a medida que pasa el tiempo, el tamaño del universo observable aumentará. De hecho, aumentará significativamente más de dos (para convertir el radio en diámetro) años luz por año debido a la continua expansión (acelerada) del universo. También hay que tener en cuenta que no podremos utilizar los fotones (la luz) para explorar el universo antes de 379.000 años después del big bang, ya que el universo era opaco a los fotones en ese momento. Sin embargo, en el futuro podríamos utilizar neutrinos o telescopios de ondas gravitacionales para explorar el universo anterior.

Así pues, dado un tamaño del universo observable actual, podemos preguntarnos qué tamaño tenía ese volumen en un momento determinado del pasado. De acuerdo con esto papel al final de la inflación el factor de escala del universo era de aproximadamente $10^{-30}$ más pequeño que el actual, lo que daría un diámetro para el universo actualmente observable al final de la inflación de 0,88 milímetros que es aproximadamente el tamaño de un grano de arena (Véase el cálculo en WolframAlpha ).

Se cree que la inflación necesaria para expandir el universo en al menos un factor de 60 e-foldings (que es un factor de $e^{60}$ ). Por lo tanto, el uso de WolframAlpha de nuevo encontramos que el diámetro del universo antes de la inflación habría sido $7.7 \times 10^{-30}$ metros que es sólo alrededor de 480.000 longitudes de Planck .

Quizás Brian Greene se refería al tamaño del universo observable en el momento en que los fotones del CMB comenzaron a viajar hacia nosotros. Eso ocurrió 379.000 años después del big bang a un desplazamiento al rojo de 1098, lo que significa que el universo tenía unos 84,6 millones de años luz de diámetro que, por WolframAlpha es aproximadamente la mitad del diámetro del supercúmulo local de galaxias o unas 840 veces el diámetro de nuestra galaxia.

Answer 2

Del orden de 10 metros.

El tamaño del Universo se puede calcular integrando el Ecuación de Friedman que es una función de las densidades de los componentes del Universo (radiación, materia, energía oscura, curvatura, así como componentes más exóticos), así como de sus ecuaciones de estado. En general, no existe un resultado analítico, pero en ciertas épocas de la historia del Universo, su dinámica está completamente dominada por uno o dos de estos componentes.

El Universo primitivo estaba dominado por la materia relativista, es decir, la radiación y los neutrinos (la materia primitiva también era relativista, pero no contribuía significativamente a la densidad de energía). En este caso, la integración arroja la siguiente relación entre el factor de escala $a$ (es decir, la relación entre las longitudes de esa época y las actuales) y el tiempo $t$ : $$ a(t) \simeq \left( 2 \sqrt{\Omega_\mathrm{r,0}} H_0 t \right)^{1/2}, $$ donde $\Omega_\mathrm{r,0}$ es el valor actual de la densidad energética de la radiación en relación con la densidad crítica, y $H_0$ es la constante de Hubble. Para un Colaboración Planck et al. (2016) cosmología, en $t\sim10^{-32}\,\mathrm{s}$ esto da como resultado $2\times10^{-26}$ .

Es decir, si la inflación terminó después de $10^{-32}\,\mathrm{s}$ Todo fue $5\times10^{25}$ veces más cerca entre sí, o aproximadamente 60 e-folding $^\dagger$ .

El Universo total puede ser infinito o no, pero a lo que solemos referirnos cuando hablamos del Universo, es el universo observable que es la parte del Universo desde la que la luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros desde el Big Bang. El Universo tiene 13,8 Gyr de antigüedad, pero como se ha expandido mientras tanto, el Universo observable es más de 13,8 Glyr de radio - de hecho $R_0 = 46.3\,\mathrm{Glyr}$ .

Por lo tanto, el radio de lo que comprende "nuestro" Universo hoy , fue en su momento $t$ sólo $R(t) = a(t) R_0$ Así que al final de la inflación $$ \begin{array}{rcl} r(10^{-32}\,\mathrm{s}) & = & a(10^{-32}\,\mathrm{s}) \, R_0 \\ & = & 2\times10^{-26} \, \times \, 46.3\,\mathrm{Glyr} \\ & = & 9\,\mathrm{m}. \end{array} $$

Si cree que la inflación terminó ya después de $10^{-33}\,\mathrm{s}$ , obtendrá $r=3\,\mathrm{m}$ en su lugar.

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$^\dagger$ _{Casualmente (creo), más o menos el mismo número de pliegues electrónicos que la propia inflación.}

Answer 3

En el modelo más simple del universo, la métrica FLRW, el universo es infinito y siempre ha sido infinito desde el Big Bang. La inflación no cambia esta suposición.

Así que tiene sentido preguntarse, por ejemplo, cómo de grande se hizo un volumen de Planck durante la inflación, pero no tiene sentido preguntarse cómo de grande es todo el universo. (Dependiendo de lo que se tome como factor de escala de la inflación, un volumen de Planck acabó siendo aproximadamente $10^{-27}m^3$ y esto es mucho más pequeño que una pelota de baloncesto).

Dicho esto, Don Page ha sugirió un límite inferior para el tamaño de todo el universo al final de la inflación, y su respuesta es $10^{10^{10^{122}}}$ megaparsecs cúbicos. Sin embargo, creo que debería considerar esto como extremadamente especulativo.

Answer 4

Sólo soy un humilde ingeniero aeroespacial. Pero cuando pienso en la inflación hasta un cierto volumen, mi yo euclidiano dice que tuvo que ser al menos lo suficientemente grande al final de la inflación para la distancia de 13.700 millones de años luz desde nuestra posición actual hasta el extremo opuesto del universo, ya que esa es la luz más lejana que hemos detectado. Si este es el caso, ¿no podemos calcular de nuevo el radio dada la expansión acelerada (suponiendo una tasa de aceleración constante) desde el final de la inflación? En mi opinión, si el universo tenía un tamaño de milímetros al final de la expansión, entonces los fotones emitidos desde el "otro lado" del universo ya nos habrían pasado. Así que incluso con una expansión acelerada desde ese momento hasta hoy a velocidades mucho menores que la velocidad de la luz significa que no es posible que estemos viendo el comienzo del universo después del enfriamiento.

Answer 5

La respuesta al enigma de la inflación es sencilla, está a la vista de todos.

No se puede explicar el universo primitivo en términos clásicos, el tamaño/volumen que se quiera pensar antes y después del periodo inflacionario es irrelevante.
El antes y el después eran completamente diferentes entre sí, ¿por qué? Porque al principio no había nada, luego hubo algo, este algo no llegó a formarse completamente como vemos ahora el universo con sus múltiples dimensiones, en ese punto inicial sólo había una dimensión, lo que ocurrió después en el periodo inflacionario fue la expansión o adición de las dimensiones extra, dos luego tres, y así sucesivamente, por eso la expansión parece tan incomprensiblemente grande y parece moverse a velocidades imposibles mucho más allá de lo que la velocidad de la luz permitiría. El número de dimensiones es infinito en una escala de infinitos más allá de la comprensión razonable, de los cuales el universo observable es sólo tres y se formó completamente al final del período inflacionario, estas dimensiones infinitas nunca dejan de crecer exponencialmente.

PERO El tiempo en sí mismo es la primera dimensión, una especie de marco, en en la que se apoyan todas las demás dimensiones, es el contenedor, no un punto, como la célula que se divide exponencialmente cuando comienza la vida humana. El tiempo no es más que una adición/crecimiento exponencial de dimensiones.