la naturaleza del big bang

Question

Si el espacio-tiempo se expandió junto con la materia, entonces ¿por qué los físicos se molestan en extrapolar hacia atrás la expansión hasta un punto en el tiempo? Es decir, ¿nos dice eso realmente algo? Quiero decir que si la velocidad del paso del tiempo (medida por las vibraciones atómicas) depende de la geometría local del espacio-tiempo, y la medición del espacio depende de que haya "cosas" (luz, materia) en él para medir las distancias, entonces me parece que el concepto de espacio, tiempo, sus campos interactivos y las realidades cuánticas resultantes dependen unos de otros para su supervivencia como concepto.

¿Qué poder explicativo hemos añadido realmente a la discusión sobre los orígenes de la realidad si hablamos de un periodo de tiempo finito de vuelta al infinito? ¿Cómo puede un período de tiempo finito escapar del infinito? Por lo tanto, ¿qué estamos aprendiendo realmente al decir que el universo tiene 14.000 millones de años? En mi ignorancia, es como si estuviéramos aplicando la lógica basada en la física newtoniana a la física post Einstein y nos fuéramos contentos de haber dicho algo sensato cuando lo que conseguimos es confundirnos a nosotros mismos (y a mí especialmente ;) (estoy seguro de que la realidad es diferente, por eso hago la pregunta :)).

Además, si todo (dentro del tejido de la nada) se expandió conjuntamente, ¿cómo podríamos demostrar que algo se expandió? El desplazamiento al rojo debe mostrar que la materia se expandió MÁS RÁPIDO que el espacio-tiempo, ¿no? Si no, no habría ninguna diferencia medible. ¿Cómo podríamos medirlo si el espacio-tiempo se expande con él?

Supongo que lo que planteo son 3 preguntas (que en realidad son todas la misma pregunta); por qué hablamos de que el espacio-tiempo se expande cuando "expansión" es un término que necesita del espacio para tener sentido. ¿El permiso para usar ese término no requeriría que nuestro espacio-tiempo existiera en una realidad espacial mayor?

Por qué hablamos de que la materia se expande cuando si el espacio-tiempo se expandió con ella entonces realmente no se expandió en absoluto.

Por qué hablamos de un periodo de tiempo finito cuando las matemáticas demuestran que el paso del tiempo retrocede hasta el infinito y, por tanto, no hemos explicado realmente nada.

Answer 1

Partimos de las observaciones: galaxias y cúmulos de galaxias se ha descubierto que se alejan de nuestra galaxia y de los demás.

La ley de Hubble es el nombre de la observación en cosmología física que: (1) los objetos observados en el espacio profundo (espacio extragaláctico, ~10 megaparsecs o más) tienen un desplazamiento Doppler interpretable como velocidad relativa de alejamiento de la Tierra; y (2) que esta velocidad medida por el desplazamiento Doppler, de varias galaxias que se alejan de la Tierra, es aproximadamente proporcional a su distancia de la Tierra para galaxias de hasta unos cientos de megaparsecs. 1 Esto se interpreta normalmente como una observación directa y física de la expansión del volumen espacial del universo observable.

Una vez que modelamos el espacio que nos rodea expandiéndose, del mismo modo que una barra de pan se expande al subir en el horno, entonces la cuestión de que la materia también se expande se responde con la misma observación: si así fuera, no podríamos detectar la expansión porque nuestras unidades estarían cambiando al mismo tiempo.

Ya que vemos la expansión, extendamos el análogo del pan un poco más> Pongamos media nuez en el pan. Lo que ocurrirá es que las nueces se expandirán con el pan, pero su tamaño no cambiará. ¿Por qué? Porque son sólidas, se mantienen unidas con fuerzas moleculares y mientras la masa es elástica y se expande distanciando una nuez de la otra las fuerzas intermoleculares mantienen la nuez intacta.

Del mismo modo, la fuerza gravitatoria colectiva newtoniana que se mantiene en las zonas locales del universo es mucho más fuerte que la expansión actual del espacio, y las fuerzas electromagnética y fuerte son aún más fuertes. Así, la materia se mantiene unida. La radiación emitida y que viaja por el espacio en expansión es afectados y por eso podemos deducir las velocidades de las galaxias y cúmulos que se alejan de nosotros.

No siempre fue así. Hemos hecho una representación pictórica de esta expansión con el modelo del Big Bang :

Desde hace tiempo disponemos de datos de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB), una instantánea de lo que ocurrió a 380.000 años de la singularidad. Recientemente el Experimento BICEP2 pretende darnos una instantánea de lo que ocurrió a 10^-32 segundos de la singularidad, el efecto de la cuantización de la gravedad. Nuestro modelo de la historia de la región coloreada, antes de que se liberara el CMB, depende de nuestro conocimiento de las interacciones de la física de partículas y de la modelo estándar que se ajusta muy bien a los datos de las partículas, y también a los datos de la física nuclear.

Este es un modelo que mezcla lo que sabemos de la teoría y el experimento y la astronomía observacional, es el estado del arte en este momento.

¿Existe realmente una singularidad en el principio de los tiempos? No lo sabemos. La solución de la relatividad general lo dice, pero no es una solución cuantizada. La cuantización es necesaria durante el periodo inflacionario del principio, para explicar la uniformidad de la distribución de la materia en el universo observado. La mayoría de los físicos esperan que una vez que la cuantización de la relatividad general se formule correctamente las singularidades puedan desaparecer, pero no lo sabemos. Por el momento parece que existió una singularidad al principio del espacio-tiempo, se pueden encajar todas las observaciones con dicho modelo.