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[Diduco]

Muy buenas, tengo una duda sobre una cuestión que no se lo absurdo que puede llegar a ser:

Sabemos que el Universo está en expansión, y esta expansión afecta a todos los niveles, incluso a nivel atómico, pongamos por ejemplo que estamos en la mitad de la edad del Universo, hace unos 500 mil millones de años, el espacio entre el núcleo atómico y los electrones, en caso de que existiesen, sería la mitad, el propio nucleo tendría la mitad de tamaño, el universo habría sufrido un proceso de miniaturización, mi pregunta es, ¿como afectaría esto a las leyes de la física? ¿Las constantes universales serían diferentes a las que ahora tenemos?, ¿Es algo que se tiene en cuenta cuando se teoriza acerca del pasado y el futuro del Universo?

Muchas gracias.

[Sartie]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Muy buenas, tengo una duda sobre una cuestión que no se lo absurdo que puede llegar a ser:

Sabemos que el Universo está en expansión, y esta expansión afecta a todos los niveles, incluso a nivel atómico, pongamos por ejemplo que estamos en la mitad de la edad del Universo, hace unos 500 mil millones de años, el espacio entre el núcleo atómico y los electrones, en caso de que existiesen, sería la mitad, el propio nucleo tendría la mitad de tamaño, el universo habría sufrido un proceso de miniaturización, mi pregunta es, ¿como afectaría esto a las leyes de la física? ¿Las constantes universales serían diferentes a las que ahora tenemos?, ¿Es algo que se tiene en cuenta cuando se teoriza acerca del pasado y el futuro del Universo?

Muchas gracias.

hace algunos años pude leer un articulo en el cual decian que habian medido la constante de estructura fina que habia en el universo hace miles de millones de años (gracias a imagenes tomadas de galaxias muy lejanas) y encontraron que este valor no era el mismo que hay actualmente, de modo que el valor de esta constante ha evolucionado con el tiempo

[pod]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Sabemos que el Universo está en expansión, y esta expansión afecta a todos los niveles,

Incorrecto. La expansión no afecta a todos los niveles. De hecho, ni siquiera afecta a tamaño galáctico. Las galaxias siempre tienen el mismo tamaño.

La expansión se nota a nivel inter-galáctico. Las galaxias se van separando, pero el tamaño de cada una es el mismo siempre. Es un fenómeno conocido como "relajación gravitatoria".

incluso a nivel atómico,

Incluso si nuestro entorno se expandiera, los átomos no se expandirían. Los átomos están unidos por fuerzas mucho más potentes que la expansión.

La expansión sólo podría llegar a causar problemas al tamaño de cuerpos unidos no-gravitatoriamente si fuera increíblemente rápida, lo que conocemos como big rip. Ese es un posible final del universo, pero si ocurre, está muy muy lejos en el futuro. Hoy en día no ocurre.

pongamos por ejemplo que estamos en la mitad de la edad del Universo, hace unos 500 mil millones de años, el espacio entre el núcleo atómico y los electrones, en caso de que existiesen, sería la mitad,

Esto tampoco es correcto. La expansión no es lineal. Antes era mucho más rápida que ahora.

el propio nucleo tendría la mitad de tamaño, el universo habría sufrido un proceso de miniaturización, mi pregunta es, ¿como afectaría esto a las leyes de la física? ¿Las constantes universales serían diferentes a las que ahora tenemos?, ¿Es algo que se tiene en cuenta cuando se teoriza acerca del pasado y el futuro del Universo?

Las leyes de la Física son las mismas independientemente de la densidad.

hace algunos años pude leer un articulo en el cual decian que habian medido la constante de estructura fina que habia en el universo hace miles de millones de años (gracias a imagenes tomadas de galaxias muy lejanas) y encontraron que este valor no era el mismo que hay actualmente, de modo que el valor de esta constante ha evolucionado con el tiempo

Es algo que ya he explicado otras veces. La conclusión sacada de esas medidas era incorrecta. Más adelante se dieron cuenta que lo que cambiaba no era la constante de estructura fina, sino que la velocidad de expansión era diferente de la pensada. Esas fueron las medidas que demostraron que la expansión se está acelerando. Una vez introducida la aceleración, ya no es necesario introducir una variación en la constante de estructura fina. Y, por supuesto, la aceleración cuadra más con mediciones que se han ido haciendo posteriormente.

[Afisionado]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Incorrecto. La expansión no afecta a todos los niveles. De hecho, ni siquiera afecta a tamaño galáctico. Las galaxias siempre tienen el mismo tamaño.

De hecho, si todo se expandiera al mismo tiempo no notaríamos la expansión ¿no? Es una hipótesis: si las lentes de los telescopios con los que se observan otras galaxias se expandieran de forma proporcional a la expansión del espacio que nos separa, no se produciría en nuestra observación el corrimiento al rojo que delata dicha expansión.

Esto tampoco es correcto. La expansión no es lineal. Antes era mucho más rápida que ahora.

Pero ¿no se está acelerando la expansión? Eso tenía leído

[/QUOTE]

[pod]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

De hecho, si todo se expandiera al mismo tiempo no notaríamos la expansión ¿no? Es una hipótesis: si las lentes de los telescopios con los que se observan otras galaxias se expandieran de forma proporcional a la expansión del espacio que nos separa, no se produciría en nuestra observación el corrimiento al rojo que delata dicha expansión.

Sí se notaría. Todas las interacciones dependen de la distancia. Por ejemplo, un átomo tiene el tamaño que tiene porque el potencial de Coulomb decrece con la distancia como 1/r. Si el espacio entre el electrón y el nucleo se expandiera, pueden pasar dos cosas: que la distancia crezca tan rápidamente como para que el electrón se pueda escapar (lo que pasaría en el big rip), o bien la atracción de Coulomb hará que todo vuelva a su tamaño anterior.

Eso es así en básicamente todas las estructuras ligadas. O la expansión es suficiente rápida como para romper la unión, o bien todo acaba volviendo al estado anterior. Por eso la expansión no se nota dentro de las galaxias, por ejemplo.

Pero ¿no se está acelerando la expansión? Eso tenía leído

Está empezando a acelerarse. Hasta hace cuatro días (cosmológicos) era desacelerada.

La evolución del factor de escala viene determinada por lo que hay en el universo. Si lo que hay es materia o radiación, la expansión es desacelerada siempre. Ahora bien, al expandirse, la densidad tanto de materia como de radiación decrece rápidamente (como $1/a^3$ y $1/a^4$ respectivamente, si no recuerdo mal). No obstante, otros tipos de materia exótica (como la energía oscura) no se diluyen con la expansión, tienen densidad constante. Por eso, ahora empieza a notarse los efectos de la energía oscura. Antes, la densidad de radiación y materia era mucho mayor, y la energía oscura no podía hacer su trabajo.

Si te fijas, en los datos cosmológicos actuales, la energía oscura está en relación 3 a 1 con todo lo demás. Es decir, aunque es mayoría, aún es del mismo orden de magnitud. Así que en esta época (cosmológica) se está produciendo el cambio de un universo dominado por la materia a uno dominado por la energía oscura (y por lo tanto, que empieza a acelerar).

Este tipo de transiciones ya pasaron en el pasado. Existió lo que ahora llamamos el instante de igualdad, cuando el universo dejó de estar dominado por la radiación a estarlo por la materia (si te fijas, la radiación decrece más rápido que la materia según lo que puse antes).

[ser humano]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

¿Por que la densidad de la radiacion disminuye mucho mas que el de la materia? -¿por las interacciones que tiene la ultima?-

[Jose D. Escobedo]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Esto tampoco es correcto. La expansión no es lineal. Antes era mucho más rápida que ahora.

Eso de que antes era mucho mas rapida que ahora es un poco confuso.

La ecuacion Friedmann puede tomar la forma de:

$\displaystyle \frac{H^2}{H_o^2} = \frac{\Omega_{r,o}}{a^4} + \frac{\Omega_{m,o}}{a^3} +\Omega_{\Lambda,o}$...(1)

teniendo en cuenta los parametros de densidad y que el universo es "flat." (Based also on the Benchmark model)

En los origenes del universo, el parametro de densidad de la radiacion era el que dominaba entonces (1) se reducia mas o menos a esto:

$\displaystyle \frac{H^2}{H_o^2} \sim \frac{\Omega_{r,o}}{a^4}$
que resulta en decir que:
$\displaystyle a(t) \propto t^\frac{1}{2} \rightarrow \dot a \propto t^\frac{-1}{2}$...(2)

Mas tarde, cuando la materia dominaba mas (1) se podia expresar asi:

$\displaystyle \frac{H^2}{H_o^2} \sim \frac{\Omega_{m,o}}{a^3}$

que resulta $\displaystyle a(t) \propto t^\frac{2}{3} \rightarrow \dot a \propto t^\frac{-1}{3}$...(3)

Actualmente $\Omega_{\Lambda, o}$ domina y podemos aproximar (1) como:

$\displaystyle \frac{H^2}{H_o^2} \sim \Omega_{\Lambda,o} \Rightarrow$

$\displaystyle a(t) \propto e^{Kt}$...(4)

de (2), (3) y (4) diria que no es lineal como lo ha dicho pad, pero ahora es mas rapida que antes.

A menos que existan teorias mas nuevas que no conosco y que me gustaria aprender.

[pod]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

¿Por que la densidad de la radiacion disminuye mucho mas que el de la materia? -¿por las interacciones que tiene la ultima?-

La radiación, además de quedar diluida en un mayor volumen (factor $1/a^3$), sufre efecto Doppler, su longitud de onda se alarga en porporción al parámetro de escala, disminuyendo su energía (un factor adicional $1/a$ que la materia normal no tiene).

Eso de que antes era mucho mas rapida que ahora es un poco confuso.

No, no lo es. Es estrictamente cierto.

En los origenes del universo, el parametro de densidad de la radiacion era el que dominaba entonces (1) se reducia mas o menos a esto:

$\displaystyle \frac{H^2}{H_o^2} \sim \frac{\Omega_{r,o}}{a^4}$
que resulta en decir que:
$\displaystyle a(t) \propto t^\frac{1}{2} \rightarrow \dot a \propto t^\frac{-1}{2}$...(2)

Mas tarde, cuando la materia dominaba mas (1) se podia expresar asi:

$\displaystyle \frac{H^2}{H_o^2} \sim \frac{\Omega_{m,o}}{a^3}$

que resulta $\displaystyle a(t) \propto t^\frac{2}{3} \rightarrow \dot a \propto t^\frac{-1}{3}$...(3)

Actualmente $\Omega_{\Lambda, o}$ domina y podemos aproximar (1) como:

$\displaystyle \frac{H^2}{H_o^2} \sim \Omega_{\Lambda,o} \Rightarrow$

$\displaystyle a(t) \propto e^{Kt}$...(4)

de (2), (3) y (4) diria que no es lineal como lo ha dicho pad, pero ahora es mas rapida que antes.

Primero, no soy una almohadilla

Segundo, la aproximación que has hecho para el instante inicial no es válida. Recuerda que la energía oscura y la materia están básicamente en un factor 1 a 3. No puedes despreciar un uno frente a un tres.

Tercero, tu razonamiento no lo contradice en ningún momento lo que yo estaba diciendo. De hecho, lo confirma. Tú mismo has dicho que en el origen del universo,

$$\dot a \propto \frac{1}{\sqrt t} \xrightarrow{t\to 0} \infty .$$

Mientras que hoy en día, incluso tomando como válida tu burda aproximación,

$$\dot a \propto \eee{K t} < \infty .$$

Por lo tanto, la velocidad de expansión era mayor en el pasado.

En tiempo cosmológico, la aceleración ha empezado a actuar prácticamente "ayer", hace muy muy poco. A penas ha tenido tiempo de recuperar las enormes velocidades de expansión que teníamos en tiempos "la semana pasada".

Es muy sencillo hacer estimaciones. Si tomamos la proporción 3 a 1, recordando que la materia va como $1/a^3$, y siempre tomando $a = 1$ en la actualidad, está claro que el instante de igualdad entre materia y energía oscura fue en $a= 1 / \sqrt[3]3 \approx 0.7$. Compara esto con, por ejemplo, el origen del CMB, que si no recuerdo mal fue al rededor de a = 1/1100. Si la igualdad con la materia oscura fue ayer, entonces el origen del CMB es de hace dos años.

[Jose D. Escobedo]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

No, no lo es. Es estrictamente cierto.



Primero, no soy una almohadilla

Segundo, la aproximación que has hecho para el instante inicial no es válida. Recuerda que la energía oscura y la materia están básicamente en un factor 1 a 3. No puedes despreciar un uno frente a un tres.

Tercero, tu razonamiento no lo contradice en ningún momento lo que yo estaba diciendo. De hecho, lo confirma. Tú mismo has dicho que en el origen del universo,

$$\dot a \propto \frac{1}{\sqrt t} \xrightarrow{t\to 0} \infty .$$

Mientras que hoy en día, incluso tomando como válida tu burda aproximación,

$$\dot a \propto \eee{K t} < \infty .$$

Por lo tanto, la velocidad de expansión era mayor en el pasado.

En tiempo cosmológico, la aceleración ha empezado a actuar prácticamente "ayer", hace muy muy poco. A penas ha tenido tiempo de recuperar las enormes velocidades de expansión que teníamos en tiempos "la semana pasada".

Es muy sencillo hacer estimaciones. Si tomamos la proporción 3 a 1, recordando que la materia va como $1/a^3$, y siempre tomando $a = 1$ en la actualidad, está claro que el instante de igualdad entre materia y energía oscura fue en $a= 1 / \sqrt[3]3 \approx 0.7$. Compara esto con, por ejemplo, el origen del CMB, que si no recuerdo mal fue al rededor de a = 1/1100. Si la igualdad con la materia oscura fue ayer, entonces el origen del CMB es de hace dos años.

En cuanto al primer punto, disculpa por llamarte pad en vez de pod, it was just a typo.

En relacion a que $\dot a \to \infty$ cuando el tiempo es cero, contradice el principio de incertidumbre o indeterminacion (porque no estoy muy seguro como lo dicen en Espanol, lo siento). Es decir que al principio

$\displaystyle \delta_E \delta_t \ge \frac{\hbar}{2} \Rightarrow t>0$

Encuanto al tercer punto se que es una aproximacion un poco burda, pero explica mas o menos lo que pasara en el futuro (de acuerdo con el Becmmark model por supuesto), podria haber tratado de calcular la integral con metodos aproximados, para asi tener una mejor aproximacion y que no se tan burda para ti pod, pero soy un poco perezoso y creo que para lo que queria indagar lo anterior era suficiente.

saludos y disculpa por las molestias.

atentamente Jose.

[pod]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

En relacion a que $\dot a \to \infty$ cuando el tiempo es cero, contradice el principio de incertidumbre o indeterminacion (porque no estoy muy seguro como lo dicen en Espanol, lo siento). Es decir que al principio

$\displaystyle \delta_E \delta_t \ge \frac{\hbar}{2} \Rightarrow t>0$

$t \to 0$ es la definición de "instante del big bang". Tiene todo el sentido del mundo hacerlo en cosmología. Pero da igual, toma $t \approx 10^{-43}\mathrm{s}$ y ponlo dentro de la velocidad de expansión en la época de radiación. Te saldrá un número mucho más grande que $\eee{K t}$ para el tiempo actual.

Encuanto al tercer punto se que es una aproximacion un poco burda, pero explica mas o menos lo que pasara en el futuro (de acuerdo con el Becmmark model por supuesto), podria haber tratado de calcular la integral con metodos aproximados, para asi tener una mejor aproximacion y que no se tan burda para ti pod, pero soy un poco perezoso y creo que para lo que queria indagar lo anterior era suficiente.

Por supuesto, es lo que pasará (o, mejor dicho, lo que pasaría si verdaderamente la energía oscura correspondiera a un $\Omega_\Lambda$, que tampoco está claro). Pero nosotros hablamos del instante actual. Y, como hemos dicho, la aceleración apena lleva un "ratito cosmológico actuando". Por lo tanto, me reafirmo: la expansión antes era más rápida que ahora. En el futuro volverá a ser más rápida, sí, pero eso es otra cosa totalmente diferente.

Por ejemplo, imagínate que vas en un coche a gran velocidad. Ves un semáforo en rojo y empiezas a frenar. En cierto momento, un poco antes de detenerte, el semáforo se pone verde de nuevo, así que vuelves a acelerar. Un segundo más tarde, te preguntan ¿ahora mismo vas más lento o más rápido que antes? Pues hombre, dirás que antes ibas más rápido, aunque es verdad que hace medio segundo ibas mas lento (por que ya llevabas medio segundo acelerando); pero el intervalo es tan insignificante que lo ignorarás al responder. Pues este caso es lo mismo.

[Chacaritamanda]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Que el universo se empiece a expandir mas rapido que antes significa algun cambio notable que tengamos que tener en cuenta y seguir de cerca? Que consecuencias puede tener en el futuro, se podra saber mas sobre el destino final del universo?

[Chacaritamanda]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Sí se notaría. Todas las interacciones dependen de la distancia. Por ejemplo, un átomo tiene el tamaño que tiene porque el potencial de Coulomb decrece con la distancia como 1/r. Si el espacio entre el electrón y el nucleo se expandiera, pueden pasar dos cosas: que la distancia crezca tan rápidamente como para que el electrón se pueda escapar (lo que pasaría en el big rip), o bien la atracción de Coulomb hará que todo vuelva a su tamaño anterior.

Cuando decis tamaño anterior te referis a un posible big crunch ?

[Chacaritamanda]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Pod, te hago otra pregunta, cuando pones "Está empezando a acelerarse. Hasta hace cuatro días (cosmológicos) era desacelerada." que significa que hace 4 dias era desacelerada, que se estaba expandiendo a una velocidad pequeña, y que cada vez era menor esa velocidad, que no crecia con el tiempo?

otra pregunta, el universo hasta el dia de hoy siempre se ha ido expandiendo? o hubo fases en las que el universo no aumentaba su tamaño y no se expandia o se contraia ?

[pod]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

Que el universo se empiece a expandir mas rapido que antes significa algun cambio notable que tengamos que tener en cuenta y seguir de cerca? Que consecuencias puede tener en el futuro, se podra saber mas sobre el destino final del universo?

¿Te refieres al tiempo de vida humano? No, ni mucho menos. Todo esto pasa a escala cosmológica.

Cuando decis tamaño anterior te referis a un posible big crunch ?

No.

Pod, te hago otra pregunta, cuando pones "Está empezando a acelerarse. Hasta hace cuatro días (cosmológicos) era desacelerada." que significa que hace 4 dias era desacelerada, que se estaba expandiendo a una velocidad pequeña, y que cada vez era menor esa velocidad, que no crecia con el tiempo?

Hasta hace poco (cosmológicamente hablando) la expansión era frenada. Ahora es acelerada.

otra pregunta, el universo hasta el dia de hoy siempre se ha ido expandiendo?

Sí.

o hubo fases en las que el universo no aumentaba su tamaño y no se expandia o se contraia ?

No.

[Chacaritamanda]

Re: Expansión del Universo / Física de Partículas

¿Te refieres al tiempo de vida humano? No, ni mucho menos. Todo esto pasa a escala cosmológica.



No.

Si ya se que la humanidad tendra su final dentro de 5 mil millones de años, pero suponiendo que haya civilizaciones avanzadas o para ese entonces se puedan mudar los habitantes de nuestro planeta a otro planeta, etc. Y tambien por la misma esencia de nuestro universo, que impacto puede tener una aceleracion cada vez mayor del universo en los millones de planetas que hay en el universo, por ej? siempre hablando a largo plazo.

Saludos!