¿Por qué la expansión del espacio afecta a la materia?

Question

Si el propio espacio se expande, ¿por qué iba a tener algún efecto sobre la materia (separa las galaxias lejanas)?

• El espacio es "nada", y si la "nada" se convierte en una "nada" más grande sigue siendo una "nada" que no debe interactuar con la materia de ninguna manera (no tiene masa, energía, etc).

• La gravedad no tiene una distancia límite, por lo que incluso las galaxias más lejanas deberían atraerse entre sí. La fuerza de la gravedad sería muy, muy pequeña, pero seguiría dominando la "nada" de la expansión del espacio.

• Tengamos en cuenta la inercia del Big Bang. La inercia sería la fuerza principal que aleja a las galaxias en comparación con su diminuta gravedad y con la fuerza aún más diminuta, si es que hay alguna, de nuestra "nada" que sigue expandiéndose en el medio. ¿No se desaceleraría la expansión si es impulsada principalmente por la inercia?

Answer 1

• El espacio realmente tiene energía la energía del vacío. Ha sido demostrado por varios experimentos y puede ser explicado por la Mecánica Cuántica. Así que más espacio significa más energía. Aunque probablemente no se pueda utilizar para hacer trabajo, sí que actúa para aumentar la expansión. Consulte el página de wikipedia para más información.

• Aunque las galaxias son masivas, están muy lejos y, por tanto, la aceleración resultante hacia las demás es débil. Si el espacio entre las galaxias se expande a un ritmo más rápido que su atracción mutua, las galaxias se separarán.

  Imagina a un jugador de fútbol americano corriendo desde una zona de anotación hacia la otra tan rápido como pueda. Sin embargo, la distancia entre las zonas de anotación se duplica cada 4 segundos. Las zonas de anotación no se mueven; el espacio entre ellas crece. No hay forma de que el jugador pueda esperar alcanzar su objetivo. En poco tiempo no podría ver el otro extremo.

  Lo que da miedo es que esto no sólo va por el campo sino por todo. El propio jugador se desgarraría a medida que las partes de su cuerpo se alejaran cada vez más. Si el espacio se expandiera lo suficientemente rápido, las fuerzas de atracción que mantienen unidos los agujeros negros o incluso los átomos no serían suficientes. Esto es lo que comúnmente se conoce como el Big Rip.

  Por suerte, la expansión es lo suficientemente lenta como para que sólo las galaxias "lejanas" se alejen unas de otras. Las fuerzas gravitatorias de un sistema solar o de una galaxia son más que suficientes para soportar la expansión. Cuanto mayor sea la escala del sistema, más tendrá que jugar la expansión.

• Cuando hablamos de expansión no estamos hablando de objetos que se alejan debido a sus grandes velocidades contra un fondo estático.

  Lo que describes es como las canicas en una cuadrícula. Las canicas se alejan debido a que sus velocidades relativas a la cuadrícula apuntan en direcciones opuestas.

  En cambio, la expansión es como si la red creciera en escala. Esto afecta a las distancias entre las canicas independientemente de sus velocidades; por eso observamos que todos los objetos lejanos se alejan de nosotros. Si no fuera por la expansión, esperaríamos una distribución más aleatoria. Sólo a escalas más pequeñas, donde la expansión es un factor menos importante, podemos ver objetos que se mueven hacia nosotros, como la galaxia de Andrómeda.

  No nos alejamos en ningún sentido del centro del universo. La idea del Big Bang y de la Inflación es que no sólo todas las cosas, la materia y la energía; sino todas las partes estaban contenidas en el Big Bang.

Answer 2

El espacio es "nada"

No es así. La relatividad general nos dice que el espacio-tiempo es una entidad viva real que responde a lo que hace la materia y la materia responde a la forma en que se curva el espacio-tiempo. O como John Wheeler lo puso: "La materia le dice al Espaciotiempo cómo curvarse, y el Espaciotiempo le dice a la materia cómo moverse". Para una introducción a la relatividad general, puede empezar por esto artículo de wikipedia .

La gravedad no tiene una distancia de corte

Usted está hablando sólo de la gravedad newtoniana clásica. Pero la gravedad no funciona así a gran escala. En las grandes escalas la gravedad es sólo una apariencia causada por el hecho de que el espacio-tiempo está curvado. Si está curvado de una manera determinada, la apariencia es que los objetos se atraen. Así:

Pero a grandes escalas estas deformaciones locales, atractivas, son completamente despreciables. Cuando se tiene en cuenta todo el espacio-tiempo, éste se curva de forma diferente (más sobre esto en la última sección). Y el hecho importante es que el espacio-tiempo se expande (como cuando se sopla en un globo). Como se expande, las distancias entre dos puntos cualesquiera son cada vez mayores y parece que todo se aleja de ti. Así que la gravitación es en realidad una fuerza de repulsión a gran escala (o al menos, puede serlo; véase de nuevo la última sección para una aclaración).

¿No se desaceleraría la expansión?

Hay muchas soluciones de las ecuaciones de Eistein. Algunas de ellas son estacionarias, otras se expanden (ya sea a un ritmo acelerado o desacelerado), otras pasan de la expansión a la retracción. Ahora bien, cuál de estas soluciones es la correcta depende de las condiciones precisas en el momento del big bang (o más exactamente poco después).

Una parte importante de la comprensión teórica actual de la expansión del espacio-tiempo es que la constante cosmológica es distinto de cero y esto es lo que acelera la expansión. El cuadro completo sobre el contenido de materia de nuestro universo y su relación con la expansión del universo se llama Lambda-CDM (Lambda es un alias para la constante cosmológica y CDM es una materia oscura fría, que constituye la mayor parte de la materia del universo). Ahora bien, la constante cosmológica también se llama energía oscura . Pero actualmente no se sabe mucho sobre estas cuestiones y los principales problemas conceptuales de la física teórica y la cosmología modernas tienen que ver con la naturaleza de la constante cosmológica.

Answer 3

De hecho, creo que te han engañado. Normalmente (según mi experiencia) cuando la gente dice que el espacio se expande, lo que quiere decir es que el universo se expande, pero eso sólo significa que los objetos del universo se alejan (o, en el caso de una distribución continua de masa/energía, que la densidad disminuye con el tiempo). Esto es lo que significa el factor de escala cosmológica $a(\tau)$ es: describe el cambio en la distancia entre dos objetos (como las galaxias) cuyo movimiento está sujeto únicamente a las interacciones a gran escala.

$$r(t_1) = \frac{a(t_1)}{a(t_2)}r(t_2)$$

Ahora, porque $a(\tau)$ forma parte de la métrica, que especifica la distorsión (o "curvatura") del espaciotiempo, es fácil pensar que este factor de escala caracterizaría la expansión del propio espacio. Pero creo que es una interpretación errónea, o al menos confusa. En realidad, el factor de escala sólo se refiere a las distancias medibles entre los objetos. Así que, en lugar de intentar averiguar qué significa que el espacio se expanda, basta con pensar en que las cosas se alejan.

Continuando, tienes razón al decir que, si las cosas se comportan como intuitivamente esperamos, la expansión del universo debe se ralentiza debido a la atracción gravitatoria. Pero las mejores observaciones experimentales que conozco demuestran lo contrario: la expansión se está acelerando. A no ser que estés dispuesto a argumentar que los experimentos se realizaron o interpretaron de forma incorrecta, eso significa que debe estar ocurriendo algo no intuitivo.

Todavía se discute mucho sobre qué es exactamente lo que podría estar acelerando la expansión del universo. Sea lo que sea, los cosmólogos la llaman energía oscura (en la época de Einstein la llamaban "constante cosmológica"), pero nadie tiene una explicación satisfactoria de por qué existe esta energía oscura, o cuáles podrían ser sus propiedades, aparte del hecho de que hace que la expansión del universo se acelere. Esta es una de las mayores cuestiones abiertas en la cosmología moderna.