¿Se expande realmente el espacio?

Question

En un libro llamado "Einstein, Relatividad y Simultaneidad Absoluta" había esta frase de Smith:

No hay pruebas observacionales de la hipótesis de la expansión del espacio. Lo que se observa son supercúmulos de galaxias que se alejan unas de otras con una velocidad proporcional a su distancia.

Continúa diciendo que el espacio es euclidiano e infinito. ¿No significaría esto que el Big Bang fue una explosión en el espacio-tiempo en lugar de una expansión del espacio-tiempo como se cuenta a menudo?

¿Se equivoca Smith o aún no lo sabemos?

Answer 1

Según su introducción, Einstein, la relatividad y la simultaneidad absoluta es un volumen de ensayos "dedicado, en su mayor parte, a argumentar que la simultaneidad es absoluta" (como sugiere el título). Esto es no física de la corriente principal. Como los editores del libro ( William Lane Craig et Quentin Smith ) son/son filósofos más que físicos, su valor como libro de texto de cosmología es dudoso.

Así que, sí, según el peso de las pruebas disponibles y el consenso de la corriente principal de la física, Smith está equivocado.

Answer 2

Se equivoca.

Lo que se observa es una amplia gama de fenómenos, no sólo uno, y todos apuntan en la misma dirección .

Los físicos de la corriente principal no son ingenuos. Este tipo de teorías se ponen a prueba duro contra los datos de cien maneras y experimentos, y contra otras teorías, y luego de nuevo por otros equipos. No se las creen sólo porque son bonitas y esotéricas. Al igual que los objetos lejanos que se alejan más rápido:

• los objetos que se alejan, parecen alejarse de manera similar en cualquier dirección. No hay un "centro" aparente. O bien estamos en un lugar mágico, o bien lo parece desde en todas partes ...lo que implicaría fuertemente que el espacio mismo se está expandiendo.
• lo mismo para la estructura del universo (galaxias y vacíos), estallidos gamma, supernovas, cuásares.... Similar en todas las direcciones, sin "centro" aparente
• fondo cósmico de microondas se ha enfriado con el tiempo. Se trata de fotones que vuelan libremente desde el inicio del universo. Los fotones no se "enfrían" como tales. No de esa manera, y especialmente no gradualmente. No hay pruebas de que los fotones se comporten de forma diferente a lo largo de los tiempos y las distancias cósmicas (o más bien cuando se ponen a prueba estas ideas no ganan). Pero sí hacer se enfrían gradualmente si el espacio se expande durante su viaje de miles de millones de años. Se trata de una prueba directa, que coincide directamente con otras pruebas de corrimiento al rojo.
• otros experimentos demuestran que el espacio es excesivamente "plano". Pero no empezó así. De nuevo, esto es una buena prueba de que el espacio se ha expandido. Como inflar un globo con una hormiga parada sobre él, le parecerá a la hormiga, muy arrugado cuando es pequeño, mucho más plano cuando se expande. Nuestro universo nos parece extremadamente plano.
• ciertos eventos en el universo muy temprano, como el recalentamiento y el sobreenfriamiento, tienen sentido y encajan matemáticamente, en un contexto de expansión, más que cualquier otro contexto sugerido conocido que se haya estudiado.
• La expansión está muy sugerida por Ecuaciones de campo de Einstein hasta el punto de que Einstein, que no disponía de nuestros conocimientos actuales sobre las pruebas, tuvo que "amañar" sus ecuaciones para que no lo haría terminan sugiriendo que el espacio se expande o se contrae. Las ecuaciones de campo de Einstein han sido puestas a prueba de forma masiva por todo, desde el GPS hasta la desviación de la luz alrededor de las estrellas, pasando por los agujeros negros, las ondas gravitacionales, hasta .... bueno, un gran número de cosas. Describen cómo se comporta el propio espacio, principalmente, pero no sólo, en relación con la gravedad y la masa. Hasta ahora estamos muy seguros de ellas. Y si no se modifican añadiendo un precalculado " constante cosmológica " diseñados para contrarrestar deliberadamente el comportamiento "por lo demás normal" de las ecuaciones, muestran igualmente que el espacio se expande o se contrae. A Einstein no le gustaba hacer eso, pero aparentemente no podía ver otra manera de evitar esa conclusión a partir de sus ecuaciones... la gente de la época creía en un universo estático, y si eso era así, entonces había que añadir un "factor de falseamiento" a sus ecuaciones para que predijeran lo que la corriente dominante creía, y no predijeran la expansión.
  (Hoy en día, la "constante cosmológica" se entiende un poco mejor y ahora se cree que está relacionada con la llamada " energía oscura " - esencialmente uno o más campos cuánticos escalares que se cree que existen y son responsables de esta expansión. El término "oscuro" significa que todavía no tenemos instrumentos que puedan directamente percibir su energía o sus partículas: es "oscuro" para los instrumentos existentes, aunque creemos que está ahí por las observaciones de los efectos que coinciden con lo que haría tal campo. Creemos que alrededor del 69% de toda la masa-energía del universo está en forma de esta energía oscura, por lo que es un elemento bastante importante desde el punto de vista cosmológico).
• Estas teorías también han hecho predicciones detalladas y extremadamente precisas, que son muy difíciles de explicar de otra manera. Por ejemplo, el modelo del Big Bang explica por qué debería haber un fondo cósmico de fotones, y (si encontramos la forma de detectarlo) también un fondo cósmico de neutrinos, y algunas de sus propiedades esperadas. Predice que el universo debería contener un 75% de hidrógeno, un 25% de helio y trazas de otros elementos, y exactamente por qué esos porcentajes (respuesta: está relacionado con la proporción de protones y neutrones creados anteriormente, y el tiempo disponible para la fusión), por qué algo de deuterio podría formarse por fusión pero luego no se fusionó en helio (se fusiona en helio muy fácilmente), etc. Ninguna otra teoría conocida explica todos estos hallazgos. Y el modelo del Big Bang incluye como elemento central la expansión.

Esos son ejemplos. También hay otros.

• Enlace relevante para un poco más de información:
  https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_of_the_universe

Answer 3

Está básicamente equivocado. Qué es exactamente lo que se aleja de qué depende del sistema de coordenadas que se utilice. En la RG, todos los marcos son físicamente equivalentes entre sí.

En coordenadas comoving, es decir, en la métrica de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker, el Universo consiste en un gas de galaxias en expansión uniforme. En este caso, las galaxias se mueven en geodésicas asociadas a esta métrica. Sin embargo, en coordenadas comoving las galaxias tienen una posición fija y su velocidad es $0$ . Entonces, lo que cambia es la métrica. La parte espacial de la métrica tiene un factor de escala que cambia con el tiempo. Esto se asocia a la "expansión del espacio".

También podemos describir la misma física utilizando marcos locales de Minkowski. Como el marco de Minkowski es estático, no tenemos una expansión de la parte espacial. Sin embargo, el corrimiento al rojo cosmológico puede atribuirse ahora a la acumulación de los desplazamientos Doppler de los fotones enviados por una galaxia y recibidos por otra a través de los marcos locales de Minkowski. En este marco, la velocidad de las galaxias no es $0$ y se alejan el uno del otro.

Recapitulando, es una cuestión de perspectiva decidir qué es "expansión". La primera evidencia observacional se atribuye a Edwin Hubble.

Sobre el tema del Big Bang, se cree comúnmente que no había espacio-tiempo antes de que ocurriera el Big Bang. No hay dónde ni cuándo, porque no había espaciotiempo. El Big Bang ocurrió y llegó el espaciotiempo.
Por supuesto, hay otras teorías como la del universo cíclico.

Answer 4

Hay dos pruebas observacionales concretas que se pueden relacionar con el transporte de luz/fotones a través del vasto espacio del universo. Estos son sólo ejemplos, no el conjunto de las pruebas.

• Si se acepta el big bang y la producción de una radiación de cuerpo negro de 3000 K unos 300000 años después del big bang, ¿dónde están hoy esos fotones? Si la "explosión se produjera en el espaciotiempo" la forma del espectro seguiría siendo la misma hoy en día, los fotones sólo se diluirían. Si "el espaciotiempo explotara" el espectro se deformaría cambiando la longitud de onda (-> tamaño) de los fotones. La radiación actual del cuerpo negro del CMB de ~2,7 K es exactamente lo que se espera en este caso.

• Piensa en ello: ¿Qué significa que los astrónomos digan "un objeto tiene un desplazamiento al rojo de X"? El corrimiento al rojo se ve en el patrón de bandas de emisión y absorción muy estrechas/precisas de las moléculas y átomos normales, que se encuentran en longitudes de onda muy diferentes (mucho más largas) de las que se observarían en un laboratorio en la Tierra, cuanto más lejos esté un objeto de la Tierra. Si el "big bang fuera una explosión en el espacio tiempo" un fotón nunca cambiaría su longitud de onda, sólo se diluiría o absorbería (intensidad). Sólo que en una "explosión del espaciotiempo" el fotón mismo (longitud de onda) se estiraría, también, mientras se mueve y su longitud de onda se haría más larga, cuanto más tiempo viajara por el espacio. Eso es lo que vemos.

Answer 5

Hay evidencia observacional de la expansión del espacio, llamada redshift : La mayoría de las galaxias se alejan de nosotros y podemos medirlo por la cantidad de desplazamiento hacia el rojo. Hay más detalles aquí . Pero de todos modos, esto es exactamente lo que el autor parece negar como evidencia.

Hubble observó que las galaxias lejanas tenían mayores desplazamientos al rojo y ajustó sus datos de observación con la famosa relación lineal que ahora se conoce como ley de Hubble:

$$z=\frac{H_0}{c}r,$$

donde z es el desplazamiento al rojo, c es la velocidad de la luz, r es la distancia y $H_0$ es la constante de Hubble. El más Cuanto más lejos esté una galaxia, más rápido se aleja de nosotros.

La pregunta es: ¿por qué las galaxias se alejan de nosotros según la ley de Hubble? ¿Cómo interpretamos esta ecuación?

Antes existía la "hipótesis de la luz cansada", que intentaba explicar la relación de Hubble suponiendo que las galaxias no se alejan de nosotros, sino que los fotones simplemente pierden energía al desplazarse por el espacio. Esta idea pasó rápidamente de moda.

Otra hipótesis es que el universo se está expandiendo, que es exactamente lo que contamos como hecho hoy en día.

El punto clave es que las galaxias no sólo se alejan de nosotros, sino que también se alejan unas de otras. Lo sabemos por la Principio cosmológico que afirma que el universo es homogéneo e isótropo. No vivimos en un lugar especial del universo, sino que el universo es prácticamente igual en todas partes. Hay toneladas de pruebas que apoyan el Principio Cosmológico, y la mayor parte de la cosmología establecida se basa en su validez.

Desde el punto de vista filosófico, no sabemos que el universo esté en expansión, como tampoco sabemos que el Principio Cosmológico sea válido. Si se analiza cualquier evidencia científica filosóficamente, nada contaría como evidencia. Sí, las galaxias podrían estar simplemente alejándose unas de otras debido a alguna causa aleatoria, o tal vez debido a Dios, pero la científico La evidencia es clara: el universo es y esto está respaldado tanto por la relatividad general (ecuaciones de Friedmann) como por los datos de observación (desplazamiento al rojo). Lo que vemos es exactamente lo que se espera de un universo que está experimentando una expansión homogénea e isotrópica. Si se rechaza que el universo se esté expandiendo, o que el principio cosmológico sea válido, también se puede rechazar toda la Cosmología.