Divulgación Dudas entre Universo Observable y Universo Global

[Nood]

Hola, me llamo Nood, y soy solo un aficionado a la astrofísica y a la cosmología que intenta aprender por cuenta propia en sus ratos libres.

Es por ello que tengo muchas dudas sobre conceptos que, a lo mejor, para muchos de ustedes resultan tonterías dignas de alguien que no posee muchos conocimientos, pero que para mi es importante comprenderlos correctamente para así resolver ciertas incongruencias que me van surgiendo según avanzo en mis estudios.


Una de estas dudas hace referencia al concepto sobre la forma del Universo.


Hasta donde yo sé, la cosa está en que sólo se le puede dar una forma al Universo Observable, que es aquél que puede ser interpretado, desde la observación dada por un observador situado en nuestro planeta y en nuestro tiempo presente, y hasta el Big-Bang.
Según esta observación, el Universo Observable resulta ser geométricamente una esfera en expansión (la forma de la esfera es debido a la curvatura cerrada del espacio-tiempo finito), en la que el centro corresponde al Big-Bang y el borde de dicha esfera corresponde al espacio-tiempo actual de La Tierra y de nuestro Sistema Solar. (Es decir, a unos 13.800 millones de años de distancia temporal desde el borde de la esfera hasta el centro, pero que, debido a la expansión del propio espacio, posee un radio con una distancia espacial aproximada de unos 46.000 millones de años-luz entre ambos puntos).

Ahora bien, si se le quiere dar forma al Universo Global, (aquél que abarcaría también a todo el tiempo futuro del Universo Observable), entonces la cosa no está tan clara, puesto que, según las Ecuaciones de Friedmann (1922), es posible que el Universo Observable en expansión pueda acabar teniendo la forma Global de cualquiera de los tres famosos casos de curvatura: esférica, euclidea o hiperbólica.

Como la geometría local dada por el Universo Observable no es capaz de definir en este caso la geometría global supuestamente dada por el Universo Global, entonces un montón de modelos e hipótesis topológicas están actualmente abiertas en la materia desde hace décadas, tratando todas ellas de teorizar posibles candidatos a modo de modelos válidos de Universo Global.
Desde las tres opciones clásicas de curvatura (esfera finita, disco infinito y silla de montar infinita), pasando por modelos basados en un Universo Global que pueda resultar no simplemente conexo (es decir, o un toro, o un toro con asas), y hasta llegando incluso a modelos basados en un dodecaedro equivalente a la esfera de homología de Poincare, la pura verdad es que la Ciencia aún no ha podido llegar a una única conclusión que dé respuesta a la verdadera forma del Universo Global.

Dicho esto (con el fin de aprender y desde mi absoluta ignorancia), Yo pregunto a la Ciencia (y por ende a vosotros, estimados compañeros de foro):

1. - ¿Por qué la Ciencia no considera al observador como el límite del Universo Global?
Me explico: Si hemos quedado que el Universo Observable es finito (y por tanto esférico) debido a que su límite lo marca la propia observación, entonces: ¿por qué la Ciencia no considera, sencillamente, que no es posible dar forma definida a un Universo Global que también incluya al futuro de dicho Universo más allá del Universo Observable?.

2. ¿Por qué no considera la Ciencia que el Universo Global pudiera llegar a ser exactamente igual al Universo Observable?
Me explico: El Universo Observable no toma en realidad a La Tierra como borde de la esfera, sino al observador que vive sobre su superficie y realiza la medición. Sin observador posible, (imaginemos que se extingue todo signo de vida que pudiera realizar una medición) está claro que el Universo Observable ya no podría tener forma definida, de igual modo que le ocurre al Universo Global.
Al ser esto así, pregunto por qué la Ciencia no considera al Espacio-Tiempo como una variedad geométrica cuya forma definida queda supeditada al observador y su observación.


Muchas gracias por su tiempo y, por favor, no tomen esto como pseudociencia o falacia, ya que no pretendo instruir ni enseñar nada. Todo lo contrario. Lo que quiero es aprender correctamente para así saber donde están los fallos en mis conclusiones.


Un cordial saludo,


Nood.

[Alriga]

Re: Dudas entre Universo Observable y Universo Global

Hola Nood, bienvenido a La web de Física, por favor, como nuevo miembro lee atentamente Consejos para conseguir ayuda de forma efectiva

Y ahora, ¿me dejáis que os cuente un cuento?:

IsEratóstenes: Toda la humanidad que conocemos vive en nuestra pequeña isla. Si subimos a cualquier montículo vemos la línea del horizonte, en donde el cielo parece unirse al mar y más allá nada podemos ver.

Más cerca de la línea del horizonte vemos algunas otras islas como la nuestra, pero como no hemos sido capaces de desarrollar el viaje a través del mar ni del aire, no podemos salir de nuestra isla e ir allí.

Nuestro mundo parece un círculo plano centrado en nosotros que finaliza en el horizonte. Sin embargo, nuestros estudios del movimiento aparente de los astros, de la forma de la sombra en los eclipses de Luna y medidas que he realizado de la diferencia de ángulo de la luz del sol respecto de la plomada en dos puntos distantes de la isla, me hacen pensar que eso no es así.

Nuestra Ciencia nos lleva a interpretar que nuestro mundo global debe ser una esfera y que el horizonte no es un objeto físico real. Si pudiésemos desplazarnos a otra isla, desde ella veríamos otro horizonte centrado en ella, y que no coincidiría con el nuestro.

IsNood: Tu explicación es interesante, pero especulativa. No podemos estar seguros de lo que veríamos desde otra isla porque no podemos ir a ella.
Y yo no soy partidario de ese tipo de explicaciones. ¿Por qué la Ciencia no considera al observador como el límite de nuestro mundo global? Me explico: si hemos quedado que nuestro Mundo Observable es finito y circular debido a que su límite lo marca la propia observación, entonces: ¿por qué la Ciencia no considera, sencillamente, que no es posible dar forma definida al Mundo Global que también incluya mundo más allá del Mundo Observable? ¿Por qué no considera la Ciencia que el Mundo Global pudiera llegar a ser exactamente igual al Mundo Observable?

FIN

… el Universo Observable resulta ser geométricamente una esfera en expansión (la forma de la esfera es debido a la curvatura cerrada del espacio-tiempo finito), en la que el centro corresponde al Big-Bang y el borde de dicha esfera corresponde al espacio-tiempo actual de La Tierra …

Eso es erróneo. El big-bang no tiene centro. El big-bang supuso la aparición del espaciotiempo y por lo tanto sucedió en todos los puntos del Universo en el mismo instante hace 13.800 Maños, todos los puntos del Universo son equivalentes y son su propio centro de su universo observable.

El centro de nuestro universo observable somos nosotros y su límite (situado a 46.000 millones de años luz de nosotros en cualquier dirección) se llama HORIZONTE de partículas. Observa que los cosmólogos han elegido cuidadosamente la palabra: horizonte.

Y la elección es bastante adecuada puesto que, como el horizonte náutico, no tiene una verdadera realidad física, es simplemente la superficie que marca hasta donde podemos ver desde el punto en el que estamos, pero que si nos movemos a otro punto cambia, adaptándose a nuestra nueva posición.

Saludos y de nuevo bienvenido a La web de Física.

[Nood]

Re: Dudas entre Universo Observable y Universo Global

Hola Alriga. Ante todo, muchas gracias por tu pronta respuesta.


Entiendo la analogía de Eratóstenes que muestras en tu respuesta. Y ya me quedaba claro que el horizonte no es un objeto físico real que se pueda definir, sino que tan sólo permite hipotetizar su verdadera forma.

Ahora bien, cuando dices que el observador es el centro del Universo Observable y que el Horizonte de Partículas es el límite que podemos observar y que éste varía en función al punto de observación, pues me quedan dudas:

1. - Si se considera al observador como el centro de la esfera, entonces ¿por qué no se le considera al borde como Big-Bang?
(Vale, me queda claro que el Big-Bang es sólo la singularidad que, a través de inflación, creó el espacio-tiempo, pero ¿por qué no considerar a dicha singularidad como único borde común para todos los posibles centros de la esfera?)

2. - ¿Por qué dices que el Horizonte de Partículas cambia según el punto de observación que se establece como centro de la esfera?
(¿No sería cierto decir que, una vez que se llega a ese borde del Horizonte de Partículas, lo siguiente que cualquier observador se toparía sería con la misma singularidad del Big-Bang, independientemente del origen de su observación?)

3. - Entiendo que no se puede saber lo que se ve desde otra isla porque no se puede viajar más allá de ella pero: si en vez de tomar al observador como origen de la esfera espacio-temporal, se considerase como origen y centro la singularidad que creó dicho espacio-tiempo, entonces ¿por qué sería incorrecto decir que el Universo sólo puede describir límite finito cuando alcanza al plano espacio-temporal del observador?


Muchas gracias.

Nood.

[Alriga]

Re: Dudas entre Universo Observable y Universo Global

Si se considera al observador como el centro de la esfera, entonces ¿por qué no se le considera al borde como Big-Bang?

1) Eso no tiene sentido. Todos los puntos “P” de mi horizonte de partículas tienen las mismas propiedades que el punto “A” en el que yo estoy. Si cambiase mi ubicación y me situase en cualquier punto “P” del horizonte de “A”, el Universo que vería sería similar al que veo desde “A”, vería un universo observable de 46.000 Mañosluz de radio centrado en “P” y ahora el punto “A” sería uno de los puntos de mi nuevo horizonte.
(Exactamente igual que si intercambias tu punto en la isla por un punto del horizonte de la isla)

… el Big-Bang es sólo la singularidad que, … , creó el espacio-tiempo, pero ¿por qué no considerar a dicha singularidad como único borde común para todos los posibles centros de la esfera? …

2) Eso tampoco tiene sentido. Llamamos “singularidad” a lo que sucedió antes de que el Universo tuviese una edad de aprox. $\notcien{5}{-44}$ segundos, porque nuestras leyes no funcionan ahí y no sabemos lo que pasó. Pero ese tiempo ya pasó. Ahora no hay ninguna singularidad en el Universo y como no la hay, no puede ser borde de nada. Pensar en una singularidad que no existe AHORA no te va a servir de nada para entender como es el Universo AHORA.

… ¿Por qué dices que el Horizonte de Partículas cambia según el punto de observación que se establece como centro de la esfera? …

3) Porque es así, esa es su definición, el Horizonte de Partículas de cualquier punto “A” del universo es una superficie esférica centrada en él y formada por los puntos más lejanos que pueden ser vistos desde “A” Cada punto del universo es el centro de su propio universo observable, que está limitado por su propio horizonte de partículas.
(Observa de nuevo la similitud con el horizonte náutico)

... ¿No sería cierto decir que, una vez que se llega al … Horizonte de Partículas, lo siguiente que cualquier observador se toparía sería con la misma singularidad del Big-Bang, independientemente del origen de su observación? …

4) No, ahora no hay ninguna singularidad ahora en nuestro horizonte de partículas. Todos los puntos del universo tienen las mismas propiedades. Vuelve a leer la explicación que hago en el punto (1)

… si en vez de tomar al observador como origen de la esfera espacio-temporal, se considerase como origen y centro la singularidad que creó dicho espacio-tiempo …

5) La “singularidad” ya no existe ahora. La “singularidad” fue el origen de todo el espacio y el tiempo a la vez, por lo tanto “estuvo” en todos los puntos del Universo a la vez y en ninguno más que en otro. La “singularidad” NO fue el centro del Universo, FUE el Universo. Ningún punto del Universo estuvo más cerca ni más lejos de la “singularidad” que otro porque todos fueron la singularidad.

Saludos.

[Jaime Rudas]

Re: Dudas entre Universo Observable y Universo Global

el Universo Observable resulta ser geométricamente una esfera en expansión (la forma de la esfera es debido a la curvatura cerrada del espacio-tiempo finito), en la que el centro corresponde al Big-Bang y el borde de dicha esfera corresponde al espacio-tiempo actual de La Tierra y de nuestro Sistema Solar.

Creo entender que visualizas el universo observable como una hiperesfera espaciotemporal (o sea, de cuatro dimensiones) cuyo centro es el big bang y su superficie (tridimensional) es el espacio en el momento actual. Si es así, creo que esta es la fuente de los errores que estás cometiendo en tu planteamiento. El universo observable es, a mi modo de ver, mucho más simple que eso. Olvídate por un momento de curvaturas, de expansiones y del concepto de espacio tiempo cuatridimensional que, por ahora, no nos hace falta. Imagínate un universo sin curvatura e infinito (vamos, un universo newtoniano común y silvestre) pero con una edad de 13.800 millones de años. En esas condiciones, tú podrías observar todo aquello que se encontrara en un radio de 13.800 millones de años luz y ese sería tu universo observable. Las galaxias que se encuentren a mayor distancia, no las puedes observar porque su luz no ha tenido tiempo de llegarte. Por ejemplo, una galaxia que se encuentre a 15.000 millones de años luz estaría fuera de tu universo observable, pero estaría dentro del universo observable de alguien que se encuentre a 5.000 millones de años luz en esa dirección. Es en ese sentido que el universo observable es relativo al observador. Ahora bien, lo que sucede en realidad es muy parecido a eso que he descrito, solo que, como el universo efectivamente se expande, la galaxia más lejana que puedes ver se encuentra actualmente, no a 13.800 millones de años luz, sino a 46.000 millones de años luz.

[Nood]

Re: Dudas entre Universo Observable y Universo Global

Muchas gracias de nuevo, Alriga.

Más o menos entiendo lo que quieres decirme, pero al ser novato me cuesta mucho abstraer e imaginar en mi cabeza los conceptos, por lo que te pido de antemano disculpas por seguir teniendo dudas al respecto.

A ver que me aclare:

¿Me estás dando a entender que si yo miro por un telescopio superpotente en cualquier dirección, desde esa observación considerada como centro de la esfera del Universo Observable, el borde no seria siempre la radiación de fondo de microondas?
(Vale, el borde actual sería el fondo de radiación de microondas y no el Big-Bang, pero sólo porque no podemos ver más allá de él, ya que hasta ese entonces los electrones no quedaban encerrados en el núcleo atómico y no dejaban paso al camino del fotón a través del tejido espacio-temporal).

¿Entonces me estás diciendo que si yo realizase una medición hasta el borde de la esfera del Universo Observable, desde un pequeño planeta de un sistema estelar perteneciente a una galaxia lejana, ese borde, a pesar de encontrarse a una distancia espacio-temporal distinta a la de la Tierra en este momento respecto al borde de la esfera, su forma sería algo diferente a la forma dada por el fondo de microondas que nosotros veríamos desde aquí?


Es importante para mi aclarar ese concepto, pues yo consideraba como certeza absoluta que desde cualquier punto del Universo Observable, si se observaba en cualquier dirección con un telescopio a través de un campo ultraprofundo, se acabaría siempre llegando a la misma forma dada por el fondo de microondas que ilumina los rescoldos que quedaron tras la explosión del Big-Bang.

Gracias otra vez.

Nood.

- - - Actualizado - - -

Jaime Rudas, muchas gracias.

Exacto. Eso es. Veo el Universo Observable como una hiperesfera espaciotemporal (o sea, de cuatro dimensiones) cuyo centro es el big bang y su superficie (tridimensional) es el espacio en el momento actual.

¿Por qué dices que es un error verlo así?. ¿Por qué no es correcto?.

¿Acaso el espacio-tiempo no puede ser moldeado a través de una variedad pseudoriemanniana (3,1) de cuatro dimensiones junto a un tensor métrico cuyo origen es el Big Bang y el fin es determinado por la ubicación del observador?

Muchas gracias,

Nood

[Alriga]

Re: Dudas entre Universo Observable y Universo Global

Lo más lejano que potencialmente podemos ver es el Horizonte de Partículas HP, situado a 46345 M años luz de nosotros, aunque en realidad como dices lo realmente más lejano que podemos ver es el Fondo cósmico de Microondas CMB situado a 45387 Maños luz de nosotros.

El CMB se generó en forma de fotones de cuerpo negro a 3000 K en la Recombinación en todo el Universo a la vez, cuando el Universo tenía solo 385.000 años y se estaba expandiendo con una rapidez tremenda.

Los fotones de la recombinación que recibimos justo ahora se generaron en una superficie esférica centrada en nosotros que en el instante de la recombinación tenía 41.6 millones de años luz. Han tardado en llegar casi 13800 millones de años porque nos han estado persiguiendo sin podernos alcanzar hasta ahora debido a la rápida expansión del universo. Y la expansión ha provocado que su longitud de onda se alargue y hora los veamos como fotones de cuerpo negro de 2.73 K

Los fotones que se generaron más cerca de 41.6 Mal, ya llegaron a la posición de la Tierra hace tiempo y pasaron de largo. Los que se generaron más lejos, llegarán en el futuro. Continuamente nos están llegando fotones generados en la recombinación, cada vez de más lejos.

¿Dónde están ahora los puntos del universo que en el instante de la recombinación estaban a 41.6 Mal? Como acabo de explicar, ahora están situados en una esfera centrada en nosotros de 45387 Mal de radio.

Imaginemos que mediante un mágico “agujero de gusano” del Universo, un observador puede trasladarse ahora instantáneamente a 45387 Mal de aquí y por radio a través del "agujero de gusano” explicarnos lo que ve.

¿Crees que nos explicaría que en ese punto solo ve fotones? No. Ese punto del universo generó los fotones de CMB que vemos nosotros ahora, pero los generó hace 13800 millones de años. En ese tiempo, en ese punto del universo ha habido evolución estelar y se han formado galaxias y estrellas. El observador nos diría que ve un universo casi indistinguible del que se ve aquí, con estrellas y galaxias: un universo observable de 46345 Mal de radio, pero que también lo más lejos que puede ver es una esfera de microondas de 2.7 K de cuerpo negro de 45387 Mal de radio.

El universo a gran escala es homogéneo e isótropo, todos los puntos tienen las mismas propiedades. El Universo no tiene bordes. Si tuviese algún borde, los puntos de ese borde serían diferentes de otros puntos, lo que entraría en contradicción con que el universo es homogéneo. Por el mismo motivo, el universo no tiene centro.
Cualquier pensamiento previo que tengas que acoja la idea de algún tipo de borde o de centro del universo deséchalo, está mal y solo conseguirá liarte.

Igual que el horizonte náutico parece un borde pero no lo es, (si viajas a un punto de ese horizonte observas que es un punto de la esfera terrestre con las mismas propiedades que el punto del que has partido) el Horizonte de Partículas del Universo Observable no es ningún borde físico de nada, sus puntos tienen las mismas características y propiedades que cualquier otro punto del universo.

Si lo piensas, verás que cada punto del universo es el centro de su HP y simultáneamente forma parte del horizonte de partículas de otros infinitos puntos del Universo.

Te aconsejo que le eches un vistazo a Las paradojas de la gran explosión

Saludos.

[Jaime Rudas]

Re: Dudas entre Universo Observable y Universo Global

Veo el Universo Observable como una hiperesfera espaciotemporal (o sea, de cuatro dimensiones) cuyo centro es el big bang y su superficie (tridimensional) es el espacio en el momento actual.

¿Por qué dices que es un error verlo así?. ¿Por qué no es correcto?.

Porque lo que generalmente se entiende por universo observable no tiene mucho que ver con eso que describes, mientras que el universo en su totalidad si podría tener un muy lejano parecido. La parte del universo que podemos observar tiene, a muy grande escala, curvatura prácticamente nula. Lo anterior significa que, si el universo en su totalidad tiene alguna curvatura, esta es tan pequeña que no la podemos detectar. Esto, a su vez, significa que, de tener curvatura (y de ser homogéneo), el radio de curvatura es varios órdenes superior que el diámetro del universo observable (cerca de 90.000 M de a. l.). Ahora bien, en caso de que esta pequeña curvatura fuera positiva, entonces su métrica sería parecida a la de la superficie de una hiperesfera cuatridimensional. Y digo parecida, porque una esfera cuatridimensional tiene 4 dimensiones espaciales, mientras que el universo solo tiene 3, lo que implica que las hiperesfera tenga centro, mientras que el universo no lo tenga.

¿Acaso el espacio-tiempo no puede ser moldeado a través de una variedad pseudoriemanniana (3,1) de cuatro dimensiones junto a un tensor métrico

Hasta aquí, sí, pero esto no tiene mucha relación con lo que dices arriba sobre una hiperesfera con centro en el big bang.