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¿Cómo puede ser tan grande el diámetro del universo, si nada puede ir más rápido que la luz?

Los siguientes son hechos del modelo cosmológico imperante.

  1. La edad del universo es de unos 13.772 millones de años.

  2. Nada con masa puede superar la velocidad de la luz.

  3. El diámetro del universo observable es de 28,5 gigaparsecs, es decir, 93.000 millones de años luz.

¿Cómo es posible que dos partículas que no superan las 186.000 millas por segundo acaben separadas por más de 27,544 ± años luz? ¿Es posible explicar esta aparente contradicción de una manera que apele a la razón y no requiera un lápiz y un papel?

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pyccki Puntos 413

¿Es posible explicar esta aparente contradicción de un modo que apele a la razón y no requiera lápiz y papel?

Creo que sí, pero requiere un poco de imaginación/visualización (y quizás una explicación mejor de la que yo pueda dar).

¿Cómo es posible que dos partículas que no superan las 186.000 millas por segundo acaben a más de 27,544 años luz de distancia?

Una respuesta corta sería "el espacio se expande, lo que aumenta la distancia entre las partículas, sin que éstas tengan que viajar más rápido que la velocidad de la luz".

Piensa en dos partículas en un universo pequeño (también conocido como el universo primitivo) que se alejan la una de la otra a la velocidad de la luz. Si el universo no se expandiera, en algún momento ( $t$ ) más tarde sólo serían $2ct$ de los demás. En un universo en expansión, ahora estarán separados por una distancia $$ 2d = 2ct + 2v_{space}(t)t $$ donde $2v_{space}(t)$ es la velocidad a la que se expandió la distancia entre ellos. Si a continuación se intenta calcular la velocidad media de una sola partícula $(d/t)$ se obtiene $$ v_{avg} = \frac{d}{t} = c + v_{space}(t) $$ que es mayor que la velocidad de la luz. Crucialmente, la relatividad no se ha roto - las partículas siempre viajaron a $c$ El espacio se amplió.

Una analogía realista/intuitiva es difícil porque este tipo de efectos simplemente no ocurren en nuestra escala cotidiana. Un experimento mental en el que se podría pensar es: Dos coches que viajan a la máxima velocidad, en direcciones opuestas, por una carretera muy larga y recta. ¿Qué ocurre con la distancia entre ellos si la carretera se alarga?

¿o es simplemente el tipo de cosas que uno no entiende a menos que sea un físico?

En absoluto, aunque tener tiempo para pensar en este tipo de cosas y ver las matemáticas ayuda mucho.

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Kevin Zhou Puntos 1670

Como dijo Yashas, la explicación estándar "sin matemáticas" es que el espacio entre las partículas se estira, de modo que la distancia entre las partículas crece más rápido que la velocidad de la luz. Ahora hay que explicar por qué esto no contradice tu afirmación de que "las partículas nunca superan las 186.000 millas por segundo".

El problema es que tenemos que especificar a qué es relativa esta velocidad. En la relatividad especial, se puede calcular la velocidad de cualquier objeto en relación con cualquier otro objeto (por ejemplo, las velocidades de las dos partículas entre sí). Sin embargo, esto sólo es posible porque el espaciotiempo en la relatividad especial es uniforme. Todos los puntos son iguales, por lo que se puede comparar cualquier cosa en dos puntos cualesquiera.

En la relatividad general, el espaciotiempo ya no es homogéneo y, por tanto, es imposible comparar vectores, como las velocidades, en dos puntos diferentes. Se puede decir que una partícula acaba de pasar por delante de ti a cierta velocidad, pero es sin sentido para calcular la velocidad relativa de dos partículas distantes.

Como analogía, supongamos que nos situamos en dos puntos diferentes del ecuador, ambos apuntando al Norte. Si queremos comparar las direcciones a las que apuntamos, tenemos que encontrarnos en el mismo punto. Si nos encontramos en el ecuador, nuestras direcciones coincidirán. Si ambos marchamos hacia el polo norte y comparamos, ¡no coincidirán! Esto sucede porque la superficie de la Tierra es curva. Por idénticas razones, es imposible comparar velocidades distantes en un espaciotiempo curvo. No hay una forma única de hacerlo.

Por ello, el hecho de que la distancia entre ellos crezca más rápido que $c$ no contradice la relatividad. Nada viaja nunca más rápido que $c$ según un observador local.

4voto

Veeru A S Puntos 121

Supongamos que tienes que explicar la verdad sin complicaciones a tu amigo.

En primer lugar, haz una introducción a tu amigo y establece alguna analogía entre los términos de la física y algunos términos más agradables.

"El espacio es como un trozo de tela, un tejido que puede estirarse. Hay algunos poderes divinos, fuerzas que siguen estirando el tejido del espacio (la tela) continuamente. La luz siempre se mueve a lo largo del tejido del espacio como un gusano súper rápido".

Ahora pídele a tu amigo que sea el dios sosteniendo dos esquinas diagonalmente opuestas de una tela y pídele que la estire rápidamente (más rápido que el gusano). Después de estirarla, dile que la luz sigue moviéndose a lo largo de la tela a la velocidad de la luz siendo ajena a toda la magia del estiramiento que ha ocurrido.

Pregúntale si la distancia entre sus dos manos ha aumentado. Pregúntale también qué distancia ha recorrido el gusano durante el proceso...

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