Divulgación ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

[Fortuna]

Estoy leyendo el libro Un universo de la nada de Krauss Lawrence y me surgen muchas dudas. Una de ellas es la que aparece en el título de este post. En realidad no sé ni como realizar la pregunta, así que disculpas de antemano si no se entiende bien lo que quiero decir.

"La energía del falso vacío se comportaría igual que la representada por una constante cosmológica, porque actuaría como una energía que permea el espacio vacío. Esto provocaría que la expansión del universo en aquel momento se acelerase cada vez más. Al final, lo que se convertiría en nuestro universo observable empezaría a crecer más rápido que la velocidad de la luz. Esto está permitido en la relatividad general, aunque parece violar la relatividad especial de Einstein, que dice que nada puede viajar más deprisa que la velocidad de la luz. Pero aquí hay que analizar las palabras con el detenimiento de un abogado. La relatividad especial dice que nada puede viajar por el espacio más deprisa que la velocidad de la luz. Pero el propio espacio puede hacer lo que le venga en gana, al menos en la relatividad general. Y cuando el espacio se expande, puede trasladar objetos distantes, que están en reposo en el espacio donde se encuentran, alejándolos unos de otros a velocidades superlumínicas.
"

No entiendo cómo la expansión del espacio arrastra objetos.

[Alriga]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

... No entiendo cómo la expansión del espacio arrastra objetos ...

Tal vez entiendas mejor si intentas pensarlo al revés: ¿Como podría el espacio expandirse sin arrastrar objetos?
Si no arrastrase nada, ¿Cómo podríamos entonces decir que el espacio se expande? ¿En qué notaríamos la expansión?

Saludos.

[Fortuna]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

Si no arrastrase nada, ¿Cómo podríamos entonces decir que el espacio se expande? ¿En qué notaríamos la expansión?

Se podría decir que son los objetos los que se separan entre sí y que se crea espacio según se separan, de forma que el radio del universo observable aumenta. Por eso sabríamos que está el universo en expansión.

Pero además, tengo entendido que durante el big bang y antes de la inflación (o incluso durante ella) no había materia. Con ello quiero decir que existía la expansión, pero sólo del espacio vacío, sin objetos de referencia.

Tal vez entiendas mejor si intentas pensarlo al revés: ¿Como podría el espacio expandirse sin arrastrar objetos?

¿Por qué no?. Ya le hemos dado al espacio vacío capacidad de expandirse sin objetos. ¿por qué debe arrastar objetos materiales?.

[carroza]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

Pero además, tengo entendido que durante el big bang y antes de la inflación (o incluso durante ella) no había materia.

Hola. Hay que entender lo que signiica "materia". Cuando hablamos de "materia", (por ejemlo, electrones) nos estamos refiriendo, estrictamente hablando, a ciertos modos de vibración de un campo cuántico, el campo electrónico. Cuando hablamos de "radiación", nos referimos a otro campo, el campo electromagnético. En sentido amplio, tanto "materia" como "radiación", son campos cuánticos.

Durante la inflación, no había "materia" y "radiacion", como las conocemos ahora, pero sí que había otrso campos primigenios. En concreto, se habla del "Inflatón" como el campo que provocó la inflación. Por tanto, el espacio tiempo no estaba vacío. Contenía un campo.

[Jaime Rudas]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

Y cuando el espacio se expande, puede trasladar objetos distantes, que están en reposo en el espacio donde se encuentran, alejándolos unos de otros

Se me ocurre que puede haber algún error de traducción, porque hablar de trasladar y reposo en la misma frase resulta algo contradictorio. En realidad, el espacio en expansión no 'traslada' los objetos, sino que hace que aumente la distancia entre ellos.

Se podría decir que son los objetos los que se separan entre sí y que se crea espacio según se separan,

Sí, a eso es a lo que llamamos expansión: al aumento de distancia entre los objetos.

Se podría decir que son los objetos los que se separan entre sí y que se crea espacio según se separan, de forma que el radio del universo observable aumenta.

El radio del universo observable podría aumentar aún en el caso en que las distancias entre objetos disminuyeran.

[Fortuna]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

Gracias a los dos. Pero me sigue quedando la duda.

¿En qué se diferencia un espacio en expansión de uno estático con cuerpos en alejándose unos de otros?

[Jaime Rudas]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

Gracias a los dos. Pero me sigue quedando la duda.

¿En qué se diferencia un espacio en expansión de uno estático con cuerpos en alejándose unos de otros?

Hay varios fenómenos que se explican si el universo se expande y que no tienen explicación si simplemente los cuerpos se alejan unos de otros, como, por ejemplo, el hecho de que el cielo nocturno sea oscuro (la paradoja de Olbers) y la dilatación temporal en las curvas de luz de supernovas lejanas, producto de la expansión del universo.

En cuanto a este último, funciona más o menos de la siguiente forma: sabemos que hay un tipo particular de supernova que adquiere su máxima luminosidad en 10 días, o sea, los fotones del inicio de la explosión de la supernova son emitidos 10 días antes que los fotones de máxima luminosidad o, lo que es lo mismo, su distancia es de 10 días luz. Si el universo fuera estático esta distancia se conservaría, pues los dos fotones viajan a la misma velocidad. En cambio, si el corrimiento al rojo es debido a la expansión del universo, entonces, aunque la velocidad de los fotones sea la misma, la distancia entre ellos se va expandiendo. De esta forma, si observamos que el corrimiento al rojo es z=1, sabemos que, desde que explotó la supernova, las distancias se han duplicado y, por tanto, la distancia entre los dos fotones ya no será 10 días luz, sino 20 días luz, que es precisamente lo que se observa.

[Fortuna]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

Hola.

La paradoja de Olbers, ¿no podía ser resuelta simplemente porque el universo no es infinito?.

Por otra parte, respecto a las supernovas Ia, con un z=1 el efecto de dilatación del tiempo medido por nosotros respecto al que está en reposo con la supernova, hace que los intervalos de tiempo de los sucesos en la supernova los percibamos como la mitad. Desde este punto de vista, no sería el espacio el que se expande, sino la supernova la que se aleja.

[Jaime Rudas]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

La paradoja de Olbers, ¿no podía ser resuelta simplemente porque el universo no es infinito?.

Sí, pero si el universo es finito y no se expande, no pueden estar todas las galaxias alejándose unas de otras.

Por otra parte, respecto a las supernovas Ia, con un z=1 el efecto de dilatación del tiempo medido por nosotros respecto al que está en reposo con la supernova, hace que los intervalos de tiempo de los sucesos en la supernova los percibamos como la mitad. Desde este punto de vista, no sería el espacio el que se expande, sino la supernova la que se aleja.

No entiendo a qué te refieres: si un fotón es producido 10 días después de otro, la distancia entre ellos es de diez días luz, sin importar si la supernova se aleja, se acerca o permanece estática. Si el espacio no se expande, esa distancia entre fotones permanece constante porque la velocidad de los fotones es la misma. En estas condiciones, necesariamente veríamos el segundo fotón diez días después de ver el primero. Por otra parte, si el universo se expande, entonces la distancia entre fotones también lo hace y, adicionalmente, la longitud de onda de los fotones se expandirá en la misma proporción que la distancia entre fotones. De esta forma, si durante el recorrido de los fotones hasta llegar a nosotros el universo se ha expandido al doble de su tamaño, entonces veremos el segundo fotón no diez, sino 20 días después y, adicionalmente, veremos que sus longitudes de onda se han duplicado. Es eso lo que observamos.
Por supuesto, es posible que encontremos una explicación ad hoc para cada uno de estos fenómenos, pero la ventaja de la expansión es que un solo supuesto (la RG) los explica todos.

[Fortuna]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

Sí, pero si el universo es finito y no se expande, no pueden estar todas las galaxias alejándose unas de otras.

No veo por qué no, si son las galaxias las que se expanden en el espacio.

Si un fotón es producido 10 días después de otro, la distancia entre ellos es de diez días luz, sin importar si la supernova se aleja, se acerca o permanece estática. Si el espacio no se expande, esa distancia entre fotones permanece constante porque la velocidad de los fotones es la misma. En estas condiciones, necesariamente veríamos el segundo fotón diez días después de ver el primero.

No estoy de acuerdo. Si la supernova se mueve a z=1 entonces $z+1=\frac{f_0}{f_{obs}} \to f_{obs}=\frac{f_0}{2}$ es decir, la frecuencia observada en la Tierra es la mitad de la frecuencia emitida en la supernova. Es decir, los todos los sucesos que observamos de esa supernova duran el doble de tiempo para nosotros respecto a lo que duran en el sistema de referencia de la supernova, incluyendo el tiempo entre dos eventos como los que indicas.

Por otra parte, si el universo se expande, entonces la distancia entre fotones también lo hace y, adicionalmente, la longitud de onda de los fotones se expandirá en la misma proporción que la distancia entre fotones. De esta forma, si durante el recorrido de los fotones hasta llegar a nosotros el universo se ha expandido al doble de su tamaño, entonces veremos el segundo fotón no diez, sino 20 días después y, adicionalmente, veremos que sus longitudes de onda se han duplicado. Es eso lo que observamos.

Me parece más sencilla la explicación con el efecto doppler relativista.

[Jaime Rudas]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

No veo por qué no, si son las galaxias las que se expanden en el espacio.

¿Las galaxias se expanden en un espacio finito que no se expande? Francamente no veo cómo pueda ser eso: si el universo es finito y no se expande, tanto su masa como su volumen son constantes y, por tanto, su densidad también lo es; mientras que si todas las galaxias se alejan unas de otras, la densidad necesariamente disminuye.

Me parece más sencilla la explicación con el efecto doppler relativista.

Estuve revisando y sí, tienes razón: parece que para el caso de la dilatación temporal, tanto la expansión del universo como el efecto Doppler relativista dan el mismo resultado, como se puede ver en el punto 4.1 de este enlace. Sin embargo, en el punto 4.2 muestra que para el caso de la relación magnitud-corrimiento al rojo en supernovas Ia las observaciones favorecen claramente la expansión sobre el efecto Doppler relativista.

[Fortuna]

Re: ¿como se "ancla" la materia a un espacio en expansión?.

¿Las galaxias se expanden en un espacio finito que no se expande? Francamente no veo cómo pueda ser eso: si el universo es finito y no se expande, tanto su masa como su volumen son constantes y, por tanto, su densidad también lo es; mientras que si todas las galaxias se alejan unas de otras, la densidad necesariamente disminuye.

Hablaba de un espacio en el que el volumen del mismo aumenta según los objetos se alejan. Creo que se entiende, un concepto clásico. No le demos más vueltas. Ya sabemos que no es así.

Estuve revisando y sí, tienes razón: parece que para el caso de la dilatación temporal, tanto la expansión del universo como el efecto Doppler relativista dan el mismo resultado, como se puede ver en el punto 4.1 de este enlace. Sin embargo, en el punto 4.2 muestra que para el caso de la relación magnitud-corrimiento al rojo en supernovas Ia las observaciones favorecen claramente la expansión sobre el efecto Doppler relativista.

He leído el artículo, pero no lo entiendo. No sé relatividad general. Aunque sí veo las conclusiones.

Ahora falta alguien que explique ésto en plan divulgación.