¿por qué no lo estamos nosotros?
La estructura del espacio en expansión significa que cuanto más lejos está una galaxia, más rápido parece que retrocede de nosotros.
Por Sabine Hossenfelder, para Forbes Julio 28 de 2017
Sabine es una físico teórico especializada en gravedad cuántica y física de altas energías. Ella también es freelance escribe sobre la ciencia.
Es difícil comprender completamente el concepto de cuatro dimensiones. Los científicos han sabido que el universo se expande desde la década de 1930, pero si nos expandimos junto con ella sigue siendo una de las preguntas que me hacen con más frecuencia. Cuanto menos consciente de mí mismo, simplemente me informan que el universo no se expande, sino todo lo contrario que en él se encoge, ¿cómo podríamos distinguir la diferencia?
La mejor respuesta a estas preguntas es, como de costumbre, una gran cantidad de matemáticas implicitas. Pero es difícil encontrar una respuesta decente en línea que no sea un montón de ecuaciones, así que aquí está un enfoque conceptual sobre este asunto.
El espacio-tiempo en nuestro vecindario local, curvado debido a la influencia gravitatoria del Sol y de otras masas, es parte de una región mucho más grande que compone el Universo observable. Sobre ese volumen, la tela del espacio se expande.
La primera pista que necesita para comprender la expansión del universo es que la relatividad general es una teoría para el espacio-tiempo, no para el espacio. Como lo expresó Herman Minkowski en 1908:
Hablar de la expansión del espacio, por lo tanto, nos obliga a deshacer esta unión.
No es el tejido del espacio mismo lo que podemos observar, sino sólo la materia y la radiación presentes dentro de ese tejido. Crédito de la imagen: NASA, ESA, y A. Feild (STScI)
La segunda pista es que en la ciencia una pregunta debe responder de la medición, al menos en principio. No podemos observar el espacio y tampoco podemos observar el espacio-tiempo. Simplemente observamos cómo el espacio-tiempo afecta la materia y la radiación, que podemos medir en nuestros detectores.
Cómo la materia (arriba), la radiación (medio) y una constante cosmológica (fondo) evolucionan con el tiempo en un Universo en expansión. Crédito de la imagen: E. Siegel / Más Allá de la Galaxia
La tercera pista es que la palabra "relatividad" en "relatividad general" significa que cada observador puede escoger describir el espacio-tiempo como quiera. Si bien el cálculo de cada observador será diferente, llegarán a la misma conclusión.
Armados con estas tres mordeduras de conocimiento, veamos lo que podemos decir acerca de la expansión del universo.
Los cosmólogos describen el universo con un modelo conocido como Friedmann-Robertson-Walker (llamado así por sus inventores). La suposición subyacente es que el espacio (sí, espacio) está lleno de materia y radiación que tiene la misma densidad en todas partes y en todas direcciones. Es, como la terminología lo tiene, homogéneo e isotrópico. Esta suposición se llama el "Principio Cosmológico".
Mientras que el principio cosmológico originalmente era meramente una suposición ad-hoc plausible, es apoyado mientras tanto por la evidencia. En las grandes escalas — mucho más grandes que las distancias intergalácticas típicas — la materia se distribuye realmente casi igual en todas partes.
Las varias galaxias del Supercúmulo de Virgo, agrupadas y acumuladas. En las escalas más grandes, el Universo es uniforme, pero al mirar a las escalas de galaxias o racimos, dominan las regiones sobredimensionadas y subdimensionadas, y el Universo parece muy poco uniforme. Crédito de la imagen: Andrew Z. Colvin, vía Wikimedia Commons
Pero claramente, ese no es el caso en distancias más cortas, como dentro de nuestra galaxia. La Vía Láctea tiene forma de disco con la mayor parte de la masa (visible) en el bulto central, y esta materia no se distribuye de forma homogénea. El modelo cosmológico de Friedmann-Robertson-Walker, por lo tanto, simplemente no describe galaxias.
Este es un punto clave, y perdiéndolo es el origen de mucha confusión sobre la expansión del universo. La solución de la relatividad general que describe el universo en expansión resuelve las ecuaciones de Einstein en promedio; Es bueno sólo en distancias muy grandes. Pero las soluciones que describen galaxias son diferentes - y simplemente no se expanden. No es que las galaxias se expandan inadvertidamente, no se expanden en absoluto. La solución completa, entonces, es a la vez las soluciones cósmicas y locales unidas entre sí: el espacio en expansión entre las galaxias no expansivas. (Aunque estas soluciones son usualmente sólo tratadas por simulaciones de computadora debido a su complejidad matemática.)
A continuación, puede preguntarse, ¿a qué distancia comienza la expansión? Eso sucede cuando usted promedia sobre un volumen tan grande que la densidad de la materia dentro del volumen tiene una auto-atracción gravitacional más débil que el tirón de la extensión. Desde los núcleos atómicos hacia arriba, cuanto mayor es el volumen que usted promedio más, más pequeña es la densidad promedio. Pero es sólo en algún lugar más allá de las escalas de los cúmulos de galaxias que la expansión se hace cargo. En distancias muy cortas, cuando las fuerzas nuclear y electromagnética no son neutralizadas, éstas actúan también contra la atracción de la gravedad. Esto impide con seguridad que los átomos y las moléculas sean despedazados por la expansión del universo.
Un cúmulo de galaxias masivo, como Abell 370 (mostrado aquí), puede estar formado por miles de galaxias de tamaño de la Vía Láctea. El espacio dentro de este cúmulo no se está expandiendo, pero el espacio entre este cúmulo y otras galaxias y clusters no unidos es. Crédito de Inage: NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields
Pero aquí está la cosa. Todo lo que acabo de decirle depende de una cierta manera "natural" de dividir el espacio en el espacio y el tiempo. Es el fondo de microondas cósmico (CMB) que nos ayuda a hacerlo. Sólo hay una forma de dividir el espacio y el tiempo para que el CMB se vea, en promedio, igual en todas las direcciones. Después de eso, todavía puede escoger sus etiquetas de tiempo, pero la división se hace.
La ruptura de la unión de Minkowski entre el espacio y el tiempo de esta manera se llama un "cortar" espacio-tiempo. De hecho, es como cortar pan, donde cada porción es espacio en algún momento del tiempo. Hay muchas maneras de cortar el pan y también hay muchas maneras de cortar el espacio-tiempo. Que, como la pista número 3 te enseñó, están perfectamente permitidos.
El CMB establece la relación entre el espacio y el tiempo de tal manera que el Universo puede ser consistentemente cortado en una 3 + 1 (espacio + tiempo) la descomposición.
La razón por la que los físicos escogieron un corte sobre otro es por lo general que los cálculos pueden simplificarse enormemente con una elección inteligente de cortar. Pero si usted realmente insiste, hay maneras de cortar el universo para que el espacio no se expanda. Sin embargo, estas rebanadas son incómodas: son difíciles de interpretar y hacer cálculos muy difíciles. En tal rebanado, por ejemplo, avanzar en el tiempo necesariamente te empuja en el espacio - es cualquier cosa menos intuitivo.
De hecho, usted puede hacer esto también con el espacio-tiempo alrededor del planeta Tierra. Podrías cortar espacio-tiempo para que el espacio que nos rodea permanezca plano. Una vez más, sin embargo, esta rebanada es torpe y físicamente sin sentido.
Denver, Colorado, EE.UU., exhibiendo la rejilla de la calle típica de las grandes ciudades en el suroeste de Estados Unidos. Si así lo exigimos, podríamos definir el espacio para que esta ciudad se encogiera, creciera o permaneciera estacionaria, pero no es particularmente significativa.
Esto nos lleva a la relevancia de la pista # 2. Realmente no deberíamos estar hablando de espacio para empezar. Así como usted podría insistir en definir el espacio para que el universo no se expanda, por voluntad también se podría definir el espacio para que una ciudad, como Brooklyn, se expanda. Digamos que una cuadra es una milla. Usted podría simplemente insistir en el uso de unidades de longitud en la que mañana un bloque hacia abajo es de dos millas, y la próxima semana es diez millas, y así sucesivamente. Eso es bastante idiota - y sin embargo, nadie podría detenerlo de hacer esto.
Pero ahora, considere que usted hace una medida. Digamos, usted devuelve un rayo láser entre los extremos del bloque, a una altitud fija, y usa relojes atómicos para medir el tiempo que pasa entre dos rebotes. Usted encontrará que los intervalos de tiempo son siempre los mismos.
La transición atómica desde el orbital 6S, Delta_f1, es la transición que define el metro, el segundo y la velocidad de la luz.
Los relojes atómicos se basan en la constancia de las frecuencias de transición atómica. La fuerza gravitatoria dentro de un átomo es completamente despreciable con respecto a la fuerza gravitatoria - es aproximadamente 40 órdenes de magnitud menor - y la fijación de la altitud evita el desplazamiento hacia el rojo gravitatorio causado por la atracción gravitatoria de la Tierra. No importa las coordenadas que usó, siempre encontraría el mismo y sin ambigüedades: el tiempo transcurrido entre los rebotes del láser sigue siendo el mismo.
En la cosmología, también, ayuda a aclarar primero qué es lo que medimos. No medimos el tamaño del espacio entre galaxias - ¿cómo haríamos eso? Medimos la luz que proviene de galaxias lejanas. Y resulta ser sistemáticamente cambiado de rojo sin importar donde miramos. Una forma sencilla de describir esto - un corte de espacio-tiempo que hace que los cálculos e interpretaciones fácil - es que el espacio entre las galaxias se expande.
El modelo de "pan de pasas" del Universo en expansión, donde las distancias relativas aumentan a medida que el espacio (masa) se expande. Las galaxias (pasas), sin embargo, no cambian. Es sólo que la luz que viene de ellos obtener redshifted (o estirado) en un Universo en expansión. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team
Por lo tanto, la respuesta breve es: no, ningún objeto enlazado en el Universo no se expande. Pero la respuesta más precisa es que usted debe pedir sólo el resultado de los procedimientos de medición claramente establecidos. La luz de las galaxias distantes se desplaza hacia el rojo, lo que significa que las galaxias se están retirando de nosotros. La luz recogida de los bordes de una ciudad como Brooklyn no es redshifted. Si usamos un espacio-tiempo cortando en el que la materia está en reposo en el promedio, entonces la densidad de la materia del universo está disminuyendo y era mucho más alta en el pasado. En la medida en que la densidad de Brooklyn ha cambiado en el pasado, esto puede explicarse sin invocar la relatividad general.
Puede ser difícil de comprender el concepto alrededor de cuatro dimensiones, pero siempre vale la pena el esfuerzo.
With a little help from Google Translate for Business
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando a qu lo descubras
La estructura del espacio en expansión significa que cuanto más lejos está una galaxia, más rápido parece que retrocede de nosotros.
Por Sabine Hossenfelder, para Forbes Julio 28 de 2017
Sabine es una físico teórico especializada en gravedad cuántica y física de altas energías. Ella también es freelance escribe sobre la ciencia.
Es difícil comprender completamente el concepto de cuatro dimensiones. Los científicos han sabido que el universo se expande desde la década de 1930, pero si nos expandimos junto con ella sigue siendo una de las preguntas que me hacen con más frecuencia. Cuanto menos consciente de mí mismo, simplemente me informan que el universo no se expande, sino todo lo contrario que en él se encoge, ¿cómo podríamos distinguir la diferencia?
La mejor respuesta a estas preguntas es, como de costumbre, una gran cantidad de matemáticas implicitas. Pero es difícil encontrar una respuesta decente en línea que no sea un montón de ecuaciones, así que aquí está un enfoque conceptual sobre este asunto.
El espacio-tiempo en nuestro vecindario local, curvado debido a la influencia gravitatoria del Sol y de otras masas, es parte de una región mucho más grande que compone el Universo observable. Sobre ese volumen, la tela del espacio se expande.
La primera pista que necesita para comprender la expansión del universo es que la relatividad general es una teoría para el espacio-tiempo, no para el espacio. Como lo expresó Herman Minkowski en 1908:
"De ahora en adelante el espacio por sí mismo, y el tiempo por sí mismo, están condenados a desvanecerse en sombras, y sólo una especie de unión de los dos preservará una realidad independiente".
Hablar de la expansión del espacio, por lo tanto, nos obliga a deshacer esta unión.
No es el tejido del espacio mismo lo que podemos observar, sino sólo la materia y la radiación presentes dentro de ese tejido. Crédito de la imagen: NASA, ESA, y A. Feild (STScI)
La segunda pista es que en la ciencia una pregunta debe responder de la medición, al menos en principio. No podemos observar el espacio y tampoco podemos observar el espacio-tiempo. Simplemente observamos cómo el espacio-tiempo afecta la materia y la radiación, que podemos medir en nuestros detectores.
La tercera pista es que la palabra "relatividad" en "relatividad general" significa que cada observador puede escoger describir el espacio-tiempo como quiera. Si bien el cálculo de cada observador será diferente, llegarán a la misma conclusión.
Armados con estas tres mordeduras de conocimiento, veamos lo que podemos decir acerca de la expansión del universo.
Los cosmólogos describen el universo con un modelo conocido como Friedmann-Robertson-Walker (llamado así por sus inventores). La suposición subyacente es que el espacio (sí, espacio) está lleno de materia y radiación que tiene la misma densidad en todas partes y en todas direcciones. Es, como la terminología lo tiene, homogéneo e isotrópico. Esta suposición se llama el "Principio Cosmológico".
Mientras que el principio cosmológico originalmente era meramente una suposición ad-hoc plausible, es apoyado mientras tanto por la evidencia. En las grandes escalas — mucho más grandes que las distancias intergalácticas típicas — la materia se distribuye realmente casi igual en todas partes.
Las varias galaxias del Supercúmulo de Virgo, agrupadas y acumuladas. En las escalas más grandes, el Universo es uniforme, pero al mirar a las escalas de galaxias o racimos, dominan las regiones sobredimensionadas y subdimensionadas, y el Universo parece muy poco uniforme. Crédito de la imagen: Andrew Z. Colvin, vía Wikimedia Commons
Pero claramente, ese no es el caso en distancias más cortas, como dentro de nuestra galaxia. La Vía Láctea tiene forma de disco con la mayor parte de la masa (visible) en el bulto central, y esta materia no se distribuye de forma homogénea. El modelo cosmológico de Friedmann-Robertson-Walker, por lo tanto, simplemente no describe galaxias.
Este es un punto clave, y perdiéndolo es el origen de mucha confusión sobre la expansión del universo. La solución de la relatividad general que describe el universo en expansión resuelve las ecuaciones de Einstein en promedio; Es bueno sólo en distancias muy grandes. Pero las soluciones que describen galaxias son diferentes - y simplemente no se expanden. No es que las galaxias se expandan inadvertidamente, no se expanden en absoluto. La solución completa, entonces, es a la vez las soluciones cósmicas y locales unidas entre sí: el espacio en expansión entre las galaxias no expansivas. (Aunque estas soluciones son usualmente sólo tratadas por simulaciones de computadora debido a su complejidad matemática.)
A continuación, puede preguntarse, ¿a qué distancia comienza la expansión? Eso sucede cuando usted promedia sobre un volumen tan grande que la densidad de la materia dentro del volumen tiene una auto-atracción gravitacional más débil que el tirón de la extensión. Desde los núcleos atómicos hacia arriba, cuanto mayor es el volumen que usted promedio más, más pequeña es la densidad promedio. Pero es sólo en algún lugar más allá de las escalas de los cúmulos de galaxias que la expansión se hace cargo. En distancias muy cortas, cuando las fuerzas nuclear y electromagnética no son neutralizadas, éstas actúan también contra la atracción de la gravedad. Esto impide con seguridad que los átomos y las moléculas sean despedazados por la expansión del universo.
Un cúmulo de galaxias masivo, como Abell 370 (mostrado aquí), puede estar formado por miles de galaxias de tamaño de la Vía Láctea. El espacio dentro de este cúmulo no se está expandiendo, pero el espacio entre este cúmulo y otras galaxias y clusters no unidos es. Crédito de Inage: NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields
Pero aquí está la cosa. Todo lo que acabo de decirle depende de una cierta manera "natural" de dividir el espacio en el espacio y el tiempo. Es el fondo de microondas cósmico (CMB) que nos ayuda a hacerlo. Sólo hay una forma de dividir el espacio y el tiempo para que el CMB se vea, en promedio, igual en todas las direcciones. Después de eso, todavía puede escoger sus etiquetas de tiempo, pero la división se hace.
La ruptura de la unión de Minkowski entre el espacio y el tiempo de esta manera se llama un "cortar" espacio-tiempo. De hecho, es como cortar pan, donde cada porción es espacio en algún momento del tiempo. Hay muchas maneras de cortar el pan y también hay muchas maneras de cortar el espacio-tiempo. Que, como la pista número 3 te enseñó, están perfectamente permitidos.
El CMB establece la relación entre el espacio y el tiempo de tal manera que el Universo puede ser consistentemente cortado en una 3 + 1 (espacio + tiempo) la descomposición.
La razón por la que los físicos escogieron un corte sobre otro es por lo general que los cálculos pueden simplificarse enormemente con una elección inteligente de cortar. Pero si usted realmente insiste, hay maneras de cortar el universo para que el espacio no se expanda. Sin embargo, estas rebanadas son incómodas: son difíciles de interpretar y hacer cálculos muy difíciles. En tal rebanado, por ejemplo, avanzar en el tiempo necesariamente te empuja en el espacio - es cualquier cosa menos intuitivo.
De hecho, usted puede hacer esto también con el espacio-tiempo alrededor del planeta Tierra. Podrías cortar espacio-tiempo para que el espacio que nos rodea permanezca plano. Una vez más, sin embargo, esta rebanada es torpe y físicamente sin sentido.
Denver, Colorado, EE.UU., exhibiendo la rejilla de la calle típica de las grandes ciudades en el suroeste de Estados Unidos. Si así lo exigimos, podríamos definir el espacio para que esta ciudad se encogiera, creciera o permaneciera estacionaria, pero no es particularmente significativa.
Esto nos lleva a la relevancia de la pista # 2. Realmente no deberíamos estar hablando de espacio para empezar. Así como usted podría insistir en definir el espacio para que el universo no se expanda, por voluntad también se podría definir el espacio para que una ciudad, como Brooklyn, se expanda. Digamos que una cuadra es una milla. Usted podría simplemente insistir en el uso de unidades de longitud en la que mañana un bloque hacia abajo es de dos millas, y la próxima semana es diez millas, y así sucesivamente. Eso es bastante idiota - y sin embargo, nadie podría detenerlo de hacer esto.
Pero ahora, considere que usted hace una medida. Digamos, usted devuelve un rayo láser entre los extremos del bloque, a una altitud fija, y usa relojes atómicos para medir el tiempo que pasa entre dos rebotes. Usted encontrará que los intervalos de tiempo son siempre los mismos.
La transición atómica desde el orbital 6S, Delta_f1, es la transición que define el metro, el segundo y la velocidad de la luz.
Los relojes atómicos se basan en la constancia de las frecuencias de transición atómica. La fuerza gravitatoria dentro de un átomo es completamente despreciable con respecto a la fuerza gravitatoria - es aproximadamente 40 órdenes de magnitud menor - y la fijación de la altitud evita el desplazamiento hacia el rojo gravitatorio causado por la atracción gravitatoria de la Tierra. No importa las coordenadas que usó, siempre encontraría el mismo y sin ambigüedades: el tiempo transcurrido entre los rebotes del láser sigue siendo el mismo.
En la cosmología, también, ayuda a aclarar primero qué es lo que medimos. No medimos el tamaño del espacio entre galaxias - ¿cómo haríamos eso? Medimos la luz que proviene de galaxias lejanas. Y resulta ser sistemáticamente cambiado de rojo sin importar donde miramos. Una forma sencilla de describir esto - un corte de espacio-tiempo que hace que los cálculos e interpretaciones fácil - es que el espacio entre las galaxias se expande.
El modelo de "pan de pasas" del Universo en expansión, donde las distancias relativas aumentan a medida que el espacio (masa) se expande. Las galaxias (pasas), sin embargo, no cambian. Es sólo que la luz que viene de ellos obtener redshifted (o estirado) en un Universo en expansión. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team
Por lo tanto, la respuesta breve es: no, ningún objeto enlazado en el Universo no se expande. Pero la respuesta más precisa es que usted debe pedir sólo el resultado de los procedimientos de medición claramente establecidos. La luz de las galaxias distantes se desplaza hacia el rojo, lo que significa que las galaxias se están retirando de nosotros. La luz recogida de los bordes de una ciudad como Brooklyn no es redshifted. Si usamos un espacio-tiempo cortando en el que la materia está en reposo en el promedio, entonces la densidad de la materia del universo está disminuyendo y era mucho más alta en el pasado. En la medida en que la densidad de Brooklyn ha cambiado en el pasado, esto puede explicarse sin invocar la relatividad general.
Puede ser difícil de comprender el concepto alrededor de cuatro dimensiones, pero siempre vale la pena el esfuerzo.
With a little help from Google Translate for Business