Pregúntele a Ethan: ¿Puede el Universo expandirse más rápido que la velocidad de la luz?
Esta imagen representa la evolución del Universo, comenzando con el Big Bang. Crédito de la imagen:NASA / GSFC
Por Ethan Siegel para Forbes Junio 17 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, no necesariamente son las de Forbes
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Es la ley más fundamental de la relatividad especial, y la realización que llevó a Einstein algunos de los mayores avances físicos de todos los tiempos: la idea de que nada puede viajar más rápido que la luz. Esto es cierto incluso hoy en día, como todas las partículas sin masa en el vacío y mueven exactamente a la velocidad de la luz, mientras que cualquier otra cosa - una parte de la masiva en cualquier lugar o una masa en un medio - están condenados a moverse Más lento que la velocidad de la luz. Pero cuando se trata de la expansión del Universo, parece que no hay todavía de celebrar. Kevin Forward quiere saber, como él pregunta:
En las primeras columnas de segundo del Big Bang, ¿el universo no se expandió más rápido que la velocidad de la luz?
Como un spoiler: no, no se expandió más rápido que la luz, ni en ningún otro momento, ni lo hará nunca. Pero hay una buena razón por la que uno puede pensar que una vez lo hizo.
Nuestro Universo, desde el Big Bang caliente hasta el día de hoy, sufrió una enorme cantidad de crecimiento y evolución, y continúa haciéndolo. Crédito de la imagen: NASA / CXC / M.Weiss
Nuestro Universo, como lo vemos hoy, ha estado alrededor por 13.8 mil millones años desde el caliente Big Bang. Pero si usted está preguntando hasta dónde podemos ver en cualquier dirección, la respuesta no es 13.8 billones de años luz; Es mucho más lejos que eso. Si piensas muy duro, imagínate que dos veces esa distancia es posible: si un objeto emisor de luz estaba a 13.800 millones de años luz de distancia hace 13.800 millones de años, tal vez emitió luz mientras se alejaba de nosotros, tal vez incluso a una velocidad Velocidad que se aproxima a la velocidad de la luz. Si un objeto brillante existía en ese entonces y se alejaba constantemente de nosotros a 299.792 km / s, su luz estaría llegando justo ahora, mientras que el objeto en sí estaría a 27.600 millones de años luz de distancia. Todo eso es sólido razonamiento, pero hace una suposición que no es necesariamente buena: que el espacio en sí es estático.
El conglomerado de galaxias de Hércules muestra una gran concentración de galaxias a muchos cientos de millones de años luz de distancia. Cuanto más lejos miramos, menos fiable es la suposición de que podemos tratar un objeto observado como estando en la misma ubicación en el espacio y el tiempo que somos. Crédito de la imagen: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Acknowledgement: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute
El espacio que habitamos no es estático; Se está expandiendo. De hecho, podemos medir lo que la tasa de expansión es hoy, lo que era como en el pasado lejano, y en cada época en el medio. Como resultado, un objeto que estaba a sólo 168 metros de distancia en el Big Bang (bien, a 10-33 segundos después del Big Bang) sólo tendría su luz llegar a nosotros hoy, 13,8 millones de años después, después de un viaje increíble, y Una cantidad increíble de estiramiento, y estaría actualmente a 46.100 millones de años luz de distancia.
El Universo observable podría ser de 46.000 millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista, pero ciertamente hay más, el Universo no observable, tal vez incluso una cantidad infinita, al igual que el nuestro más allá de eso. Este es sólo el límite de lo que se puede observar hoy en día. Crédito de la imagen: Frédéric MICHEL and Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel
"¡A-ha," proclama usted, "eso significa que el espacio se expandió más rápido que la luz!"
¿Lo hizo sin embargo? Porque para que algo vaya más rápido que la luz, necesita tener una velocidad inherente a ella: algo que se puede medir, por ejemplo, kilómetros por segundo. Pero no es así como el Universo se expande en absoluto.
A mayores distancias y tiempos anteriores en el Universo, se expandía más rápidamente, y la luz procedente de esos lugares distantes se estiró más severamente por la expansión del Universo. Pero esto no significa que se expandió a una velocidad más rápida, sino más bien a un ritmo más rápido, que es una velocidad por unidad de distancia Crédito de la imagen: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
En cambio, el Universo se expande como una velocidad por unidad de distancia: normalmente la medimos en kilómetros por segundo por megaparsec, donde un megaparsec es de unos 3,26 millones de años luz. Si la tasa de expansión es de 70 km / s / Mpc, eso significa que, en promedio, un objeto que está a 10 Mpc de distancia debe expandirse a 700 km / s; Uno que está a 200 mpc de distancia debe retroceder a 14.000 km / s; Y uno que está a 5.000 Mpc de distancia parece que se están alejando a 350.000 km / s.
Cuanto más lejos es una galaxia, más rápido se expande lejos de nosotros, y cuanto más su luz se redshifted, necesitando que nos fijamos en longitudes de onda más largas y más largas. Más allá de cierta distancia, las galaxias se vuelven inalcanzables por cualquier cosa que emitamos hoy, incluso a la velocidad de la luz. Crédito de la imagen: Larry McNish of RASC Calgary Center
¿Significa eso que algo se mueve más rápido que la luz? Volvamos a la teoría de la relatividad especial de Einstein y preguntemos qué significa cuando decimos que nada puede moverse más rápido que la luz. Significa que, si tiene dos objetos en el mismo evento del espacio-tiempo —que ocupan el mismo espacio al mismo tiempo— entonces no pueden moverse uno con relación a otro a una velocidad más rápida que la velocidad de la luz. Incluso si uno se está moviendo al norte al 99% la velocidad de la luz y el otro se mueve al sur al 99% de la velocidad de la luz, no se moverán al 198% de la velocidad de la luz entre sí, sino 99,995% de la velocidad de la luz. ligero. No importa lo rápido que se mueva cada uno, nunca excederán la velocidad de la luz entre sí.
Todas las partículas sin masa viajan a la velocidad de la luz, incluyendo el fotón, el gluón y las ondas gravitatorias, que llevan las interacciones electromagnéticas, fuertes y gravitatorias, respectivamente. Las partículas pueden moverse muy rápidamente, ya sea en la misma dirección, en direcciones opuestas o en un ángulo entre sí. Pero cuando se mide la velocidad entre dos partículas, sólo tiene sentido, en el contexto de la relatividad, si se miden sus velocidades en la misma ubicación en el espacio y el tiempo. Crédito de la imagen: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Es por eso que se llama relatividad en primer lugar, porque mide el movimiento relativo entre dos objetos en el mismo lugar en el espacio y el tiempo. Pero ese tipo de relatividad — relatividad especial - sólo establece las reglas en su espacio local, no expansivo. La relatividad general agrega otra capa encima de eso: el hecho de que el espacio se expanda. Al medir la cantidad de materia normal, materia oscura, energía oscura, neutrinos, radiación y más presentes en el Universo de hoy, y cómo la luz que nos alcanza desde todas las diferentes distancias en el Universo cambia al rojo con esa expansión, podemos reconstruir exactamente cuán grande es el Universo Estaba en cualquier momento en el pasado.
La línea de tiempo de la historia de nuestro Universo observable, donde la porción observable se expande a tamaños cada vez mayores a medida que avanzamos en el tiempo lejos del Big Bang. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team
Cuando tenía aproximadamente 10.000 años de antigüedad, el Universo observable tenía ya 10 millones de años luz en tamaño. Cuando tenía apenas un año, el Universo observable tenía casi 100.000 años luz de tamaño. Cuando tenía un segundo de edad, ya tenía más de 10 años luz en tamaño. Eso sí suena como expandirse más rápido que la luz, ¿no? Pero en ningún momento ninguna partícula se movió más rápido que la luz con respecto a cualquier otra partícula con la que interaccionó.
Una gráfica del tamaño / escala del Universo observable vs. el paso del tiempo cósmico. Esto se muestra en una escala log-log, con algunos hitos importante de tamaño / tiempo identificados. Crédito de la imagen: E. Siegel
En cambio, todo lo que ocurrió fue que el espacio entre las partículas se expandió, y como lo hizo, aumentó la distancia entre ellas y estiró la longitud de onda de la radiación presente dentro de ese espacio. Esto ha continuado durante los miles de millones de años de historia cósmica que tuvo lugar desde entonces, y continúa teniendo lugar hoy. Si bien es posible que nunca lleguemos a objetos más lejanos que los 15.600 millones de años luz de hoy, incluso si fuimos a la velocidad de la luz, no es porque se alejen más rápido que la luz, sino porque el espacio entre diferentes lugares continúa expandiéndose.
La clave para llevar es que el espacio no se expande a una velocidad particular, sino más bien a una velocidad determinada: una velocidad por unidad de distancia. Como resultado, cuanto más lejos mires, más la expansión del espacio afecta la distancia entre tú y el objeto que estás viendo. Mientras se expanda, puede calcular una distancia que, si la supera, todo parece alejarse de usted más rápido que 299.792 m / s. Cuanto más lejos está un objeto, puede estar seguro de que su luz será más roja, su distancia será mayor y parecerá alejarse cada vez más de usted. Pero más rápido que la velocidad de la luz? Usted necesita estar en el mismo lugar para medir eso. En relación con nuestra ubicación, nada se mueve más rápido que la luz, y eso es cierto en todas las ubicaciones del Universo en todo momento. El espacio se expande, pero no sólo no se expande más rápido que la luz, ¡no se expande a toda velocidad!
Envie su pregunta a Ask Ethan preguntas a startswithabang en gmail dot com! Astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor primario de Starts With A Bang!
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Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras
Esta imagen representa la evolución del Universo, comenzando con el Big Bang. Crédito de la imagen:NASA / GSFC
Por Ethan Siegel para Forbes Junio 17 de 2017
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Es la ley más fundamental de la relatividad especial, y la realización que llevó a Einstein algunos de los mayores avances físicos de todos los tiempos: la idea de que nada puede viajar más rápido que la luz. Esto es cierto incluso hoy en día, como todas las partículas sin masa en el vacío y mueven exactamente a la velocidad de la luz, mientras que cualquier otra cosa - una parte de la masiva en cualquier lugar o una masa en un medio - están condenados a moverse Más lento que la velocidad de la luz. Pero cuando se trata de la expansión del Universo, parece que no hay todavía de celebrar. Kevin Forward quiere saber, como él pregunta:
En las primeras columnas de segundo del Big Bang, ¿el universo no se expandió más rápido que la velocidad de la luz?
Como un spoiler: no, no se expandió más rápido que la luz, ni en ningún otro momento, ni lo hará nunca. Pero hay una buena razón por la que uno puede pensar que una vez lo hizo.
Nuestro Universo, desde el Big Bang caliente hasta el día de hoy, sufrió una enorme cantidad de crecimiento y evolución, y continúa haciéndolo. Crédito de la imagen: NASA / CXC / M.Weiss
Nuestro Universo, como lo vemos hoy, ha estado alrededor por 13.8 mil millones años desde el caliente Big Bang. Pero si usted está preguntando hasta dónde podemos ver en cualquier dirección, la respuesta no es 13.8 billones de años luz; Es mucho más lejos que eso. Si piensas muy duro, imagínate que dos veces esa distancia es posible: si un objeto emisor de luz estaba a 13.800 millones de años luz de distancia hace 13.800 millones de años, tal vez emitió luz mientras se alejaba de nosotros, tal vez incluso a una velocidad Velocidad que se aproxima a la velocidad de la luz. Si un objeto brillante existía en ese entonces y se alejaba constantemente de nosotros a 299.792 km / s, su luz estaría llegando justo ahora, mientras que el objeto en sí estaría a 27.600 millones de años luz de distancia. Todo eso es sólido razonamiento, pero hace una suposición que no es necesariamente buena: que el espacio en sí es estático.
El conglomerado de galaxias de Hércules muestra una gran concentración de galaxias a muchos cientos de millones de años luz de distancia. Cuanto más lejos miramos, menos fiable es la suposición de que podemos tratar un objeto observado como estando en la misma ubicación en el espacio y el tiempo que somos. Crédito de la imagen: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Acknowledgement: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute
El espacio que habitamos no es estático; Se está expandiendo. De hecho, podemos medir lo que la tasa de expansión es hoy, lo que era como en el pasado lejano, y en cada época en el medio. Como resultado, un objeto que estaba a sólo 168 metros de distancia en el Big Bang (bien, a 10-33 segundos después del Big Bang) sólo tendría su luz llegar a nosotros hoy, 13,8 millones de años después, después de un viaje increíble, y Una cantidad increíble de estiramiento, y estaría actualmente a 46.100 millones de años luz de distancia.
El Universo observable podría ser de 46.000 millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista, pero ciertamente hay más, el Universo no observable, tal vez incluso una cantidad infinita, al igual que el nuestro más allá de eso. Este es sólo el límite de lo que se puede observar hoy en día. Crédito de la imagen: Frédéric MICHEL and Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel
"¡A-ha," proclama usted, "eso significa que el espacio se expandió más rápido que la luz!"
¿Lo hizo sin embargo? Porque para que algo vaya más rápido que la luz, necesita tener una velocidad inherente a ella: algo que se puede medir, por ejemplo, kilómetros por segundo. Pero no es así como el Universo se expande en absoluto.
A mayores distancias y tiempos anteriores en el Universo, se expandía más rápidamente, y la luz procedente de esos lugares distantes se estiró más severamente por la expansión del Universo. Pero esto no significa que se expandió a una velocidad más rápida, sino más bien a un ritmo más rápido, que es una velocidad por unidad de distancia Crédito de la imagen: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
En cambio, el Universo se expande como una velocidad por unidad de distancia: normalmente la medimos en kilómetros por segundo por megaparsec, donde un megaparsec es de unos 3,26 millones de años luz. Si la tasa de expansión es de 70 km / s / Mpc, eso significa que, en promedio, un objeto que está a 10 Mpc de distancia debe expandirse a 700 km / s; Uno que está a 200 mpc de distancia debe retroceder a 14.000 km / s; Y uno que está a 5.000 Mpc de distancia parece que se están alejando a 350.000 km / s.
Cuanto más lejos es una galaxia, más rápido se expande lejos de nosotros, y cuanto más su luz se redshifted, necesitando que nos fijamos en longitudes de onda más largas y más largas. Más allá de cierta distancia, las galaxias se vuelven inalcanzables por cualquier cosa que emitamos hoy, incluso a la velocidad de la luz. Crédito de la imagen: Larry McNish of RASC Calgary Center
¿Significa eso que algo se mueve más rápido que la luz? Volvamos a la teoría de la relatividad especial de Einstein y preguntemos qué significa cuando decimos que nada puede moverse más rápido que la luz. Significa que, si tiene dos objetos en el mismo evento del espacio-tiempo —que ocupan el mismo espacio al mismo tiempo— entonces no pueden moverse uno con relación a otro a una velocidad más rápida que la velocidad de la luz. Incluso si uno se está moviendo al norte al 99% la velocidad de la luz y el otro se mueve al sur al 99% de la velocidad de la luz, no se moverán al 198% de la velocidad de la luz entre sí, sino 99,995% de la velocidad de la luz. ligero. No importa lo rápido que se mueva cada uno, nunca excederán la velocidad de la luz entre sí.
Todas las partículas sin masa viajan a la velocidad de la luz, incluyendo el fotón, el gluón y las ondas gravitatorias, que llevan las interacciones electromagnéticas, fuertes y gravitatorias, respectivamente. Las partículas pueden moverse muy rápidamente, ya sea en la misma dirección, en direcciones opuestas o en un ángulo entre sí. Pero cuando se mide la velocidad entre dos partículas, sólo tiene sentido, en el contexto de la relatividad, si se miden sus velocidades en la misma ubicación en el espacio y el tiempo. Crédito de la imagen: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Es por eso que se llama relatividad en primer lugar, porque mide el movimiento relativo entre dos objetos en el mismo lugar en el espacio y el tiempo. Pero ese tipo de relatividad — relatividad especial - sólo establece las reglas en su espacio local, no expansivo. La relatividad general agrega otra capa encima de eso: el hecho de que el espacio se expanda. Al medir la cantidad de materia normal, materia oscura, energía oscura, neutrinos, radiación y más presentes en el Universo de hoy, y cómo la luz que nos alcanza desde todas las diferentes distancias en el Universo cambia al rojo con esa expansión, podemos reconstruir exactamente cuán grande es el Universo Estaba en cualquier momento en el pasado.
La línea de tiempo de la historia de nuestro Universo observable, donde la porción observable se expande a tamaños cada vez mayores a medida que avanzamos en el tiempo lejos del Big Bang. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team
Cuando tenía aproximadamente 10.000 años de antigüedad, el Universo observable tenía ya 10 millones de años luz en tamaño. Cuando tenía apenas un año, el Universo observable tenía casi 100.000 años luz de tamaño. Cuando tenía un segundo de edad, ya tenía más de 10 años luz en tamaño. Eso sí suena como expandirse más rápido que la luz, ¿no? Pero en ningún momento ninguna partícula se movió más rápido que la luz con respecto a cualquier otra partícula con la que interaccionó.
Una gráfica del tamaño / escala del Universo observable vs. el paso del tiempo cósmico. Esto se muestra en una escala log-log, con algunos hitos importante de tamaño / tiempo identificados. Crédito de la imagen: E. Siegel
En cambio, todo lo que ocurrió fue que el espacio entre las partículas se expandió, y como lo hizo, aumentó la distancia entre ellas y estiró la longitud de onda de la radiación presente dentro de ese espacio. Esto ha continuado durante los miles de millones de años de historia cósmica que tuvo lugar desde entonces, y continúa teniendo lugar hoy. Si bien es posible que nunca lleguemos a objetos más lejanos que los 15.600 millones de años luz de hoy, incluso si fuimos a la velocidad de la luz, no es porque se alejen más rápido que la luz, sino porque el espacio entre diferentes lugares continúa expandiéndose.
La clave para llevar es que el espacio no se expande a una velocidad particular, sino más bien a una velocidad determinada: una velocidad por unidad de distancia. Como resultado, cuanto más lejos mires, más la expansión del espacio afecta la distancia entre tú y el objeto que estás viendo. Mientras se expanda, puede calcular una distancia que, si la supera, todo parece alejarse de usted más rápido que 299.792 m / s. Cuanto más lejos está un objeto, puede estar seguro de que su luz será más roja, su distancia será mayor y parecerá alejarse cada vez más de usted. Pero más rápido que la velocidad de la luz? Usted necesita estar en el mismo lugar para medir eso. En relación con nuestra ubicación, nada se mueve más rápido que la luz, y eso es cierto en todas las ubicaciones del Universo en todo momento. El espacio se expande, pero no sólo no se expande más rápido que la luz, ¡no se expande a toda velocidad!
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