¿Qué significa realmente el concepto de un "universo infinito"?

Question

Cuando los físicos hablan sobre el universo siendo infinito, o preguntándose si lo es o no, ¿qué significan realmente estas dos opciones? No me interesa si el universo es infinito o no, me interesa cómo se ven realmente estas dos opciones.

¿Significa un "universo infinito" espacio infinito, pero al ir lo suficientemente lejos ya no hay materia, solo más espacio vacío infinito en esa dirección? ¿O significa un "universo infinito" materia infinita, donde no importa cuán lejos vayas, encontrarás estrellas infinitas a lo largo del camino?

En resumen, ¿la "infinitud" se aplica al espacio o a la materia (que entonces también incluiría el espacio, por supuesto)?

Answer 1

Generalmente, cuando los físicos hablan de que el universo es finito, están hablando de la existencia de un límite superior $R$ en la distancia entre dos puntos en el espacio. Este límite superior podría surgir de varias maneras - tal vez el universo tenga un borde - un límite que no se puede cruzar - o tal vez el universo tenga la topología de una 3-esfera, y así si alguien viaja lo suficientemente lejos en cualquier dirección eventualmente regresaría a su punto de partida. Un universo espacialmente infinito es aquel que no tiene esta característica - dado cualquier número real $M$, existen dos puntos en el universo que están separados por una distancia mayor que $M$.

Un universo finito, por supuesto, probablemente solo pueda albergar una cantidad finita de materia. Un universo infinito podría en principio albergar tanto una cantidad finita como infinita de materia. La cosmología convencional generalmente asume el principio cosmológico, que establece que en escalas suficientemente grandes la distribución de materia en el universo es homogénea; en tales casos, un universo infinito tendría una cantidad infinita de materia en él, pero por supuesto este principio podría no ser preciso.

Answer 2

Cuando los cosmólogos hablan de un universo Friedmann infinito, quieren decir uno con volumen espacial infinito, densidad de materia finita y uniforme (promediada en escalas cosmológicas) y, por lo tanto, materia infinita. Habría galaxias hasta donde desees ir, incluso si pudieras ir más allá de lo que llamamos el "horizonte cosmológico".

Answer 3

Tal vez sea mejor mencionar las tres principales posibilidades de "formas universales" que existen hoy en día.

Permítanme empezar diciendo que los cosmólogos describen el universo como un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones que puede existir en una variedad de formas siempre y cuando la forma se ajuste a las ecuaciones de campo de la teoría general de la relatividad de Einstein.

Espacio-tiempo en forma de avispón.
Y permítanme comenzar con un universo de forma muy extraña. El espacio-tiempo en forma de embudo. Mira aquí o aquí. Este es un universo en forma de avispón (avispón=curvado). Es decir si observamos dos dimensiones espaciales porque obviamente no podemos ver un espacio tridimensional curvado. Este universo supuestamente explica observaciones realizadas sobre el universo. Este es un universo finito. Aquí hay una imagen (nota que los puntos del espacio donde la nave dobla hacia el interior son problemáticos):

Un espacio-tiempo esférico.
La forma más simple y común. Este es el "universo globo", debido a que la parte espacial bidimensional se puede ver como una forma de globo, que puede considerarse una forma curva de un espacio bidimensional.
Este universo puede ser finito o infinito en extensión espacial. Y estos espacios-tiempo pueden tener curvatura cero, negativa o positiva.
La curvatura cero corresponde a un espacio-tiempo que continuará expandiéndose para siempre y esta expansión se detendrá "después" de un tiempo infinito, mientras su tamaño es infinito. El globo dejará de expandirse en el infinito y tendrá un tamaño infinito.
La curvatura positiva representa un universo que se expande y después de un tiempo finito, esta expansión se detendrá. Este universo obviamente tiene un tamaño finito. El globo crecerá en tamaño y se contraerá después de algún tiempo (los espacios-tiempo generalmente no pueden permanecer inmóviles).
La curvatura negativa representa un espacio-tiempo que se expandirá a un ritmo cada vez mayor. El globo comienza a expandirse y crecerá en tamaño más y más rápido. Parece como si nuestro propio universo estuviera (en estos días) creciendo con esta última característica.
En nuestro universo, la inflación se ha asignado a un espacio-tiempo de globo recién formado. Inicialmente, el universo se expandió a una tasa increíble y básicamente, todo el universo se formó durante la inflación. Desde el final de la inflación, el universo solo ha crecido "solo" tres veces más grande que al principio. Así que lo que vemos hoy es solo una fracción muy pequeña del todo. Detrás del horizonte hay un espacio vasto.
Los tres universos también se conocen como planos, cerrados o abiertos:

El universo en forma de toro.
En 1984 se propuso este modelo como el [modelo de tres toros]. 5 Este universo tiene una equivalencia de espacio bidimensional de un toro. Tiene curvatura positiva así como negativa y puede ser finito o infinito (el tamaño infinito se alcanzará después de un tiempo infinito).

Se pueden inventar más formas, por supuesto, pero tienen que pasar las pruebas de observación. Aunque personalmente no tengo constancia de que exista otra forma que las tres mencionadas.

En general se acepta (es decir, por la mayoría de los cosmólogos) que nuestro universo tiene una topología similar a la de un globo. La cantidad de materia en estos universos puede ser finita o infinita. En universos cerrados, la cantidad de materia será finita mientras que esta cantidad es infinita en universos (asintóticamente) planos o abiertos.

¿Qué pasa con el tiempo? ¿Es el espacio-tiempo eterno? Eso depende, por supuesto, de si había algo antes del big bang (cuando los espacios-tiempo comenzaron a evolucionar en tamaños muy pequeños). Por ejemplo, según Smolin, había un universo en contracción presente antes del big bang (de la misma manera, propone que al entrar en un agujero negro habrá una salida a otro espacio-tiempo, donde hay un agujero blanco presente que expulsa todo lo que ha caído desde nuestro propio espacio-tiempo). Aunque generalmente se afirma que el espacio-tiempo tuvo un comienzo en el tiempo y dependiendo de cuánta materia hay en él y de la velocidad de expansión, el universo estará allí para siempre o no. Se piensa (basado en observaciones) que nuestro universo es casi plano y se expandirá para siempre.

Entonces, ¿qué significa el concepto de un universo infinito? En el contexto de los espacios-tiempos eso puede estar claro ahora: un universo es infinito si el espacio-tiempo tiene una extensión infinita. El espacio infinito va de la mano con el tiempo infinito. La cantidad de materia contenida en estos universos puede ser finita o infinita.

Answer 4

Cuando preguntas sobre un aspecto del universo como lo hablan la mayoría de los cosmólogos, necesitas tener en cuenta las suposiciones generales comunes sobre el universo. Una de las suposiciones más comunes es que el universo es aproximadamente el mismo en todas partes tomando un promedio de cosas como la densidad de materia promedio o la densidad de radiación en un volumen suficientemente grande. Esto se llama homogeneidad. Una segunda suposición es que el universo se ve igual con respecto a una escala lo suficientemente grande en todas las direcciones. Esto se llama isotropía. Con la suposición de homogeneidad, se espera que un universo infinito tenga en un volumen suficientemente grande la misma materia y dinámica en todas partes, al igual que lo hace un universo finito. Diferentes modelos de universo homogéneos tienen diferentes condiciones en diferentes momentos. Es un poco complicado decidir cómo determinar qué significa que dos volúmenes diferentes en el universo estén al mismo tiempo. La forma más simple de pensarlo es que si tienen las mismas densidades, entonces están al mismo tiempo. Algunas de las otras respuestas hablan sobre formas bastante extrañas, como un hiper-toro. Hasta ahora nunca he podido ubicar una descripción de cómo puede ser un toro homogéneo e isotrópico.

Answer 5

No tiene mucho sentido hablar sobre escala / distancia espacial sin referirse a algunos objetos dentro del espacio. ¿Alguna vez has usado una regla para medir la distancia entre dos puntos en el espacio vacío? Esto responde en gran medida a tu pregunta.