14 DE OCTUBRE DE 2017 @ 10:00 AM
Preguntale a Ethan: ¿Es ell universo finito o infinito?
Si miras más y más lejos, también miras más y más hacia el pasado. Cuanto antes vayas, más caliente y denso, así como menos evolucionado, el Universo resulta ser. La parte que podemos ver es limitada y finita. ¿Pero qué hay más allá? Crédito de imagen: NASA / STScI / A. Feild (STScI)
Por Ethan Siegel, para Forbes Octubre 14 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel colaborador en Forbes son propias.
Hace 13,8 mil millones de años, lo que conocemos como nuestro Universo comenzó con el Hot Big Bang. Se ha estado expandiendo y enfriando desde entonces, desde entonces e incluyendo el momento presente. Desde nuestro punto de vista, podemos mirar hacia atrás unos 46 mil millones de años luz en todas direcciones, gracias a la velocidad de la luz y la expansión del espacio. Aunque esa es una gran distancia, no es infinitamente grande. Pero eso es simplemente lo que podemos ver. ¿Qué hay más allá de eso y podría ser eso infinito? Eso es lo que Buck quiere saber, mientras pregunta:
Es cierto que no sabemos si es finito o infinito, pero sabemos mucho más de lo que vemos dentro de la parte que nos es observable.
Mirar a más y más objetos distantes en el Universo nos los revela como estaban más atrás en el tiempo, yendo hasta el final antes de que hubiera átomos, hasta llegar al Big Bang. Crédito de imagen: NASA, ESA y A. Feild (STScI)
Al mirar hacia mayores distancias, también terminamos mirando hacia atrás en el tiempo. La galaxia más cercana, a unos 2,5 millones de años luz de distancia, nos parece que fue hace 2,5 millones de años, porque la luz requiere este tiempo para viajar hasta nuestros ojos desde cuando fue emitida. Las galaxias más distantes aparecen como decenas de millones, cientos de millones o incluso miles de millones de años atrás. Cuando miramos cada vez más lejos en el espacio, la luz que vemos desde el Universo proviene de sus días cada vez más jóvenes. Entonces, ¿por qué no regresar hasta el principio: a la luz que se emitió hace 13.800 millones de años? No solo hemos mirado, sino que lo hemos encontrado:
Solo unos pocos cientos de μK separan las regiones más calientes de las más frías, pero la forma en que las fluctuaciones se correlacionan en escala y magnitud codifica una gran cantidad de información sobre el Universo temprano. Crédito de imagen: ESA y la Colaboración Planck
Lo que encontramos es que el Universo era casi perfectamente uniforme en ese entonces, pero algunas regiones eran más o menos densas que el promedio, por solo en 1 parte en 30,000. Eso es suficiente para crecer en las estrellas, las galaxias, los cúmulos de galaxias y los vacíos cósmicos que vemos hoy. Pero estas primeras imperfecciones que vemos en esta instantánea cósmica codifican una cantidad increíble de información sobre el Universo. Una de esas piezas de información es un hecho sorprendente: la curvatura del espacio, como mejor podemos decir, es completamente plana. Si el espacio estuviera curvado positivamente, como si viviéramos en la superficie de una esfera 4D, los rayos de luz lejanos convergerían. Si el espacio estuviera curvado negativamente, como la superficie de un sillín 4D, los rayos de luz lejanos divergirían. En cambio, los rayos de luz lejanos se mueven en su dirección original, con las fluctuaciones que tenemos indicando una planitud perfecta.
Las magnitudes de los puntos calientes y fríos, así como sus escamas, indican la curvatura del Universo. En la medida de nuestras capacidades, lo medimos para que sea perfectamente plano. Crédito de la imagen: Smoot Cosmology Group / LBL
A partir de las restricciones que surgen tanto del fondo de microondas cósmico como de la estructura a gran escala del Universo combinadas, podemos concluir que si el Universo es finito y se recuenta sobre sí mismo, debe ser al menos 250 veces el alcance de la parte que observar. Debido a que vivimos en tres dimensiones, 250 veces el radio significa (250) 3 veces el volumen, o más de 15 millones de veces más espacio. Pero, grande como es eso, todavía no es infinito. Un límite inferior del Universo de al menos 11 billones de años luz en todas las direcciones es tremendo, pero aún es finito.
El Universo observable podría ser 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista, pero ciertamente hay más Universo inobservable como el nuestro más allá. Crédito de la imagen: usuarios de Wikimedia Commons Frédéric MICHEL y Azcolvin429, anotados por E. Siegel
Sin embargo, hay razones para creer que nuestro Universo es incluso más grande que eso. El Big Bang podría marcar el comienzo del Universo observable tal como lo conocemos, pero no marca el nacimiento del espacio y el tiempo en sí mismo. Antes del Big Bang, el Universo sufrió un período de inflación cósmica. En lugar de estar lleno de materia y radiación, y en lugar de estar caliente, el Universo era:
La inflación hace que el espacio se expanda exponencialmente, lo que puede provocar rápidamente que cualquier espacio curvado preexistente parezca plano. Crédito de la imagen: E. Siegel (L); El tutorial de cosmología de Ned Wright (R)
Es cierto que en nuestra región del Universo, la inflación llegó a su fin. Pero hay tres preguntas que no sabemos la respuesta que tienen una tremenda influencia en lo grande que es realmente el Universo, y si es infinito o no.
La inflación creó el Big Bang y dio origen al Universo observable al que tenemos acceso, pero solo podemos medir la última fracción diminuta de un segundo de impacto de la inflación en nuestro Universo. Crédito de imagen: E. Siegel, con imágenes derivadas de ESA / Planck y la fuerza de trabajo interagencial DoE / NASA / NSF en investigación del CMB
1.) ¿Qué tan grande fue la región del Universo, después de la inflación, que creó nuestro caliente Big Bang? Mirando nuestro Universo hoy en día, en lo uniformes que son las sobras del Big Bang, en lo plano que es el Universo, en las fluctuaciones que se extienden por todo el Universo en todas las escalas, etc., podemos aprender bastante. Podemos aprender el límite superior de la escala de energía en la que ocurrió la inflación; podemos aprender cuánto debe haber inflado el Universo; podemos aprender un límite inferior de cuánto tiempo debe haberse prolongado la inflación.
¡Pero el bolsillo del Universo inflado que nos dio origen podría ser mucho más grande que el límite inferior! Podrían ser cientos, o millones, o googols de tiempos más grandes de lo que podemos observar ... o incluso verdaderamente infinitos. Pero sin poder observar más del Universo de lo que actualmente podemos acceder, no tenemos suficiente información para decidir.
Si la inflación es un campo cuántico, entonces el valor del campo se extiende a lo largo del tiempo, con diferentes regiones del espacio tomando diferentes realizaciones del valor del campo. En muchas regiones, el valor del campo terminará en el fondo del valle, terminando la inflación, pero en muchos más, la inflación continuará, arbitrariamente en el futuro. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
2.) ¿Es correcta la idea de "inflación eterna"? Si considera que la inflación debe ser un campo cuántico, entonces, en cualquier punto dado durante esa fase de expansión exponencial, hay una probabilidad de que la inflación termine, dando como resultado un Big Bang y una probabilidad de que la inflación continúe, creando más y más espacio . Estos son cálculos que sabemos hacer (dados ciertos supuestos), y conducen a una conclusión inevitable: si quieres que ocurra la inflación suficiente para producir el Universo que vemos, entonces la inflación siempre creará más espacio que continuará inflando en comparación con el Regiones que terminan y producen Big Bangs.
Si bien nuestro Universo observable puede provenir de la inflación que termina en nuestra región del espacio hace unos 13.800 millones de años, existen regiones donde la inflación continúa, creando más y más espacio y dando lugar a más Big Bang, continuando hasta nuestros días. Esta idea se conoce como inflación eterna, y generalmente es aceptada por la comunidad de física teórica. Entonces, ¿cuán grande es todo el Universo no observable?
Dondequiera que ocurra la inflación (cubos azules), da lugar a exponencialmente más regiones de espacio con cada paso adelante en el tiempo. Incluso si hay muchos cubos donde termina la inflación (X rojas), hay muchas más regiones donde la inflación continuará en el futuro. El hecho de que esto nunca llega a su fin es lo que hace que la inflación sea "eterna" una vez que comienza. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond the Galaxy
3.) Y, finalmente, ¿cuánto tiempo duró la inflación antes de su final y el resultante Big Bang? Solo podemos ver el Universo observable creado por el final de la inflación y nuestro caliente Big Bang. Sabemos que la inflación debe haber ocurrido por al menos unos ~ 10-32 segundos aproximadamente, pero probablemente duró más. ¿Pero cuánto tiempo más? Por segundos ¿Años? Miles de millones de años ¿O incluso una cantidad de tiempo arbitraria e infinita? ¿El Universo siempre ha estado inflando? ¿La inflación tuvo un comienzo? ¿Surgió de un estado anterior que estaba alrededor eternamente? O, tal vez, ¿todo el espacio y el tiempo surgieron de la nada hace un tiempo finito? Estas son todas posibilidades, y sin embargo, la respuesta no es comprobable y elusiva en este momento.
Un gran número de regiones separadas donde se producen Big Bangs están separadas por el espacio inflado continuamente en la inflación eterna. Pero no tenemos idea de cómo probar, medir o acceder a lo que hay más allá de nuestro Universo observable. Crédito de la imagen: Ozytive - dominio público
De nuestras mejores observaciones, sabemos que el Universo es mucho más grande que la parte que podemos observar. Más allá de lo que podemos ver, sospechamos fuertemente que hay mucho más Universo por ahí como el nuestro, con las mismas leyes de la física, los mismos tipos de estructuras físicas, cósmicas y las mismas posibilidades de vida compleja. También debería haber un tamaño y escala finita para la "burbuja" en la que terminó la inflación, y un número exponencialmente enorme de tales burbujas contenidas dentro del espaciotiempo inflado más grande. Pero tan inconcebiblemente grande como ese Universo entero, o Multiverso, si lo prefiere, puede ser, puede que no sea infinito. De hecho, a menos que la inflación continuara durante un tiempo realmente infinito, o el Universo naciera infinitamente grande, el Universo debería ser de una extensión finita.
Tan vasto como es nuestro Universo observable es y todo lo que podemos ver, es solo una pequeña fracción de lo que debe existir. Crédito de imagen: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen y M. Mechtley (ASU), R. O'Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), y H. Yan (tOSU)
El mayor problema de todos, sin embargo? Es que no tenemos suficiente información para responder definitivamente la pregunta. Solo sabemos cómo acceder a la información disponible dentro de nuestro Universo observable: esos 46 mil millones de años luz en todas las direcciones. La respuesta a la mayor de todas las preguntas, sobre si el Universo es finito o infinito, podría codificarse en el Universo mismo, pero no podemos acceder lo suficiente para saberlo. Hasta que lo solucionemos, o creamos un esquema inteligente para expandir lo que sabemos que la física es capaz de hacer, todo lo que tendremos son las posibilidades.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y principal escritor de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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Preguntale a Ethan: ¿Es ell universo finito o infinito?
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El Universo está ahí afuera, esperando que lo descubras.
Si miras más y más lejos, también miras más y más hacia el pasado. Cuanto antes vayas, más caliente y denso, así como menos evolucionado, el Universo resulta ser. La parte que podemos ver es limitada y finita. ¿Pero qué hay más allá? Crédito de imagen: NASA / STScI / A. Feild (STScI)
Por Ethan Siegel, para Forbes Octubre 14 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel colaborador en Forbes son propias.
Hace 13,8 mil millones de años, lo que conocemos como nuestro Universo comenzó con el Hot Big Bang. Se ha estado expandiendo y enfriando desde entonces, desde entonces e incluyendo el momento presente. Desde nuestro punto de vista, podemos mirar hacia atrás unos 46 mil millones de años luz en todas direcciones, gracias a la velocidad de la luz y la expansión del espacio. Aunque esa es una gran distancia, no es infinitamente grande. Pero eso es simplemente lo que podemos ver. ¿Qué hay más allá de eso y podría ser eso infinito? Eso es lo que Buck quiere saber, mientras pregunta:
Lo que me gustaría ver discutió si el universo es finito o infinito, y por qué podría serlo. He visto una discusión limitada de (Sean Carroll) y (Lisa) Randall en el sentido de que podría serlo. Simplemente no lo sabemos.
Es cierto que no sabemos si es finito o infinito, pero sabemos mucho más de lo que vemos dentro de la parte que nos es observable.
Mirar a más y más objetos distantes en el Universo nos los revela como estaban más atrás en el tiempo, yendo hasta el final antes de que hubiera átomos, hasta llegar al Big Bang. Crédito de imagen: NASA, ESA y A. Feild (STScI)
Al mirar hacia mayores distancias, también terminamos mirando hacia atrás en el tiempo. La galaxia más cercana, a unos 2,5 millones de años luz de distancia, nos parece que fue hace 2,5 millones de años, porque la luz requiere este tiempo para viajar hasta nuestros ojos desde cuando fue emitida. Las galaxias más distantes aparecen como decenas de millones, cientos de millones o incluso miles de millones de años atrás. Cuando miramos cada vez más lejos en el espacio, la luz que vemos desde el Universo proviene de sus días cada vez más jóvenes. Entonces, ¿por qué no regresar hasta el principio: a la luz que se emitió hace 13.800 millones de años? No solo hemos mirado, sino que lo hemos encontrado:
Solo unos pocos cientos de μK separan las regiones más calientes de las más frías, pero la forma en que las fluctuaciones se correlacionan en escala y magnitud codifica una gran cantidad de información sobre el Universo temprano. Crédito de imagen: ESA y la Colaboración Planck
Lo que encontramos es que el Universo era casi perfectamente uniforme en ese entonces, pero algunas regiones eran más o menos densas que el promedio, por solo en 1 parte en 30,000. Eso es suficiente para crecer en las estrellas, las galaxias, los cúmulos de galaxias y los vacíos cósmicos que vemos hoy. Pero estas primeras imperfecciones que vemos en esta instantánea cósmica codifican una cantidad increíble de información sobre el Universo. Una de esas piezas de información es un hecho sorprendente: la curvatura del espacio, como mejor podemos decir, es completamente plana. Si el espacio estuviera curvado positivamente, como si viviéramos en la superficie de una esfera 4D, los rayos de luz lejanos convergerían. Si el espacio estuviera curvado negativamente, como la superficie de un sillín 4D, los rayos de luz lejanos divergirían. En cambio, los rayos de luz lejanos se mueven en su dirección original, con las fluctuaciones que tenemos indicando una planitud perfecta.
Las magnitudes de los puntos calientes y fríos, así como sus escamas, indican la curvatura del Universo. En la medida de nuestras capacidades, lo medimos para que sea perfectamente plano. Crédito de la imagen: Smoot Cosmology Group / LBL
A partir de las restricciones que surgen tanto del fondo de microondas cósmico como de la estructura a gran escala del Universo combinadas, podemos concluir que si el Universo es finito y se recuenta sobre sí mismo, debe ser al menos 250 veces el alcance de la parte que observar. Debido a que vivimos en tres dimensiones, 250 veces el radio significa (250) 3 veces el volumen, o más de 15 millones de veces más espacio. Pero, grande como es eso, todavía no es infinito. Un límite inferior del Universo de al menos 11 billones de años luz en todas las direcciones es tremendo, pero aún es finito.
El Universo observable podría ser 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista, pero ciertamente hay más Universo inobservable como el nuestro más allá. Crédito de la imagen: usuarios de Wikimedia Commons Frédéric MICHEL y Azcolvin429, anotados por E. Siegel
Sin embargo, hay razones para creer que nuestro Universo es incluso más grande que eso. El Big Bang podría marcar el comienzo del Universo observable tal como lo conocemos, pero no marca el nacimiento del espacio y el tiempo en sí mismo. Antes del Big Bang, el Universo sufrió un período de inflación cósmica. En lugar de estar lleno de materia y radiación, y en lugar de estar caliente, el Universo era:
- lleno de energía inherente al espacio mismo,
- expandiéndose a una tasa exponencial constante,
- y crear un espacio nuevo tan rápido que la escala de longitud física más pequeña, la longitud de Planck, se estiraría al tamaño del Universo actualmente observable cada 10-32 segundos.
La inflación hace que el espacio se expanda exponencialmente, lo que puede provocar rápidamente que cualquier espacio curvado preexistente parezca plano. Crédito de la imagen: E. Siegel (L); El tutorial de cosmología de Ned Wright (R)
Es cierto que en nuestra región del Universo, la inflación llegó a su fin. Pero hay tres preguntas que no sabemos la respuesta que tienen una tremenda influencia en lo grande que es realmente el Universo, y si es infinito o no.
La inflación creó el Big Bang y dio origen al Universo observable al que tenemos acceso, pero solo podemos medir la última fracción diminuta de un segundo de impacto de la inflación en nuestro Universo. Crédito de imagen: E. Siegel, con imágenes derivadas de ESA / Planck y la fuerza de trabajo interagencial DoE / NASA / NSF en investigación del CMB
1.) ¿Qué tan grande fue la región del Universo, después de la inflación, que creó nuestro caliente Big Bang? Mirando nuestro Universo hoy en día, en lo uniformes que son las sobras del Big Bang, en lo plano que es el Universo, en las fluctuaciones que se extienden por todo el Universo en todas las escalas, etc., podemos aprender bastante. Podemos aprender el límite superior de la escala de energía en la que ocurrió la inflación; podemos aprender cuánto debe haber inflado el Universo; podemos aprender un límite inferior de cuánto tiempo debe haberse prolongado la inflación.
¡Pero el bolsillo del Universo inflado que nos dio origen podría ser mucho más grande que el límite inferior! Podrían ser cientos, o millones, o googols de tiempos más grandes de lo que podemos observar ... o incluso verdaderamente infinitos. Pero sin poder observar más del Universo de lo que actualmente podemos acceder, no tenemos suficiente información para decidir.
Si la inflación es un campo cuántico, entonces el valor del campo se extiende a lo largo del tiempo, con diferentes regiones del espacio tomando diferentes realizaciones del valor del campo. En muchas regiones, el valor del campo terminará en el fondo del valle, terminando la inflación, pero en muchos más, la inflación continuará, arbitrariamente en el futuro. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
2.) ¿Es correcta la idea de "inflación eterna"? Si considera que la inflación debe ser un campo cuántico, entonces, en cualquier punto dado durante esa fase de expansión exponencial, hay una probabilidad de que la inflación termine, dando como resultado un Big Bang y una probabilidad de que la inflación continúe, creando más y más espacio . Estos son cálculos que sabemos hacer (dados ciertos supuestos), y conducen a una conclusión inevitable: si quieres que ocurra la inflación suficiente para producir el Universo que vemos, entonces la inflación siempre creará más espacio que continuará inflando en comparación con el Regiones que terminan y producen Big Bangs.
Si bien nuestro Universo observable puede provenir de la inflación que termina en nuestra región del espacio hace unos 13.800 millones de años, existen regiones donde la inflación continúa, creando más y más espacio y dando lugar a más Big Bang, continuando hasta nuestros días. Esta idea se conoce como inflación eterna, y generalmente es aceptada por la comunidad de física teórica. Entonces, ¿cuán grande es todo el Universo no observable?
Dondequiera que ocurra la inflación (cubos azules), da lugar a exponencialmente más regiones de espacio con cada paso adelante en el tiempo. Incluso si hay muchos cubos donde termina la inflación (X rojas), hay muchas más regiones donde la inflación continuará en el futuro. El hecho de que esto nunca llega a su fin es lo que hace que la inflación sea "eterna" una vez que comienza. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond the Galaxy
3.) Y, finalmente, ¿cuánto tiempo duró la inflación antes de su final y el resultante Big Bang? Solo podemos ver el Universo observable creado por el final de la inflación y nuestro caliente Big Bang. Sabemos que la inflación debe haber ocurrido por al menos unos ~ 10-32 segundos aproximadamente, pero probablemente duró más. ¿Pero cuánto tiempo más? Por segundos ¿Años? Miles de millones de años ¿O incluso una cantidad de tiempo arbitraria e infinita? ¿El Universo siempre ha estado inflando? ¿La inflación tuvo un comienzo? ¿Surgió de un estado anterior que estaba alrededor eternamente? O, tal vez, ¿todo el espacio y el tiempo surgieron de la nada hace un tiempo finito? Estas son todas posibilidades, y sin embargo, la respuesta no es comprobable y elusiva en este momento.
Un gran número de regiones separadas donde se producen Big Bangs están separadas por el espacio inflado continuamente en la inflación eterna. Pero no tenemos idea de cómo probar, medir o acceder a lo que hay más allá de nuestro Universo observable. Crédito de la imagen: Ozytive - dominio público
De nuestras mejores observaciones, sabemos que el Universo es mucho más grande que la parte que podemos observar. Más allá de lo que podemos ver, sospechamos fuertemente que hay mucho más Universo por ahí como el nuestro, con las mismas leyes de la física, los mismos tipos de estructuras físicas, cósmicas y las mismas posibilidades de vida compleja. También debería haber un tamaño y escala finita para la "burbuja" en la que terminó la inflación, y un número exponencialmente enorme de tales burbujas contenidas dentro del espaciotiempo inflado más grande. Pero tan inconcebiblemente grande como ese Universo entero, o Multiverso, si lo prefiere, puede ser, puede que no sea infinito. De hecho, a menos que la inflación continuara durante un tiempo realmente infinito, o el Universo naciera infinitamente grande, el Universo debería ser de una extensión finita.
Tan vasto como es nuestro Universo observable es y todo lo que podemos ver, es solo una pequeña fracción de lo que debe existir. Crédito de imagen: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen y M. Mechtley (ASU), R. O'Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), y H. Yan (tOSU)
El mayor problema de todos, sin embargo? Es que no tenemos suficiente información para responder definitivamente la pregunta. Solo sabemos cómo acceder a la información disponible dentro de nuestro Universo observable: esos 46 mil millones de años luz en todas las direcciones. La respuesta a la mayor de todas las preguntas, sobre si el Universo es finito o infinito, podría codificarse en el Universo mismo, pero no podemos acceder lo suficiente para saberlo. Hasta que lo solucionemos, o creamos un esquema inteligente para expandir lo que sabemos que la física es capaz de hacer, todo lo que tendremos son las posibilidades.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y principal escritor de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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