¿Sabías que el universo que observamos tiene límites bastante definidos? Estamos acostumbrados a asociar el Universo con algo infinito e incomprensible. Sin embargo, la ciencia moderna a la pregunta del "infinito" del Universo ofrece una respuesta completamente diferente a una pregunta tan "obvia".
Según los conceptos modernos, el tamaño del universo observable es de aproximadamente 45,7 mil millones de años luz (o 14,6 gigaparsecs). Pero, ¿qué significan estos números?
La frontera de lo ilimitado
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La primera pregunta que le viene a la mente a una persona común es cómo el Universo no puede ser infinito en absoluto. Parecería indiscutible que el contenedor de todo lo que existe a nuestro alrededor no debería tener fronteras. Si existen estos límites, ¿cuáles son?
Digamos que algún astronauta voló a las fronteras del universo. ¿Qué verá frente a él? ¿Una pared sólida? ¿Barrera de fuego? ¿Y qué hay detrás de esto, el vacío? ¿Otro Universo? Pero, ¿puede el vacío u otro Universo significar que estamos en la frontera del universo? Después de todo, esto no significa que no haya "nada". El vacío y el otro Universo también son "algo". Pero el Universo es algo que contiene absolutamente todo "algo".
Llegamos a una contradicción absoluta. Resulta que la frontera del Universo debería escondernos algo que no debería ser. O la frontera del Universo debería aislar "todo" de "algo", pero este "algo" también debería ser parte de "todo". En general, un completo absurdo. Entonces, ¿cómo pueden los científicos afirmar el tamaño, la masa e incluso la edad límite de nuestro universo? Estos valores, aunque inimaginablemente grandes, siguen siendo finitos. ¿Está la ciencia discutiendo con lo obvio? Para lidiar con esto, primero rastreemos cómo los humanos llegaron a una comprensión moderna del universo.
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Expandiendo los límites
Desde tiempos inmemoriales, el hombre se ha interesado por el mundo que le rodea. No es necesario dar ejemplos de las tres ballenas y otros intentos de los antiguos por explicar el universo. Como regla general, al final todo se redujo al hecho de que el fundamento de todo lo que existe es el firmamento terrenal. Incluso en la antigüedad y la Edad Media, cuando los astrónomos tenían un amplio conocimiento de las leyes que gobiernan el movimiento de los planetas a lo largo de la esfera celeste "estacionaria", la Tierra seguía siendo el centro del Universo.
Naturalmente, incluso en la Antigua Grecia hubo quienes creían que la Tierra giraba alrededor del Sol. Hubo quienes hablaron sobre los muchos mundos y el infinito del universo. Pero la fundamentación constructiva de estas teorías surgió solo con el giro de la revolución científica.
En el siglo XVI, el astrónomo polaco Nicolaus Copernicus hizo el primer gran avance en la comprensión del Universo. Demostró firmemente que la Tierra es solo uno de los planetas que orbitan alrededor del Sol. Tal sistema simplificó enormemente la explicación de un movimiento tan complejo e intrincado de los planetas en la esfera celeste. En el caso de una tierra estacionaria, los astrónomos tuvieron que inventar todo tipo de ingeniosas teorías para explicar este comportamiento de los planetas. Por otro lado, si se considera que la Tierra es móvil, entonces la explicación de estos intrincados movimientos es natural. Así fue como se estableció en astronomía un nuevo paradigma denominado "heliocentrismo".
Muchos soles
Sin embargo, incluso después de eso, los astrónomos continuaron confinando el universo a la "esfera de estrellas fijas". Hasta el siglo XIX, no pudieron estimar la distancia a las estrellas. Durante varios siglos, los astrónomos han intentado en vano detectar desviaciones en la posición de las estrellas en relación con el movimiento orbital de la Tierra (paralaje anual). Los instrumentos de aquellos tiempos no permitían mediciones tan precisas.
Vega, fotografiado por ESO
Finalmente, en 1837, el astrónomo ruso-alemán Vasily Struve midió el paralaje α de Lyra. Esto marcó un nuevo paso en la comprensión de la escala del espacio. Ahora los científicos podrían decir con seguridad que las estrellas son semejanzas distantes con el Sol. Y de ahora en adelante nuestra luminaria no es el centro de todo, sino un "habitante" igual del cúmulo estelar sin fin.
Los astrónomos se han acercado aún más a comprender la escala del universo, porque las distancias a las estrellas resultaron ser verdaderamente monstruosas. Incluso el tamaño de las órbitas de los planetas parecía insignificante en comparación con esto. Entonces fue necesario comprender cómo se concentran las estrellas en el Universo.
Muchas Vía Láctea
El famoso filósofo Immanuel Kant anticipó los fundamentos de la comprensión moderna de la estructura a gran escala del Universo en 1755. Él planteó la hipótesis de que la Vía Láctea es un enorme cúmulo de estrellas en rotación. A su vez, muchas de las nebulosas observadas también son "vías lácteas" más distantes: galaxias. A pesar de esto, hasta el siglo XX, los astrónomos se adhirieron al hecho de que todas las nebulosas son fuentes de formación estelar y forman parte de la Vía Láctea.
La situación cambió cuando los astrónomos aprendieron a medir distancias entre galaxias usando Cefeidas. La luminosidad absoluta de las estrellas de este tipo depende estrictamente del período de su variabilidad. Al comparar su luminosidad absoluta con la visible, es posible determinar la distancia a ellos con gran precisión. Este método fue desarrollado a principios del siglo XX por Einar Herzsrung y Harlow Shelpy. Gracias a él, el astrónomo soviético Ernst Epik determinó en 1922 la distancia a Andrómeda, que resultó ser un orden de magnitud mayor que el tamaño de la Vía Láctea.
Edwin Hubble continuó el esfuerzo de Epic. Midiendo el brillo de las cefeidas en otras galaxias, midió la distancia hasta ellas y la comparó con el corrimiento al rojo en sus espectros. Así que en 1929 desarrolló su famosa ley. Su trabajo refutó definitivamente la creencia establecida de que la Vía Láctea es el borde del universo. Ahora era una de las muchas galaxias que alguna vez se consideraron parte integral de ella. La hipótesis de Kant se confirmó casi dos siglos después de su desarrollo.
Más tarde, la conexión entre la distancia de la galaxia al observador y la velocidad de su eliminación del observador, descubierta por Hubble, hizo posible componer una imagen completa de la estructura a gran escala del Universo. Resultó que las galaxias eran solo una pequeña parte de él. Se vincularon en grupos, grupos en supercúmulos. A su vez, los supercúmulos se pliegan en las estructuras más grandes conocidas del universo: filamentos y paredes. Estas estructuras, adyacentes a enormes supervíos (vacíos), constituyen la estructura a gran escala del universo actualmente conocido.
Infinito aparente
De lo anterior, se deduce que en solo unos pocos siglos, la ciencia ha pasado gradualmente del geocentrismo a una comprensión moderna del Universo. Sin embargo, esto no proporciona una respuesta de por qué estamos limitando el Universo en estos días. Después de todo, hasta ahora, solo se trataba de la escala del cosmos, y no de su propia naturaleza.
Evolución del universo
El primero que decidió justificar el infinito del Universo fue Isaac Newton. Habiendo descubierto la ley de la gravitación universal, creía que si el espacio fuera finito, todos sus cuerpos tarde o temprano se fusionarían en un solo todo. Antes que él, si alguien expresaba la idea del infinito del Universo, era exclusivamente en clave filosófica. Sin ninguna justificación científica. Un ejemplo de esto es Giordano Bruno. Por cierto, como Kant, estaba por delante de la ciencia por muchos siglos. Fue el primero en declarar que las estrellas son soles distantes y que los planetas también giran alrededor de ellos.
Parecería que el hecho mismo del infinito está bastante justificado y es obvio, pero los puntos de inflexión de la ciencia del siglo XX sacudieron esta "verdad".
Universo estacionario
Albert Einstein dio el primer paso significativo hacia el desarrollo de un modelo moderno del universo. El famoso físico presentó su modelo de universo estacionario en 1917. Este modelo se basó en la teoría general de la relatividad, que desarrolló el mismo año antes. Según su modelo, el universo es infinito en el tiempo y finito en el espacio. Pero, como se señaló anteriormente, según Newton, un universo de tamaño finito debería colapsar. Para hacer esto, Einstein introdujo una constante cosmológica, que compensaba la atracción gravitacional de los objetos distantes.
Por paradójico que pueda parecer, Einstein no limitó la propia finitud del Universo. En su opinión, el Universo es un caparazón cerrado de una hiperesfera. Una analogía es la superficie de una esfera tridimensional ordinaria, por ejemplo, un globo o la Tierra. No importa cuánto viaje un viajero alrededor de la Tierra, nunca llegará a su borde. Sin embargo, esto no significa en absoluto que la Tierra sea infinita. El viajero simplemente regresará al lugar donde inició su viaje.
En la superficie de la hiperesfera
Del mismo modo, un vagabundo espacial, superando el universo de Einstein en una nave estelar, puede regresar a la Tierra. Solo que esta vez el vagabundo no se moverá a lo largo de la superficie bidimensional de la esfera, sino a lo largo de la superficie tridimensional de la hiperesfera. Esto significa que el Universo tiene un volumen finito y, por lo tanto, un número finito de estrellas y masa. Sin embargo, el Universo no tiene fronteras ni ningún centro.
El futuro del universo
Einstein llegó a tales conclusiones al vincular el espacio, el tiempo y la gravedad en su famosa teoría. Antes que él, estos conceptos se consideraban separados, razón por la cual el espacio del Universo era puramente euclidiano. Einstein demostró que la gravedad en sí misma es una curvatura del espacio-tiempo. Esto cambió radicalmente la comprensión inicial de la naturaleza del Universo, basada en la mecánica clásica newtoniana y la geometría euclidiana.
Universo en expansión
Incluso el mismo descubridor del "nuevo Universo" no era ajeno a la ilusión. Aunque Einstein limitó el universo en el espacio, continuó considerándolo estático. Según su modelo, el Universo era y sigue siendo eterno, y su tamaño siempre sigue siendo el mismo. En 1922, el físico soviético Alexander Fridman amplió significativamente este modelo. Según sus cálculos, el universo no es en absoluto estático. Puede expandirse o contraerse con el tiempo. Es de notar que Friedman llegó a tal modelo, basado en la misma teoría de la relatividad. Pudo aplicar más correctamente esta teoría, sin pasar por la constante cosmológica.
Albert Einstein no aceptó de inmediato esta "enmienda". El descubrimiento de Hubble mencionado anteriormente vino al rescate de este nuevo modelo. La dispersión de las galaxias demostró indiscutiblemente el hecho de la expansión del Universo. Entonces Einstein tuvo que admitir su error. Ahora el universo tenía una cierta edad, que depende estrictamente de la constante de Hubble, que caracteriza la velocidad de su expansión.
Mayor desarrollo de la cosmología
Mientras los científicos intentaban resolver esta cuestión, se descubrieron muchos otros componentes importantes del universo y se desarrollaron varios modelos. Entonces, en 1948, Georgy Gamov introdujo la hipótesis "sobre un Universo caliente", que luego se convertiría en la teoría del Big Bang. El descubrimiento en 1965 de la radiación reliquia confirmó sus conjeturas. Los astrónomos ahora podían observar la luz que venía desde el momento en que el universo se volvió transparente.
La materia oscura, predicha en 1932 por Fritz Zwicky, fue confirmada en 1975. La materia oscura en realidad explica la existencia misma de las galaxias, los cúmulos galácticos y el propio Universo como un todo. Entonces los científicos aprendieron que la mayor parte de la masa del Universo es completamente invisible.
De que esta hecho el universo
Finalmente, en 1998, durante un estudio de la distancia a las supernovas de tipo Ia, se descubrió que el universo se expande con aceleración. Este siguiente punto de inflexión en la ciencia dio lugar a la comprensión moderna de la naturaleza del universo. El coeficiente cosmológico introducido por Einstein y refutado por Friedman volvió a encontrar su lugar en el modelo del Universo. La presencia del coeficiente cosmológico (constante cosmológica) explica su expansión acelerada. Para explicar la presencia de una constante cosmológica, se introdujo el concepto de energía oscura, un campo hipotético que contiene la mayor parte de la masa del Universo.
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El modelo actual del universo también se denomina modelo ΛCDM. La letra "Λ" denota la presencia de una constante cosmológica que explica la expansión acelerada del universo. CDM significa que el universo está lleno de materia oscura fría. Estudios recientes indican que la constante de Hubble es de aproximadamente 71 (km / s) / Mpc, que corresponde a la edad del Universo 13,75 mil millones de años. Conociendo la edad del universo, se puede estimar el tamaño de su área observable.
Evolución del universo
Según la teoría de la relatividad, la información sobre cualquier objeto no puede llegar al observador con una velocidad mayor que la de la luz (299792458 km / s). Resulta que el observador no solo ve un objeto, sino su pasado. Cuanto más lejos está el objeto, más lejano parece el pasado. Por ejemplo, al mirar la Luna, vemos lo que era hace poco más de un segundo, el Sol, hace más de ocho minutos, las estrellas más cercanas, años, galaxias, hace millones de años, etc. En el modelo estacionario de Einstein, el Universo no tiene límite de edad, lo que significa que su región observable tampoco está limitada por nada. El observador, armado con instrumentos astronómicos cada vez más avanzados, observará objetos cada vez más distantes y antiguos.
Tenemos una imagen diferente con el modelo moderno del Universo. Según ella, el Universo tiene una edad y, por tanto, un límite de observación. Es decir, desde el nacimiento del Universo, ningún fotón habría tenido tiempo de viajar una distancia superior a 13,75 mil millones de años luz. Resulta que podemos afirmar que el Universo observable está limitado desde el observador por una región esférica con un radio de 13,75 mil millones de años luz. Sin embargo, esto no es del todo cierto. No te olvides de la expansión del espacio del Universo. Hasta que el fotón llegue al observador, el objeto que lo emitió estará a 45.700 millones de sv de nosotros. años. Este tamaño es el horizonte de las partículas y es el límite del Universo observable.
Entonces, el tamaño del Universo observable se divide en dos tipos. Tamaño visible, también llamado radio de Hubble (13,75 mil millones de años luz). Y el tamaño real, llamado horizonte de partículas (45,7 mil millones de años luz). Esencialmente, estos dos horizontes no caracterizan en absoluto el tamaño real del Universo. Primero, dependen de la posición del observador en el espacio. En segundo lugar, cambian con el tiempo. En el caso del modelo ΛCDM, el horizonte de partículas se expande a una velocidad mayor que el horizonte de Hubble. La pregunta de si esta tendencia cambiará en el futuro, la ciencia moderna no da una respuesta. Pero si asumimos que el Universo continúa expandiéndose con aceleración, entonces todos esos objetos que vemos ahora, tarde o temprano, desaparecerán de nuestro "campo de visión".
Por el momento, la luz más distante observada por los astrónomos es la radiación de fondo de microondas. Al observarlo, los científicos ven el Universo como era 380 mil años después del Big Bang. En este momento, el Universo se ha enfriado tanto que pudo emitir fotones libres, que hoy se capturan con la ayuda de radiotelescopios. En aquellos días, no había estrellas ni galaxias en el Universo, sino solo una nube sólida de hidrógeno, helio y una cantidad insignificante de otros elementos. A partir de las inhomogeneidades observadas en esta nube, posteriormente se formarán cúmulos galácticos. Resulta que exactamente los objetos que se forman a partir de las inhomogeneidades de la radiación relicta se encuentran más cerca del horizonte de partículas.
Verdaderos límites
Si el universo tiene límites verdaderos e inobservables sigue siendo objeto de conjeturas pseudocientíficas. De una forma u otra, todos convergen en el infinito del Universo, pero interpretan este infinito de formas completamente diferentes. Algunos consideran que el Universo es multidimensional, donde nuestro Universo tridimensional “local” es solo una de sus capas. Otros dicen que el universo es fractal, lo que significa que nuestro universo local puede ser una partícula de otro. No te olvides de los diversos modelos del Multiverso con sus Universos cerrados, abiertos, paralelos, agujeros de gusano. Y hay muchas, muchas versiones diferentes, cuyo número está limitado únicamente por la imaginación humana.
Pero si activamos el realismo frío o simplemente nos alejamos de todas estas hipótesis, entonces podemos asumir que nuestro Universo es un depósito homogéneo infinito de todas las estrellas y galaxias. Además, en cualquier punto muy distante, ya sean miles de millones de gigaparsecs de nosotros, todas las condiciones serán exactamente las mismas. En este punto, habrá exactamente el mismo horizonte de partículas y la esfera de Hubble con la misma radiación reliquia en su borde. Habrá las mismas estrellas y galaxias alrededor. Curiosamente, esto no contradice la expansión del universo. Después de todo, no es solo el Universo el que se está expandiendo, sino su mismo espacio. El hecho de que en el momento del Big Bang el Universo surgiera de un punto solo indica que las dimensiones infinitamente pequeñas (prácticamente cero) que eran entonces ahora se han convertido en inimaginablemente grandes. En lo que sigue, usaremos solo esta hipótesis para asegurar queque comprenden claramente la escala del universo observable.
Representación visual
Varias fuentes proporcionan todo tipo de modelos visuales que permiten a las personas comprender la escala del universo. Sin embargo, no es suficiente que nos demos cuenta de lo grande que es el cosmos. Es importante comprender cómo se manifiestan realmente conceptos como el horizonte de Hubble y el horizonte de partículas. Para hacer esto, imaginemos nuestro modelo paso a paso.
Olvidemos que la ciencia moderna no conoce la región "extranjera" del Universo. Descartando las versiones sobre el multiverso, el Universo fractal y sus otras "variedades", imagina que es simplemente infinito. Como se señaló anteriormente, esto no contradice la expansión de su espacio. Por supuesto, tengamos en cuenta el hecho de que su esfera de Hubble y la esfera de partículas son respectivamente iguales a 13,75 y 45,7 mil millones de años luz.
La escala del universo
Para empezar, tratemos de darnos cuenta de cuán grande es la escala universal. Si ha viajado alrededor de nuestro planeta, entonces puede imaginarse cuán grande es la Tierra para nosotros. Ahora imaginemos nuestro planeta como un grano de trigo sarraceno que orbita alrededor de una sandía-Sol de la mitad del tamaño de un campo de fútbol. En este caso, la órbita de Neptuno corresponderá al tamaño de una pequeña ciudad, la región de la nube de Oort a la Luna, la región del límite de la influencia del Sol a Marte. ¡Resulta que nuestro Sistema Solar es mucho más grande que la Tierra como Marte es más grande que el trigo sarraceno! Pero esto es solo el principio.
Ahora imaginemos que este trigo sarraceno será nuestro sistema, cuyo tamaño es aproximadamente igual a un parsec. Entonces, la Vía Láctea tendrá el tamaño de dos estadios de fútbol. Sin embargo, incluso esto no será suficiente para nosotros. Tendremos que reducir la Vía Láctea a un centímetro. Se parecerá un poco a la espuma de café envuelta en un remolino en medio del espacio intergaláctico negro café. A veinte centímetros de ella hay la misma "migaja" en espiral: la Nebulosa de Andrómeda. A su alrededor habrá un enjambre de pequeñas galaxias de nuestro Cúmulo Local. El tamaño aparente de nuestro Universo será de 9,2 kilómetros. Hemos llegado a comprender las dimensiones universales. Dentro de la burbuja universal
Sin embargo, no es suficiente para nosotros comprender la escala en sí. Es importante comprender la dinámica del universo. Imaginemos que somos gigantes para los que la Vía Láctea tiene un centímetro de diámetro. Como acabamos de señalar, nos encontramos dentro de una esfera con un radio de 4,57 y un diámetro de 9,24 kilómetros. Imaginemos que somos capaces de flotar dentro de esta esfera, viajar, superar megaparsecs enteros en un segundo. ¿Qué veremos si nuestro universo es infinito?
Por supuesto, ante nosotros habrá un número infinito de todo tipo de galaxias. Elíptica, espiral, irregular. Algunas áreas estarán llenas de ellos, otras estarán vacías. La característica principal será que visualmente todos estarán inmóviles mientras nosotros estemos inmóviles. Pero tan pronto como demos un paso, las propias galaxias comenzarán a moverse. Por ejemplo, si somos capaces de ver el microscópico Sistema Solar en el centímetro de la Vía Láctea, podemos observar su desarrollo. Alejándonos 600 metros de nuestra galaxia, veremos la protoestrella Sol y el disco protoplanetario en el momento de la formación. Acercándonos a él, veremos cómo aparece la Tierra, surge la vida y aparece el hombre. Asimismo, veremos cómo las galaxias cambian y se mueven a medida que nos alejamos o nos acercamos a ellas.
En consecuencia, cuanto más distantes miremos las galaxias, más antiguas serán para nosotros. Entonces, las galaxias más distantes estarán ubicadas a más de 1300 metros de nosotros, y en el giro de 1380 metros veremos la radiación reliquia. Es cierto que esta distancia será imaginaria para nosotros. Sin embargo, a medida que nos acerquemos a la radiación de la reliquia, veremos una imagen interesante. Naturalmente, observaremos cómo se formarán y desarrollarán las galaxias a partir de la nube original de hidrógeno. Cuando lleguemos a una de estas galaxias formadas, entenderemos que no hemos superado en absoluto 1.375 kilómetros, sino los 4.57.
Reducción
Como resultado, creceremos aún más en tamaño. Ahora podemos colocar vacíos y muros enteros en el puño. Así que nos encontramos en una burbuja bastante pequeña de la que es imposible escapar. No solo aumentará la distancia a los objetos en el borde de la burbuja a medida que se acerquen, sino que el borde mismo se desviará infinitamente. Este es el punto central del tamaño del universo observable.
No importa cuán grande sea el Universo, para el observador siempre será una burbuja limitada. El observador siempre estará en el centro de esta burbuja, de hecho, es su centro. Al intentar llegar a cualquier objeto en el borde de la burbuja, el observador cambiará su centro. A medida que se acerca al objeto, este se moverá más y más lejos del borde de la burbuja y al mismo tiempo cambiará. Por ejemplo, de una nube de hidrógeno sin forma se convertirá en una galaxia en toda regla o en un cúmulo de galaxias. Además, la ruta hacia este objeto aumentará a medida que se acerque a él, ya que el espacio circundante cambiará. Una vez que llegamos a este objeto, simplemente lo movemos desde el borde de la burbuja hasta su centro. En el borde del universo, la radiación reliquia también parpadeará.
Si asumimos que el Universo continuará expandiéndose a un ritmo acelerado, estando en el centro de la burbuja y sinuoso durante miles de millones, billones e incluso órdenes superiores de años por delante, notaremos una imagen aún más interesante. Aunque nuestra burbuja también crecerá de tamaño, sus componentes mutantes se alejarán de nosotros aún más rápido, dejando el borde de esta burbuja, hasta que cada partícula del Universo deambule dispersa en su única burbuja sin la capacidad de interactuar con otras partículas.
Entonces, la ciencia moderna no tiene información sobre cuáles son las dimensiones reales del Universo y si tiene límites. Pero sabemos con certeza que el Universo observable tiene un límite visible y verdadero, llamado radio de Hubble (13,75 mil millones de años luz) y radio de partículas (45,7 mil millones de años luz), respectivamente. Estos límites dependen completamente de la posición del observador en el espacio y se expanden con el tiempo. Si el radio de Hubble se expande estrictamente a la velocidad de la luz, entonces se acelera la expansión del horizonte de partículas. La cuestión de si su aceleración del horizonte de partículas continuará más y si no cambiará a compresión permanece abierta.
