Lamento que esta pregunta sea probablemente una tontería para los astrónomos profesionales, de los cuales no soy uno.
A menudo escucho en las conferencias que inmediatamente después del Big Bang, el universo era pequeño, digamos, del tamaño de una toronja o algo así. Pero debido a la inflación que extendió el espacio a superligera (pero finita), la velocidad, el universo observable ahora, puede no ser todo el universo, y todo el universo puede ser infinito. Si es infinito, parecería que también tuvo que ser infinito en la infancia, muy denso. De hecho, parece "en el límite", tenía que ser infinito incluso en Big Bang.
Entonces, preguntas:
¿El universo primitivo era pequeño o solo denso pero aún infinito?
¿Qué tal en Big Bang, fue infinito?
Cuando los astrónomos dicen que el universo primitivo era pequeño, ¿significan simplemente que "la parte del universo que corresponde a nuestro universo observable era pequeña"?
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Respuestas:
Esta pregunta no es en absoluto tonta. Su pregunta es común sobre la cosmología (el estudio de dónde proviene el universo, cómo está evolucionando y cuál será su destino). Los medios de comunicación a menudo matan estos conceptos horriblemente, lo que resulta en mucha confusión (de toda la información científica, parece que les resulta más difícil informar sobre la cosmología con precisión). Su inquisición es definitivamente algo bueno.
Bueno, generalmente se refieren a todo el universo. En mi párrafo final, explico lo que esto implica para el universo observable.
Estás más cerca de la verdad. Cuando hablamos de la expansión del Universo, realmente estamos diciendo que se está creando espacio entre toda la materia.
Como mencionaste, el Universo puede ser infinito. No es como una pelota, sino más bien como una cuadrícula plana, y su "expansión" solo significa que las distancias entre los objetos en la cuadrícula son cada vez mayores. En esencia, se está creando más espacio entre los objetos. Eso es lo que queremos decir con expansión: que los objetos se alejan unos de otros, ya que se está creando más espacio entre ellos. A continuación hay un gif que hice para demostrar esto:
Una forma más útil de describir esto es decir que la cuadrícula se está expandiendo; ese espacio en sí mismo, como sistema de coordenadas, está creciendo. Como analogía, imagina que estás paseando a tu perro. De repente, el suelo comienza a expandirse entre ustedes. Usted y su perro se separarán y continuarán alejándose uno del otro.
Entonces, lo mismo está sucediendo con nuestro universo. De hecho, la cuadrícula está creciendo y los objetos están siendo arrastrados por ella.
Bien, ahora que hemos entendido los conceptos centrales, presentaré un poco más de terminología. El "factor de escala del Universo" se refiere a cuánto se ha expandido el Universo, en comparación con ahora. Por ejemplo, si en mil millones de años el factor de escala es 3, eso significa que cada objeto en el Universo está 3 veces más lejos uno del otro en comparación con ahora. Si el factor de escala hace 700 millones de años era 0,8, entonces todo estaba más cerca por un factor de 0,8 en ese momento. Por definición, el factor de escala es 1 en este momento.
Entonces, si el Universo se está expandiendo ahora, esperaríamos que sea más pequeño a medida que miramos más atrás en el tiempo, es decir, el factor de escala sería menor. La relatividad general predice que el factor de escala será cero a 13.800 millones de años atrás. Esto significaría que cada objeto sería cero veces su distancia actual de nosotros; en otras palabras, no habría espacio.
Si crees que un universo sin espacio es imposible, estás en lo correcto. Aparentemente tenemos una contradicción. En GR, no puedes tener un espacio-tiempo con cero espacio.
Nuestras modernas teorías físicas funcionan bien unas pocas fracciones de segundo después del momento de contradicción, y nuestras observaciones coinciden con la idea de un universo primitivo extremadamente denso. Sin embargo, nuestras teorías se desmoronan a medida que intentamos modelar el Universo en épocas anteriores y anteriores, hasta que ya no demuestran ser precisas, lo que nos impide explicar el momento más interesante.
Es por eso que el momento del Big Bang es uno de los mayores misterios de la cosmología. Han surgido teorías como la gravedad cuántica para tratar de explicar las condiciones cercanas al Big Bang, pero ninguna es suficiente a partir de ahora.
De hecho, el problema surge de la ambigüedad cuando uno dice "universo". En este caso, se refieren al universo observable, que en realidad es esférico. El universo observable era mucho más pequeño cerca de la época del Big Bang, en comparación con su radio actual.
Esto se debe a que su radio en realidad depende del factor de escala * de nuestro Universo, lo que significa que en el momento en que GR predice que el factor de escala sea cero, también predice que el tamaño del universo observable sea cero.
Obviamente, ese no puede ser el caso, ya que como hemos explicado anteriormente, no debería ser posible que el factor de escala sea cero. Sin embargo, nosotros podemos decir con confianza razonable de que el universo observable probable era del tamaño de un pomelo en un momento dado, si no más pequeña (aunque "pomelo" parece una elección arbitraria para la comparación. En realidad no puedo encontrar el papel que los primeros usos de este analogía, entonces, lo que originalmente querían decir es un poco confuso).
* Medir distancias es en realidad un poco complicado en cosmología; en algunos casos, queremos hablar sobre distancias o movimiento de objetos mientras descuidamos la expansión del Universo. Para ahorrarte la necesidad de aprender mucha terminología, ahora estoy teniendo en cuenta la expansión del Universo cuando hablo del tamaño del universo observable. El universo observable también crece debido a factores además de la expansión del Universo, es decir, la luz de más y más galaxias que nos llegan.
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