¿Por qué está tan organizado el universo?

Question

Si piensas en el Big Bang y en el flujo de materia en todas direcciones, pensarías, ¿qué tan desorganizado sería este universo? No importa cuánto tiempo tomaría. La idea de que la materia o la mayoría de ella estarán organizadas de manera tan hermosa es inimaginable. Mira este ejemplo.

La Luna orbita alrededor de nuestro planeta de manera perfecta, no una sino millones de sistemas son así. Nuestro planeta circunda al Sol, de nuevo hay millones de ejemplos como este. Nuestra estrella circunda el centro de la galaxia en un camino predefinido. ¡Nuevamente miles de millones de estrellas hacen esto! Ahora, si miras la materia que está organizada (ha encontrado una órbita fija) vs la que no lo está, casi el 90% de la materia está organizada. Tienen trayectorias fijas y un camino estable. De hecho, si quieres mirar la materia que no está desorganizada, encontrarás muy poco (podemos pensar en nuestro propio sistema solar). Ahora no hay una galaxia, sino miles de millones de ellas, todas ellas con forma similar, como elípticas o espirales, que tienen estrellas. Fuera de esta galaxia, hay algunas estrellas o tal vez una supernova en algún lugar.

¿Por qué y cómo está tan organizado nuestro universo?

¿Es la ley increíblemente simple, ya que la ley se ha repetido miles de millones de veces en cada galaxia, o es el resultado de algún fenómeno del cual los detalles aún no se conocen?

Answer 1

En cierta medida, el universo exhibe algo llamado crítica autoorganizada donde un sistema dinámico y no lineal con muchos grados de libertad (el gas después del Big Bang pero antes de la formación de estructuras) eventualmente forma un sistema con un notable grado de invariancia de escala (lunas orbitando planetas, planetas orbitando estrellas, estrellas orbitando centros galácticos, etc.)

Creo que otro aspecto clave de esta cuestión es ¿qué quieres decir con "organizado"? Según algunas definiciones, la galaxia apenas está organizada. Tienes estrellas aquí y allá, planetas dispersos al azar (tanto dentro como fuera de sistemas solares), tienes nebulosas aleatorias y galaxias enanas alrededor. Hay tanto grandes vacíos como extrañas estructuras de paredes.

Otra pregunta es, ¿qué tipo de universo concebible se consideraría desorganizado? ¿Quizás estrellas explotando con frecuencia, muchas colisiones galácticas todo el tiempo, etc.? Bueno, la razón por la que no experimentamos eso es simplemente debido a la escala de tiempo. Si viviéramos mil millones de años y nuestro año percibido actual pareciera un segundo, entonces eso es efectivamente lo que veríamos. Todo sería bastante caótico y cambiaría rápidamente.

Answer 2

Hay dos elementos por los cuales el universo parece ser tan ordenado: las leyes físicas que gobiernan el universo son las mismas en todas partes, y los objetos astronómicos están muy, muy, muy lejos unos de otros.

Considera dos objetos, uno mucho más grande que el otro, y ambos muy lejos de cualquier otra cosa. Debido a la gravedad (que funciona de la misma manera en todas partes), el más pequeño se moverá en una elipse alrededor del más grande, o pasará volando siguiendo una trayectoria hiperbólica, y desaparecerá en la distancia. La posición exacta de inicio y la velocidad afectarán solo los detalles de la elipse o la hiperbola, pero cualquier conjunto de condiciones iniciales resultará en una de esas dos.

Ahora considera el sistema solar. Si tomas algo (mucho más pequeño que el sol) y lo pegas en algún lugar al azar en el sistema solar y le das una velocidad aleatoria, es muy probable que siga una trayectoria hiperbólica o una órbita elíptica, porque todo lo demás está tan separado que es poco probable que se acerque lo suficiente a cualquier otra cosa para que importe mucho: la situación probablemente sea casi como en el escenario de los dos objetos mencionado anteriormente, y la ruta resultante para el objeto probablemente sea casi la misma que habría sido en ese escenario.

Por supuesto, lo "muy probablemente" y "casi" aquí son importantes. Hay muchas excepciones donde los objetos pasan cerca de otros objetos que no sean el sol, y es necesario tener en cuenta la gravedad de Júpiter y otros planetas para calcular las trayectorias con alta precisión.

Si observas objetos donde no hay atmósfera presente para desgastar la evidencia (por ejemplo, la luna, Marte), ves muchas evidencias de que ha habido muchas colisiones, y por supuesto, estas colisiones aún están ocurriendo (por ejemplo, Schumacher-Levy 9).

En sistemas que no son tan simples, como cúmulos estelares o nuestra galaxia, la situación es más compleja. La razón principal por la que las galaxias y los cúmulos estelares parecen tan ordenados es que las distancias entre las estrellas son tan vastas que, incluso cuando las estrellas se mueven muy rápido, el cambio que vemos en su patrón general a lo largo de la vida de un humano es muy ligero.

Incluso a lo largo de escalas de tiempo más largas, la densidad es lo suficientemente pequeña que hay pocas colisiones o incluso interacciones cercanas (ver el libro de Binney & Tremaine, Galactic Dynamics, pp. 187-190). En cambio, las estrellas siguen un potencial debido a la gravedad colectiva de toda la materia en la galaxia. En un sistema aproximadamente esférico, esto podría resultar en órbitas aproximadamente elípticas, pero también podría resultar en trayectorias como de roseta (no cerradas) (ver Binney & Tremaine pp103-110). En un sistema donde la mayoría de las interacciones son gravitacionales, las asimetrías en la distribución de estrellas distantes son tan importantes como las estrellas cercanas. (Aunque la gravedad de una masa cercana disminuye al cuadrado de la distancia, la cantidad de materia a una distancia dada aumenta al cuadrado de la distancia.)

Las órbitas específicas de las estrellas dentro de estos potenciales no son particularmente ordenadas. Se puede ver esto si se compara la suavidad en la distribución de estrellas jóvenes con las de las viejas. Las estrellas jóvenes tienden a formarse en grupos ("regiones de formación estelar", lugares donde hay una nube de gas bajo las condiciones adecuadas para la formación de estrellas, por ejemplo, , IC 5146), por lo que las galaxias con muchas estrellas jóvenes tienden a tener estructura visible (a veces desordenada como en I Zw 18 y NGC 4214, a veces no, como en NGC 5248) cuyos detalles dependen de la dinámica del gas en la galaxia. Con el tiempo, solo los grupos de estrellas más densos permanecen juntos (debido a su gravedad mutua); de lo contrario, la variedad de trayectorias tomadas por diferentes estrellas de la misma región de formación estelar se dispersará con el tiempo. Las galaxias con principalmente estrellas muy viejas, como M 87, tienden a ser principalmente muy lisas, con una población de agrupaciones muy densas (cúmulos globulares) que se ven en nuestras imágenes como fuentes puntuales porque están tan lejos. (Los cúmulos globulares en nuestra propia galaxia pueden resolverse, espectacularmente, en estrellas individuales; ver, por ejemplo, M 13 y M 3.)

Curiosamente, la aleatoriedad subyacente (desorden) en las trayectorias de las estrellas da lugar a interesantes instancias de orden aparente. Así como los movimientos aleatorios de las moléculas en un gas nos permiten usar leyes estadísticas para hacer descripciones precisas del comportamiento del gas, las trayectorias aleatorias de las estrellas en cúmulos globulares resultan en una uniformidad sorprendente en su apariencia. Ver este trabajo de Madsen. (Los cúmulos globulares son lo suficientemente antiguos y compactos como para que las interacciones entre estrellas individuales realmente sean importantes; ver Binney & Tremaine p190).

En escalas aún más grandes, las interacciones dramáticas entre galaxias son bastante comunes. NGC 3227 es un buen ejemplo; se puede ver más aquí. En el caso de galaxias más pequeñas fusionándose con la Vía Láctea, podemos ver las diferentes trayectorias de las estrellas individuales de la galaxia más pequeña dispersándolas más suavemente sobre nuestra galaxia. Varias de estas parecen estar sucediendo al mismo tiempo en el "Campo de arroyos".

Answer 3

La belleza está en el ojo del que mira. Lo mismo ocurre con el orden.

Lo que para ti es un mecanismo gigantesco y ordenado, para mí puede ser un horrible desorden entópico. Y ambos tendríamos razón.

Answer 4

Una gran parte de la aparente organización del Universo se relaciona con la naturaleza jerárquica y en su mayor parte atractiva de las cuatro fuerzas fundamentales. La adecuadamente nombrada Fuerza Fuerte domina otras influencias, por lo que los quarks están mayormente unidos en bariones, que son neutrales con respecto a la carga de Color. La Fuerza Fuerte también se asegura de que los bariones, al ser golpeados juntos, tienden a pegarse entre sí en racimos, formando núcleos atómicos.

La fuerza débil principalmente se hace notar con eventos ocasionales como la radiactividad. La fuerza electromagnética luego atrae electrones a los núcleos atómicos, formando átomos. También hace que los átomos tiendan a pegarse entre sí, en moléculas, y que las moléculas se peguen entre sí en cristales. Finalmente, la gravedad domina una vez que las estructuras son eléctricamente neutrales, y es estrictamente atractiva, excepto posiblemente a escala cosmológica, pero la expansión cósmica aún no está bien comprendida de todos modos.

Answer 5

Diría que el universo parece organizado debido a tres cosas:

1. La primera ley de movimiento de Newton
2. Gravedad
3. Tiempo

Por tus comentarios en otros posts, te maravillas de las líneas rectas y órbitas, como fractales, que aparecen en todas las escalas (las lunas orbitando planetas orbitando estrellas orbitando galaxias orbitando cúmulos). Esto se debe al hecho de que todos los objetos se mueven en línea recta a menos que sean afectados por una fuerza externa. En escalas astronómicas, esa fuerza es casi siempre la gravedad, y ocasionalmente la colisión física. La primera fuerza atrae objetos hacia órbitas o los expulsa lejos unos de otros, y ocasionalmente los cuerpos colisionan para formar un solo cuerpo más grande que ahora puede ser aún más efectivo gravitacionalmente.

Por supuesto, estoy ignorando los fenómenos cuánticos, químicos, nucleares y magnéticos aquí porque estoy tratando de dar una imagen general. Pero si intentas imaginar un universo desorganizado, ¿cómo lo describirías? Cualquier descripción que se me ocurra, considerando los dos primeros elementos que mencioné anteriormente, se convertirá en un universo organizado bastante similar al nuestro dado suficiente del tercero.