A menudo puede escuchar declaraciones de astrofísicos y cosmólogos de que regiones extremadamente distantes del Universo se están alejando de nosotros más rápido que la velocidad de la luz. Pero, ¿qué significa esto exactamente? ¿Quieren decir que hay objetos en el universo que pueden superar uno de los valores más fundamentales?
La ley más fundamental de la relatividad especial en un momento llevó a Einstein a la realización de la idea más revolucionaria de la física: que nada puede moverse más rápido que la luz. Las partículas sin masa en el vacío se mueven a la velocidad de la luz, mientras que todo lo demás, una partícula con masa en algún lugar o una partícula sin masa en un medio, siempre se moverá más lento que la velocidad de la luz. Pero cuando se trata de la expansión del Universo, a menudo surgen pensamientos de que esto está sucediendo más rápido que la velocidad de la luz. Intentemos averiguar si esto es así.
El universo tal como lo vemos hoy ha existido durante aproximadamente 13,8 mil millones de años desde el Big Bang. Pero si pregunta qué tan lejos podemos mirar en cualquier dirección, la respuesta no es 13,8 mil millones de años luz, sino mucho más. Si lo piensas bien, puedes imaginar una distancia dos veces mayor: si un objeto que emite luz estaba a 13.800 millones de años luz hace 13.800 millones de años de "nosotros", lo más probable es que emitiera luz, alejándose de nosotros, tal vez incluso a una velocidad cercana a la de la luz. Si un objeto brillante existiera durante tanto tiempo y se alejara constantemente de nosotros a una velocidad de 299.792 kilómetros por segundo, su luz solo nos alcanzaría ahora, aunque el objeto en sí ya estaría a 27.600 millones de años de nosotros. Todo esto suena razonable, pero puede llevarnos a la suposición no tan buena de que el espacio en sí es estático.
El espacio en el que vivimos no es estático, se expande. Además, podemos medir la tasa actual de expansión como fue en el pasado distante y como fue en todas las épocas "intermedias". Resulta que la luz de un objeto que estaba a solo 168 metros de nosotros en el momento del Big Bang (bueno, 10-33 segundos después del Big Bang) solo nos alcanzaría hoy, 13,8 mil millones de años después, después de un viaje increíble y un grado irreal de estiramiento, y el objeto en sí estaría ahora a 46,1 mil millones de años de nosotros.
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Evolución del Universo desde el momento del Big Bang, según el modelo cosmológico estándar.
“¡Ajá! exclamas. "¡Así que el espacio se ha expandido más rápido que la velocidad de la luz!"
¿No lo es? Solo para que algo se mueva más rápido que la luz, debe tener una velocidad: algo que se pueda medir, por ejemplo, kilómetros por segundo. Pero no es así como se expande el universo.
Por el contrario, se expande a una velocidad por unidad de distancia. Esto generalmente se mide en kilómetros por segundo por megaparsec, donde un megaparsec tiene aproximadamente 3,26 millones de años luz. Si la velocidad de expansión es de 70 km / s / Mpc, esto significa que, en promedio, un objeto ubicado a 10 Mpc de nosotros se aleja a una velocidad de 700 km / s desde nuestro punto de vista, a 200 Mpc - 14.000 km / s, y a En el caso de un objeto de 5000 Mpc, nos parecerá que se aleja a una velocidad de 350 mil km / s.
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Sin embargo, ¿se sigue de esto que algunos objetos se mueven más rápido que la luz? Volvamos a la probabilidad especial de Einstein y pensemos en lo que queremos decir cuando decimos que nada puede viajar más rápido que la luz. Esto significa que si tiene dos objetos en el mismo evento espacio-temporal, ocupando el mismo espacio al mismo tiempo, entonces no pueden moverse entre sí más rápido que la velocidad de la luz. Incluso si uno de ellos se mueve hacia el norte al 99% de la velocidad de la luz, y el otro se mueve a la misma velocidad hacia el sur, su velocidad no será el 198% de la velocidad de la luz entre sí, sino que será igual al 99,995% de la velocidad de la luz. No importa qué tan rápido se mueva cada uno de ellos, nunca excederán la velocidad de la luz entre sí.
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El universo observable puede tener 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista, pero definitivamente hay regiones fuera de él que no podemos observar. 46 mil millones de años luz es solo el límite para nuestra observación.
Por eso se llama relatividad: mide el movimiento relativo entre dos objetos en un mismo punto en el espacio y en el tiempo. Pero este tipo de relatividad, la relatividad especial, establece las reglas en su área de espacio no expansivo. La relatividad general agrega otra capa a esto: el hecho de que el espacio mismo se está expandiendo. Al medir la cantidad de materia ordinaria, materia oscura, energía oscura, neutrinos, radiación y otras cosas en el universo actual, así como cómo la luz que nos llega desde diferentes distancias en el universo se desplaza al espectro rojo como resultado de la expansión, podemos recrear qué tan grande fue el universo en cualquier momento del pasado.
Cuando el universo tenía unos 10 mil años, su porción observable ya tenía 10 millones de años luz de diámetro. Cuando solo tenía un año, el universo observable tenía 100.000 años luz de diámetro. Cuando tenía solo un segundo, ya tenía 10 años luz de diámetro. Sí, todo parece que se expande más rápido que la luz. Pero en ningún momento ninguna partícula se movió más rápido que la luz en relación con otra partícula con la que interactuó.
Cuanto más lejos está la galaxia, más rápido se aleja de nosotros y más cambia su luz al espectro rojo, lo que nos obliga a mirar ondas cada vez más largas. Más allá de cierta distancia, las galaxias se vuelven inalcanzables incluso a la velocidad de la luz.
Por el contrario, el espacio entre las partículas se expandió, en cuyo proceso la distancia entre ellas aumentó y la longitud de onda de radiación en este espacio se estiró. Esto continuó durante muchos miles de millones de años durante la historia cósmica y continúa hoy. Aunque nunca podemos alcanzar ningún objeto más allá de hace 15.600 millones de años, incluso si nos movemos a la velocidad de la luz (que es por definición imposible), no es porque se estén alejando más rápido que la luz, sino porque el espacio entre diferentes puntos continúa expandiéndose.
La conclusión principal es que el espacio no se expande a una velocidad en particular, sino a una cierta velocidad: a una velocidad por unidad de distancia. Como resultado, cuanto más lejos esté el objeto que está mirando, más afectará la expansión a la distancia entre ustedes. Cuanto más lejos esté un objeto de usted, más rojo aparecerá y más rápido se alejará de su punto de vista. Pero, ¿es más rápido que la luz? Para medir esto, debe estar en la misma área. Nada se mueve más rápido que la luz en relación con su ubicación, y esto se puede decir de cualquier lugar del universo en cualquier momento. El espacio se expande, pero no más rápido que la luz, además, esta expansión no tiene velocidad.
Vladimir Guillén
