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Pregúntele a Ethan No. 10: ¿Por qué el universo es el mismo en todas partes?

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Uno de los rasgos humanos más trágicos es la tendencia a salvar vidas. Todos soñamos con un jardín de rosas mágico más allá del horizonte, en lugar de disfrutar de las rosas que florecen fuera de nuestra ventana.

Dale Carnegie.

El lector pregunta:
Realmente no entendía la inflación cósmica y el problema del horizonte. Creo que ya has hablado de esto, pero me gustaría escuchar más detalles.

Volvamos al principio.

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Este es tu universo. Se extiende hasta donde los telescopios más potentes pueden mirar en todas las direcciones. Ven decenas de miles de galaxias dispersas en distancias de decenas de miles de millones de años luz en todas las direcciones, dondequiera que miremos. A gran escala, todo es casi lo mismo: densidades, temperaturas, tipos de estrellas y galaxias, metalicidad de las estrellas (la concentración relativa de elementos es más pesada que el helio), etc. Todo lo que vemos es cuanto más miramos, más cosas jóvenes vemos y más rápido se alejan de nosotros.

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Todo esto está conectado con la expansión y evolución del universo. Nuestras tres pruebas principales en el contexto de la Teoría general de la relatividad: la

expansión del Universo del Hubble: el desplazamiento al rojo está relacionado con la distancia a la galaxia, la
existencia y las propiedades de la radiación de fondo cósmico de microondas (KMFI), un mar de radiación casi perfectamente homogéneo de un cuerpo negro en todas las direcciones, con una temperatura ligeramente superior al cero absoluto
La abundancia de elementos ligeros: hidrógeno, deuterio, helio (helio 3 y 4) y litio en el universo joven, antes de la formación de estrellas,

nos dice que el Universo ha evolucionado y expandido desde un estado más cálido y más denso, y que ya está en su estado actual aproximadamente 13.8 mil millones de años. Largo, pero no infinito. Este paradigma se conoce como el Big Bang.

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Pero hay un problema. 13.800 millones de años, el Universo se expandió de acuerdo con las leyes de la relatividad general, es decir, la velocidad de expansión del espacio fue determinada por un conjunto de condiciones iniciales y el contenido de energía del universo (materia ordinaria, materia oscura, radiación, neutrinos, energía oscura, curvatura espacial, etc.). Todo está bien con esto: el problema es que el Universo es homogéneo y tiene aproximadamente las mismas propiedades en todas las direcciones, dondequiera que miremos.

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Las densidades y propiedades de los cúmulos de galaxias en un lado del Universo son idénticas a las del otro, sin importar cómo dividas el Universo en partes. Eso debería ser raro, ¿no?

De hecho, desde el Big Bang, la información no se pudo transmitir más rápido que la velocidad de la luz. Podemos ver una pieza del universo de 46 mil millones de años luz porque la luz ha recorrido esta distancia en el Universo en expansión durante los últimos 13.8 mil millones de años. Por lo tanto, si miramos en una dirección a 23 mil millones de años luz, y luego en la otra dirección, podemos esperar que estas dos secciones no estén conectadas entre sí.

¿Todavía no está claro? Daré una analogía.

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Imagine agua hirviendo en una sartén. Se calienta desde abajo y el agua hierve en todos los lugares al mismo tiempo. No hay diferencia de temperatura entre las partes superior e inferior del agua. ¿Porqué es eso?

Calienta la sartén desde abajo, pero el agua se calienta en todas partes. Esto se debe a que sus moléculas se mueven, chocan entre sí y comparten su energía. El agua de abajo intercambia energía e información con agua de arriba, y el tiempo requerido para este intercambio es mucho menor que el tiempo requerido para hervir.

Pero no siempre es el caso.

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En esta foto, la lava fluye desde un volcán activo hacia el océano. Cuando una lava calentada por encima de 1000 ° C entra en contacto con el agua, hierve inmediatamente. Pero el océano es grande y la velocidad de propagación del calor es finita. No muy lejos de este lugar, la temperatura del agua prácticamente no cambiará debido a la lava. Desde un punto de vista práctico, estas regiones están divididas entre sí; no intercambian información o propiedades.

Sería extraño si las regiones separadas entre sí, que no entran en contacto entre sí y no intercambian información, tienen la misma temperatura. Pero en el universo esto es exactamente lo que sucede.

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La radiación cósmica de fondo de microondas (KMFI) se emitió cuando el Universo tenía solo 380,000 años, y en ese momento la luz no podía viajar más de un millón de años luz en cualquier dirección. Si llenaras el cielo de microondas con círculos de un radio de un millón de años luz, necesitarías más de diez mil millones de regiones independientes para llenar todo lo que vemos. Sin embargo, en estas regiones que no están relacionadas entre sí, la temperatura, el espectro y la densidad son los mismos con una precisión del 99,99%.

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Este problema, cuando las regiones que no están en contacto entre sí, por alguna razón, tienen propiedades idénticas, se llama el problema del horizonte.

Se puede resolver de la siguiente manera: tal vez estas regiones no tuvieron tiempo para intercambiar información entre sí, pero ¿qué pasa si, después del Big Bang, ya tenían las mismas propiedades?

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En general, esta es una extensión: lo que sucedió antes del Big Bang, que no solo lo preparó, sino que también preparó las condiciones iniciales que tiene nuestro Universo. Tomaron una pequeña región (posiblemente infinitamente pequeña), la expandieron exponencialmente y se extendieron a tamaños más grandes que el Universo observado, mientras establecían las siguientes reglas:

cualquier materia, partículas, energía o defectos topológicos que existían en esta región antes de la expansión, tienen una densidad tan reducida que no habrá más de una de esas partículas en todo el Universo (el problema de los monopolos está resuelto)
sin importar qué curvatura tenga el espacio antes de la expansión, su expansión es tan se extiende hasta que se hace indistinguible de un espacio plano (el problema de un universo plano se está resolviendo),
no importa qué variaciones de temperatura y densidad existan en las diferentes regiones del espacio antes de la expansión, nuestro Universo observable proviene de una pequeña región. Por lo tanto, la temperatura y la densidad del Universo son las mismas en todas partes (el problema del horizonte está resuelto)
Las fluctuaciones cuánticas que ocurrieron durante la expansión condujeron a un conjunto claro de predicciones de fluctuaciones de temperatura y densidad en la parte visible del Universo.

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Si descartamos la teoría de la inflación, entonces tenemos que sustituir los otros tres problemas (monopolos, un universo plano y el horizonte) y una predicción (sobre el espectro de fluctuaciones de temperatura y densidad del Universo) debajo de la alfombra, y diga: "Estas son solo las condiciones iniciales del Big Bang" para que su modelo funcione.

O puede reconocer el modelo inflacionario, como una forma simple, elegante e inmediata de resolver todos estos problemas.

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Es por eso que nuestro Universo, hasta donde sabemos, es el mismo en todas partes y en todas las direcciones.

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