Hace 13.800 millones de años, el universo comenzó con un Big Bang caliente. Desde entonces, se ha expandido y enfriado, hasta la actualidad. Desde nuestro punto de vista, podemos observar el Universo en un radio de 46 mil millones de años, gracias a la limitación de la velocidad de la luz y la expansión del Universo. Y aunque esta distancia es enorme, es finita. Pero esta es solo la parte que vemos. ¿Qué hay más allá de él? ¿Es posible que haya infinito?
Adam Stevens quiere saber:
¿Qué opinas del infinito del universo? Muchos cosmólogos me han dicho que no se ha probado la infinidad del universo. ¿Cómo se puede probar esto empíricamente?
Primero, podemos aprender más de lo que vemos en 46 mil millones de años luz.
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Cuanto más miramos en cualquier dirección, más profundizamos en el tiempo. La galaxia más cercana, ubicada a 2,5 millones de años luz de nosotros, es visible para nosotros como lo era hace 2,5 millones de años, ya que la luz viaja desde allí hasta nuestros ojos desde el momento en que se emite. Las galaxias más distantes son visibles para nosotros como lo fueron hace decenas de millones, cientos de millones o incluso miles de millones de años. Mirando aún más lejos, hemos visto la luz del universo desde sus días más jóvenes. Entonces, si miramos la luz emitida hace 13.8 mil millones de años, una reliquia del Big Bang, vemos la radiación de la reliquia.
El patrón de fluctuación es extremadamente confuso, con diferentes temperaturas medias en diferentes escalas angulares. También cifra una enorme cantidad de información sobre el Universo, incluido un hecho asombroso: la curvatura del espacio, hasta donde podemos juzgar, está ausente, es decir, es plano. Si el espacio tuviera una curvatura positiva, como si viviéramos en la superficie de una esfera de cuatro dimensiones, veríamos la convergencia de rayos de luz distantes. Si tuviera una curvatura negativa, como en la superficie de una silla de cuatro dimensiones, veríamos divergir rayos de luz distantes. En cambio, los rayos de luz se mueven como lo hicieron y las fluctuaciones nos hablan de un plano ideal.
A partir de un conjunto de datos sobre la radiación relicta y las estructuras a gran escala del Universo (accesible a través del estudio de las oscilaciones acústicas bariónicas), podemos concluir que si el Universo es finito y cerrado sobre sí mismo, debe ser al menos 250 veces más grande de lo que podemos ver. Dado que vivimos en tres dimensiones, un aumento de radio 250 veces significa un aumento de volumen 250 ^ 3 veces, o 15 millones de veces más espacio. Pero este todavía no es un volumen infinito. La estimación mínima del tamaño del universo es de 11 billones de años luz en todas las direcciones, lo que es una cantidad enorme, pero aún no infinita.
Hay motivos para creer que es aún mayor. Un Big Bang caliente puede marcar el comienzo del universo observable, pero no el nacimiento del espacio y el tiempo. Antes del Big Bang, el universo atravesaba un período de inflación cósmica. En lugar de estar lleno de materia y radiación y estar caliente, el universo estaba:
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• estaba lleno de energía inherente al propio espacio, • expandido a una tasa exponencial, • creó un nuevo espacio tan rápidamente que el tamaño físico más pequeño, la longitud de Planck, se extendía al tamaño del Universo observado hoy cada 10 ^ -32 s.
En nuestra región del Universo, la inflación realmente ha terminado. Pero hay varias preguntas, cuyas respuestas desconocemos, que tienen un gran impacto en el tamaño del universo y su finitud o infinitud.
1) ¿Qué tamaño tenía la sección del Universo después de la inflación que dio lugar a nuestro caliente Big Bang? Observando el Universo de hoy y la homogeneidad del resplandor del Big Bang, la cercanía del Universo a un plano, las fluctuaciones que se extienden a través del Universo en todas las escalas, etc., etc., podemos aprender mucho. Podemos calcular el límite superior en la escala de energía en la que se produjo la inflación, cuánta inflación ha aumentado el universo, el límite inferior en la duración de la inflación. ¡Pero ese bolsillo del Universo en expansión, del cual se originó nuestra parte, podría exceder con mucho el límite inferior! Puede ser cientos, millones, googols veces más grande de lo que podemos observar, o ser verdaderamente infinito. Sin la capacidad de observar más de lo que tenemos ahora, no obtendremos suficiente información para responder esta pregunta.
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2) ¿Es correcta la idea de "inflación eterna"? Si considera la posibilidad de que la inflación sea un campo cuántico, entonces, en cualquier punto de la expansión exponencial, existe la posibilidad de que la inflación termine, conduciendo al Big Bang, y la probabilidad de que la inflación continúe, creando más espacio. Dichos cálculos están disponibles para nosotros (dentro del marco de ciertos supuestos), y conducen a la conclusión: si necesitamos suficiente inflación antes de la creación del universo observable, entonces la inflación siempre creará aún más espacio que continuará expandiéndose, a diferencia de las secciones donde terminará y habrá un Big Bang. Y aunque nuestro Universo observable podría haber aparecido después del fin de la inflación en nuestra región hace 13.800 millones de años, hay regiones donde la inflación continúa y crea cada vez más espacio.y genera más y más Big Bangs, hasta el día de hoy. Esta idea se conoce como inflación eterna y generalmente se acepta en la comunidad física. Entonces, ¿qué tan grande es todo el universo no observable hoy?
3) ¿Cuánto tiempo duró la inflación antes de que terminara y ocurriera el Big Bang? Solo tenemos acceso al Universo creado por el final de la inflación y nuestro caliente Big Bang. Sabemos que la inflación debería haber continuado durante al menos 10 ^ -32 s, pero lo más probable es que haya durado más. ¿Pero cuanto? ¿Segundos? ¿Años? ¿Miles de millones de años? ¿Infinitamente? ¿El universo siempre ha estado sujeto a inflación? ¿Comenzó la inflación? ¿Se siguió de un estado anterior que duró para siempre? ¿O quizás el espacio y el tiempo surgieron de la nada hace un tiempo limitado? Hay muchas posibilidades, pero la respuesta no se puede verificar en este momento.
Según nuestras mejores observaciones, sabemos que el universo es mucho más grande que la porción observable. Sospechamos que aún más del Universo se extiende más allá de estos límites, al igual que el nuestro, con las mismas leyes de la física, tipos de estructuras (estrellas, galaxias, cúmulos, filamentos, vacíos, etc.), y con las mismas posibilidades de un complejo. una vida. La burbuja en la que ha terminado la inflación debe ser finita, y el espacio-tiempo más grande y en expansión debe contener una cantidad exponencialmente enorme de tales burbujas. Pero, incluso si todo este Universo, o el Multiverso, es tan increíblemente enorme, puede que no sea infinito. De hecho, si la inflación no duró indefinidamente, el universo debe ser finito.
Pero el mayor problema es que solo tenemos acceso a la información contenida dentro de la parte observable del Universo, en estos 46 mil millones de años luz en todas las direcciones. La respuesta a la pregunta más importante, si el universo es finito o infinito, se puede codificar en el universo, pero no podemos acceder a una parte lo suficientemente grande como para saberlo. Hasta que resolvamos este problema o encontremos una forma inteligente de expandir las posibilidades de la física, todo esto estará en el reino de las posibilidades.
