Las estrellas, galaxias y cúmulos que se muestran aquí están unidas por la gravedad y no se expandirán con el universo.La expansión del universo tiene una historia larga y sorprendente. Cuando Hubble notó por primera vez la relación entre la distancia de nosotros a la galaxia y el desplazamiento al rojo de su luz, se dio cuenta de inmediato de que eran consecuencias de la teoría general de la relatividad de Einstein. Cuando Hubble anunció su descubrimiento, Einstein inmediatamente renunció a su constante cosmológica, el "factor estúpido" diseñado para mantener el Universo estático, y lo llamó su mayor error. Pero mientras el espacio entre las galaxias se expande, los átomos, las personas y los planetas mantienen su tamaño. ¿Qué determina esto? Nuestro lector quiere descubrir:
¿Cuál es la escala de dimensiones cuando se trata de la expansión del universo? ¿Significa esto que la longitud de Planck es inconsistente? ¿Las órbitas atómicas crecen con este estiramiento del espacio, o una fuerte interacción lo impide?
Modelo del Universo en crecimiento "pan con pasas", donde las distancias relativas aumentan con la expansión del espacio (prueba)La expansión del universo es difícil de imaginar, porque no es del todo intuitiva. La mejor analogía, tal vez, sería imaginar la tela del espacio en forma de un trozo de masa suspendido en el horno bajo gravedad cero. Al hornear, el pan es adecuado para la levadura y se expande uniformemente en todas las direcciones. Pero esta es una analogía para el espacio vacío. ¿Qué pasaría si quisieras imaginar un espacio en el que hay materia: protones, átomos, personas, planetas, galaxias, cúmulos? Hay dos formas de imaginar esta extensión.
Una es la superficie de la pelota con monedas pegadas a ella. Las monedas no cambian y la pelota se infla. El universo se está haciendo más grande, y todo el espacio entre partículas individuales, o galaxias individuales, también está creciendo. Parece que la moneda se está alejando de sus vecinos a una cierta velocidad, y la moneda ubicada dos veces más se eliminará el doble de rápido. Y cada moneda verá lo mismo: la velocidad percibida y el desplazamiento al rojo (estiramiento) de la luz dependerán únicamente de la distancia a la moneda que está mirando. Esto es exactamente lo que está sucediendo aquí, y se sabe desde la década de 1920. Es una relación tal que existe en el Universo, que la ley de Hubble nos demostró.
Otra forma de imaginar la extensión es tomar la bola en la que se dibujan los objetos. Cuando la pelota se infla y la superficie se estira, las marcas también se expanden. Por supuesto, los objetos distantes se alejarán de acuerdo con la ley de Hubble, pero en nuestro caso se inflarán junto con la estructura del espacio.
Entonces, ¿qué pasa en el universo? ¿A qué escala se expande el espacio? Podemos, en primer lugar, estudiar el universo mismo. Observando galaxias distantes, debemos registrar el desplazamiento al rojo y disminuir su masa, porque cuanto más lejos está la galaxia, más temprano aparece.
Vemos esto, pero también ve otras características importantes:
• Las galaxias con un gran desplazamiento al rojo tienen las mismas líneas espectrales, lo que significa que las propiedades y tamaños de los átomos que existieron hace miles de millones de años no son diferentes de las actuales.
• El tamaño físico de las galaxias está determinado únicamente por su masa. Las galaxias de la misma masa, tanto antiguas como nuevas, tienen el mismo tamaño.
• El principio de la formación de redes espaciales (estructuras a gran escala) depende solo de la cantidad de masa disponible en un área determinada del espacio.
Resulta que la analogía con las monedas estará más cerca de nosotros que con la pintura. Observando el Universo, vemos que la estructura del espacio siempre se expande, a menos que sea interferida por otra fuerza que junte los objetos. Esto encaja completamente en la base teórica, porque, a pesar de la opinión generalizada, la expansión no es fuerza, sino velocidad. Cuando algo se une, deja de ser importante qué tipo de fuerza lo une, ya sea una fuerza nuclear en protones y núcleos de átomos, fuerza electromagnética en átomos, células y personas, o es gravedad en el caso de planetas, estrellas, galaxias y cúmulos.
Veronica Hair ClusterAunque la estructura del espacio se expande por sí sola, se expande a una cierta velocidad por unidad de longitud. (De hecho, esta es una cantidad con la dimensión del tiempo inverso). Aproximadamente resulta que si la fuerza entre dos objetos los hace atraer más rápido de lo que aumenta el espacio entre ellos debido a la expansión del Universo, pero ya no se convierten en "pintura", sino en "monedas". Nuestros cuerpos están conectados entre sí, cada átomo está conectado, el grupo local de galaxias ya está conectado, e incluso todo el grupo de Veronica's Hair está conectado. Pero es importante recordar que todo es relativo. La expansión del Universo no afecta a nuestro grupo local y a todo lo que está dentro de él, porque nuestro grupo local está muy estrechamente conectado, pero va más allá y el espacio continuará expandiéndose. Es por eso que las galaxias distantes y otras estructuras relacionadas se están alejando de nosotros, aunque todas están localmente unidas a su parte del cosmos.
Pero podemos ir en busca de regiones arbitrariamente pequeñas del espacio donde no existe tal conexión, donde no hay materia, y encontramos que una región de cualquier tamaño - varios años luz, kilómetros, micras, diámetros de protones o longitudes de Planck (o incluso menos) - se está expandiendo bajo la ley de Hubble. La velocidad de expansión del espacio en GR permite considerar la estructura del espacio como si fuera completamente continua, y no necesita ser cuantificada, como en la física cuántica. ¡Esto sigue siendo cierto para la expansión del Universo exactamente mientras no coloques una estructura conectada en él! No existe una restricción fundamental sobre cuán pequeño puede ser un espacio mientras se expande, pero para esto debe estar vacío o lo suficientemente grande como para que la estructura existente no pueda superar la expansión.