Article No. 7 Artículo No. 7
(Continuation of Article No. 1, for optative reading)
(Continuación del Artículo No.1, para lectura optativa)
“FORBESINNOVATIONSCIENCE
Ask Ethan: Is the Universe Finite or Infinite?
From Internet
Ethan Siegel
Senior Contributor
Starts With A Bang
Contributor Group
Oct 14, 2017,10:00am EDT
This article is more than 5 years old.
If you look farther and farther away, you also look farther and farther into the past. The earlier... [+]
13.8 billion years ago, what we know as our Universe began with the hot Big Bang. It's been expanding and cooling ever since, up through and including the present day. From our point-of-view, we can look back some 46 billion light years in all directions, thanks to the speed of light and the expansion of space.
Although that's a huge distance, it's not infinitely large. But that's merely what we can see. What lies beyond that, and could that be infinite? That's what Buck wants to know, as he asks:
What I'd like to see discussed whether the universe is finite or infinite, and why it might be either. I've seen some limited discussion by [Sean Carroll] and [Lisa] Randall to the effect it could be either. We just don't know.
It's true that we don't know whether it's finite or infinite, but we know a lot more than what we see within the part that's observable to us.
Looking out at more and more distant objects in the Universe reveals them to us as they were farther... [+]
As we look to greater distances, we also wind up looking back in time. The nearest galaxy, some 2.5 million light years away, appears to us as it was 2.5 million years ago, because the light requires that much time to journey to our eyes from when it was emitted. More distant galaxies appear as they were tens of millions, hundreds of millions or even billions of years ago.
As we look ever farther away in space, the light we see from the Universe comes from its progressively younger days. So why not go all the way back to the beginning: to the light that was emitted 13.8 billion years ago? We've not only looked, but we've found it: the cosmic microwave background, which is the leftover glow from the Big Bang.
Only a few hundred µK separate the hottest regions from the coldest, but the way the fluctuations... [+]
What we find is that the Universe was almost perfectly uniform back then, but some regions were more or less dense than average, by only 1-part-in-30,000. That's enough to grow into the stars, galaxies, galaxy clusters, and cosmic voids we see today. But these early imperfections that we see from this cosmic snapshot encodes an incredible amount of information about the Universe.
One such piece of info is a startling fact: the curvature of space, as best as we can tell, is completely flat. If space were positively curved, like we lived on the surface of a 4D sphere, distant light rays would converge. If space were negatively curved, like the surface of a 4D saddle, distant light rays would diverge. Instead, distant light rays move in their original direction, with the fluctuations we have indicating perfect flatness.
The magnitudes of the hot and cold spots, as well as their scales, indicate the curvature of the... [+]
From constraints arising from both the cosmic microwave background and the large-scale structure of the Universe combined, we can conclude that if the Universe is finite and loops back in on itself, it needs to be at least 250 times the extent of the part we observe. Because we live in three dimensions, 250 times the radius means (250)^3 times the volume, or more than 15 million times as much space. But, big as that is, it still isn't infinite. A lower bound of the Universe being at least 11 trillion light years in all directions is tremendous, but it's still finite.
46 billions of light years
WIKIMEDIA COMMONS USERS FRÉDÉRIC MICHEL AND AZCOLVIN429, ANNOTATED BY E. SIEGEL
The observable Universe might be 46 billion light years in all directions from our point of view... [+]
There's reason to believe our Universe is even bigger than that, though. The hot Big Bang might mark the beginning of the observable Universe as we know it, but it doesn't mark the birth of space and time itself. Before the Big Bang, the Universe underwent a period of cosmic inflation. Instead of being filled with matter and radiation, and instead of being hot, the Universe was:
• filled with energy inherent to space itself,
• expanding at a constant, exponential rate,
• and creating new space so quickly that the smallest physical length scale, the Planck length, would be stretched to the size of the presently observable Universe every 10^(-32) seconds.(10 elevado al exponente -32 segundos)
Inflation causes space to expand exponentially, which can very quickly result in any pre-existing... [+]
It's true that in our region of the Universe, inflation came to an end. But there are three questions we don't know the answer to that have a tremendous influence on how big the Universe truly is, and whether it's infinite or not.
Inflation set up the hot Big Bang and gave rise to the observable Universe we have access to, but we... [+]
1.) How big was the region of the Universe, post-inflation, that created our hot Big Bang? Looking at our Universe today, at how uniform the Big Bang's leftover glow is, at how flat the Universe is, at the fluctuations stretched across the Universe on all scales, etc., there's quite a bit we can learn. We can learn the upper limit to the energy scale at which inflation occurred; we can learn how much the Universe must have inflated; we can learn a lower limit how long inflation must have gone on for.
But the pocket of the inflating Universe that gave rise to us could be much, much bigger than that lower limit! It could be hundreds, or millions, or googols of times larger than what we can observe... or even truly infinite. But without being able to observe more of the Universe than we can presently access, we don't have enough information to decide.
If inflation is a quantum field, then the field value spreads out over time, with different regions... [+]
2.) Is the idea of "eternal inflation" correct? If you consider that inflation must be a quantum field, then at any given point during that phase of exponential expansion, there's a probability that inflation will end, resulting in a Big Bang, and a probability that inflation will continue, creating more and more space. These are calculations we know how to do (given certain assumptions), and they lead to an inevitable conclusion: if you want enough inflation to occur to produce the Universe we see, then inflation will always create more space that continues to inflate compared to the regions that end and produce Big Bangs.
While our observable Universe may have come about from inflation ending in our region of space some 13.8 billion years ago, there are regions where inflation continues -- creating more and more space and giving rise to more Big Bangs -- continuing to the present day. This idea is known as eternal inflation and is generally accepted by the theoretical physics community. How big, then, is the entire unobservable Universe by now?
Wherever inflation occurs (blue cubes), it gives rise to exponentially more regions of space with... [+]
3.) And finally, how long did inflation go on prior to its end and the resultant hot Big Bang? We can only see the observable Universe created by inflation's end and our hot Big Bang. We know that inflation must have occurred for at least some ~10^(-32) seconds (10 at exponet -32 seconds) or so, but it likely went on for longer.
But how much longer? For seconds? Years? Billions of years? Or even an arbitrary, infinite amount of time? Has the Universe always been inflating? Did inflation have a beginning? Did it arise from a previous state that was around eternally? Or, perhaps, did all of space and time emerge from nothingness a finite amount of time ago? These are all possibilities, and yet the answer is untestable and elusive at present.
A huge number of separate regions where Big Bangs occur are separated by continuously inflating... [+]
From our best observations, we know that the Universe is an awful lot bigger than the part we can observe. Beyond what we can see, we strongly suspect that there's plenty more Universe out there just like ours, with the same laws of physics, the same types of physical, cosmic structures, and the same chances at complex life. There should also be a finite size and scale to the "bubble" in which inflation ended, and an exponentially huge number of such bubbles contained within the larger, inflating spacetime.
But as inconceivably large as that entire Universe — or Multiverse, if you prefer — may be, it might not be infinite. In fact, unless inflation went on for a truly infinite amount of time, or the Universe was born infinitely large, the Universe ought to be finite in extent.
As vast as our observable Universe is and as much as we can see, it’s only a tiny fraction of what... [+]
The biggest problem of all, though? It's that we don't have enough information to definitively answer the question. We only know how to access the information available inside our observable Universe: those 46 billion light years in all directions. The answer to the biggest of all questions, of whether the Universe is finite or infinite, might be encoded in the Universe itself, but we can't access enough of it to know. Until we either figure it out, or come up with a clever scheme to expand what we know physics is capable of, all we'll have are the possibilities.
NOTE:
This is the end of my ambitious article titled:
“HISTORICAL COMPREHENSION OF NATURE (EARTH and UNIVERSE), published in five successive deliveries of the articles of my blog.
Although the main part of it it comes from Internet, I have now and then added some more information gotten from other sources.
My main intention has been to refresh the knowledges we got when students and add new ones from modern investigations helped by present technologies.
Let me say that I am rather proud to have covered almost all related available information, since ancient times till present days, making the theme truly truthful, interesting, and treating to make it rather easily understandable, especially in its Spanish version,
As always, I humbly ask my dear cybernauts their help, informing to me whenever any mistake or untrue affirmation might appear in any of both versions: English and/or Spanish.
Thanks to all of you.
February 2023
TRANSLATION TO SPANISH LANGUAGE:
APÉNDICE No. 1
Artículo No. 7 (Continuación del Artículo No. 1)
“FORBESINNOVATIONSCIENCE
Pregúntale a Ethan: ¿El Universo es Finito o Infinito?
Fuente: Internet
Ethan Siegel
Senior Contributor
Starts With A Bang
Contributor Group
Oct 14, 2017,10:00am EDT
Este artículo fue escrito hace unos 5 años.
ÉPOCAS CÓSMICAS
Si se mirara tan lejos y lejos como fuese posible, se mirará también el pasado. La más temprana … [+]
Hace unos 13.8 mil millones de años, lo que conocemos como nuestro universo comenzó con el caliente Big Bang. Desde entonces se ha estado expandiendo y enfriando hasta nuestros días. Desde nuestro punto de vista, podemos mirar hacia el pasado algo como 46 mil millones de años luz en todas las direcciones, gracias a la velocidad de la luz y la expansión del espacio. Aunque eso es una tremenda distancia, no es infinitamente grande.
Pero eso es lo que meramente podemos ver. Lo que se extiende más allá de eso, ¿aquello podría ser infinito? Eso es lo que Buck quiere conocer, ya que pregunta:
Lo que me gustaría es que sea discutido si el universo es finito o infinito, y por qué debería de ser así o asá. Conozco algunas discusiones limitadas de [Sean Caroll] y [Lisa] Randall y que, en efecto, podría ser cualquiera de ellos. Nosotros simplemente no lo sabemos.
Ciertamente no sabemos si es finito o infinito, pero sabemos mucho más de la parte que es observable por nosotros.
Mirando hacia afuera a objetos más y más distantes en el Universo se nos revela como si ellos estuvieran más lejos … [+]
Cuando miramos a distancias más grandes, estamos mirando lo pasado en el tiempo. La galaxia más cercana, a unos 2.5 millones de años luz de distancia, se nos aparece como que fue hace 2.5 millones de años, porque la luz ha tenido que viajar ese tiempo para llegar hasta nuestros ojos, desde el momento en la que fue emitida. Las galaxias más distantes aparecen como que ellas eran hace decenas de millones, centenas de millones o aún miles de millones de años.
Cuando miramos cada vez más lejos en el espacio, la luz que vemos del Universo viene progresivamente de sus días más jóvenes. Entonces, ¿por qué no vamos hacia atrás hasta el comienzo: A la luz que fue emitida hace 13.8 mil millones de años? No solamente que lo hemos mirado, hasta lo hemos encontrado: El fondo de las microondas cósmicas, el cual es el fulgor remanente del Big Bang.
Solamente unos pocos cientos de micro temperaturas Kelvin separaba las regiones más calientes de las más frías, pero la manera de las fluctuaciones … [+]
Lo que encontramos es que el Universo era casi perfectamente uniforme en ese entonces, pero algunas regiones eran más o menos densas que el promedio, por sólo 1-parte-en-30 000. Eso es suficiente para que crezcan las estrellas, galaxias, grupos de galaxias y vacíos cósmicos que vemos hoy en día. Pero esas imperfecciones tempranas que vemos en esta fotografía cósmica cubren una increíble cantidad de información acerca del Universo. Una pieza de tal información es el siguiente brillante hecho:
Sobre la curvatura del espacio, lo mejor que podemos decir, es que era completamente plano. Si el espacio fuese positivamente curvado, como si viviésemos sobre una superficie de una esfera 4D, los rayos de luz distantes convergerían. Si el espacio fuese curvado negativamente, como la superficie de una silla de montar 4D, los rayos de luz distantes divergirían. En lugar de eso, los rayos de luz distantes se mueven en su dirección original, con las fluctuaciones perfectamente planas como hemos indicado.
GRUPO LLANO (SMOOTH) COSMOLÓGICO / LBL
Las magnitudes de los puntos calientes y fríos, así como sus escalas, indican la curvatura del … [+]
Traduzcamos los escritos que aparecen en cada rectángulo:
a)- Si el Universo fuese cerrado, los rayos de luz provenientes de los lados opuestos de un punto caliente se curvarían unos sobre otros.
… y, como resultado, el punto caliente nos parecería ser más grande de lo que realmente es.
b)- Si el Universo fuese plano, los rayos de luz provenientes de los lados opuestos de un punto caliente no se curvarían en absoluto.
… y, lo mismo, el punto caliente nos parecería ser del tamaño como realmente es.
c)- Si el Universo fuese abierto, los rayos de luz provenientes del lado opuesto de un punto caliente se curvarían apartándose unos de otros.
… y, como resultado, el punto caliente nos parecerá ser más pequeño de lo que realmente es.
De las limitaciones que surgen del fondo de microondas cósmicas y de la estructura a gran escala del Universo, combinadas, podemos concluir que, si el Universo fuese finito y se enlazara contra sí mismo, necesitaría ser por lo menos 250 veces la extensión que observamos. Porque viviríamos en tres dimensiones, 250 veces el radio significa (250)^3 veces el volumen, o más de 15 millones de veces de mayor espacio. Pero, tan grande como es, aún no es infinito. Un menor límite del Universo sería por lo menos 11 billones de años luz en todas las direcciones, lo que es tremendo, pero aún sigue siendo finito.
ESA Y LA COLABORACIÓN DE PLANCK
46 mil millones de años luz
WIKIMEDIA USUARIOS COMUNES FRÉDÉRIC MICHEL Y AZCOLVIN429, ANOTADO POR E. SIEGEL.
El Universo observable podría ser 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista … [+]
Hay razones para creer que nuestro Universo es aún más grande que eso que pensamos. El caliente Big Bang pudo haber marcado el comienzo de nuestro Universo observable tal como lo conocemos hoy en día, pero no marca el nacimiento del espacio-tiempos en sí mismo. Antes del Big Bang, el Universo recorrió un período de inflación cósmica. En lugar de estar lleno con materia y radiación, y en lugar de estar caliente, el Universo estaba:
• lleno con energía inherente al espacio por sí mismo.
• Expandiéndose a un ritmo exponencial constante,
• y creando nuevo espacio tan rápidamente que la pequeñísima escala de longitud, la longitud de Planck, podría ser extendida al tamaño del presente Universo observable, cada 10^(-32) segundos.(10 elevado al exponente -32 segundos)
Expansión del espacio-tiempo en un Universo inflacionario
La inflación causa que el espacio se expanda exponencialmente, lo que puede resultar muy rápidamente en cualquier preexistente … [+]
Es cierto que, en nuestra región del Universo, la inflación ha cesado. Pero hay tres preguntas que no sabemos las respuestas; no conocemos como a aquella que tiene una tremenda influencia en cuán grande realmente es el Universo, y si es infinito o no.
La inflación condiciona al caliente Big Bang y dio origen al Universo observable al que tenemos acceso, pero nosotros … [+]
1.)- ¿Cuán grande fue la región del Universo, post-inflación, que creó nuestro caliente Big Bang?
Mirando a nuestro Universo hoy en día: cuán uniforme es el fulgor dejado por el Big Bang, cuán plano es el Universo, las fluctuaciones extendidas a través del Universo en todas las escalas, etc. de todo ello hay algo que podemos aprender. Podemos conocer el límite superior de la escala de energía a la cual ocurrió la inflación; podemos saber cuánto más el Universo ha tenido que ser inflado; también saber el menor límite del tiempo que la inflación tiene que haber durado.
Pero el bolsillo (pocket) del Universo inflacionario que dio lugar a la aparición de nosotros podría ser más, ¡mucho más grande que aquel límite menor! Podría ser cientos, o millones, o eones de veces más grandes de lo que podemos observar … o aun realmente infinito. Pero no siendo capaces de observar más del Universo al que actualmente tenemos acceso, no tenemos suficiente información para decidir.
Si la inflación es un campo cuántico, entonces el valor del campo se esparce sobre el tiempo, con diferentes regiones … [+]
2.)- “¿Es correcta la idea de “inflación eterna?”
Si se considera que la inflación tiene que ser un campo cuántico, entonces en cualquier punto dado en aquella fase de inflación exponencial, existe la probabilidad de que ésta cesará, resultando en un Big Bang, y la probabilidad de que la inflación continuará, creando más y más espacio. Esos cálculos sabemos cómo hacerlos (dadas ciertas asunciones), y ello nos conduce a una increíble conclusión: Si se desea que ocurra suficiente inflación para producir el universo que vemos, entonces la inflación siempre creará más espacio que continúe la inflación, comparado con las regiones que finalizan y producen Big Bangs.
Mientras nuestro Universo observable podría haber devenido a finalizar su inflación, en nuestra región de espacio, hace algo como 13,8 mil millones de años, hay regiones donde la inflación continúa – creando más y más espacio y propiciando más Big Bangs – continuando hasta nuestros días del presente. Esta idea es conocida como inflación eterna y es aceptada generalmente por la comunidad de físicos teóricos. Entonces ¿Cuán grande es todo el Universo observable, por ahora?
Cuando quiera que ocurra la inflación (cubos azules), da lugar a que crezcan exponencialmente más regiones de espacio con … [+]
3.)- Y finalmente, ¿cuánto tiempo duró la inflación antes de su fin y el resultante Big Bang caliente?
Podemos solamente ver el Universo observable creado por el fin de la inflación y nuestro caliente Big Bang. Sabemos que la inflación tuvo que haber ocurrido por al menos algo como en 10^(-32) segundos (10 elevado al exponente -32 segundos), pero probablemente duró más tiempo.
Pero ¿cuánto tiempo más? ¿Segundos? ¿Años? o aún ¿una arbitraria cantidad infinita de tiempo? ¿El Universo se ha estado siempre inflándose? ¿La inflación tuvo un comienzo? ¿Se originó de un previo estado que fue tanto como eternamente? O, tal vez, todo ello, el espacio y el tiempo emergieron de la nada, ¿desde hace alguna cantidad de tiempo finita? Esas son todas las posibilidades, y todavía la respuesta es inestable y elusiva en el presente
Un enorme número de regiones separadas donde ocurre el Big Bang están caracterzadas por continuas inflaciones … [+]
De nuestras mejores observaciones, sabemos que el Universo es horrorosamente más grande de la parte que podemos observar. Más allá de lo que podemos ver, sospechamos con toda razón, de que hay mucho más Universo fuera justamente como la nuestra, con las mismas leyes de la física, los mismos tipos físicos, misma estructura cósmica, y las mismas oportunidades para albergar vidas complejas.
Debería de haber también un tamaño y escala finitos en la “burbuja” en la cual finaliza la inflación, y un número exponencialmente grande de tales burbujas contenidas dentro de un espacio-tiempo más grande. Pero aun siendo un Universo entero inconcebiblemente grande – o Multiverso, si se prefiere – sería, no infinito. En efecto, a pesar de que (se imaginase que) la inflación durase ciertamente una infinita cantidad de tiempo, o el Universo ya nació infinitamente grande, a pesar de ello, el Universo tiene que ser finito en extensión. ¡Es que es inconcebible, contraintuitiva, la opción de que sea infinito!
Tan vasto como es nuestro Universo observable, lo que vemos es solamente una pequeñísima fracción de lo que … [+]
¿Cuál es el mayor problema de todo? Es que no tenemos suficiente información para responder definitivamente a esa pregunta. Sólo sabemos cómo acceder a la información disponible dentro de nuestro Universo observable: Aquellos 46 mil millones de años luz en todas las direcciones. La respuesta a la mayor de todas esas preguntas, de que, si el Universo es finito o infinito, podría estar codificada en el mismo Universo, pero no podemos acceder lo suficientemente a ello para saberlo. Hasta que, ya sea que nos figuremos, o tengamos un esquema más hábil para expandir lo que sabemos de lo que la física es capaz, todo lo que imaginemos sólo serán posibilidades.
NOTA:
Este es el final de mi ambicioso artículo titulado:
“COMPRENSIÓN HISTÓRICA DE LA NATURALEZA (LA TIERRA Y EL UNIVERSO)” publicado en cinco entregas sucesivas de los artículos de mi blog, tanto en inglés como en español.
Aunque la mayor parte de él proviene del Internet, he agregado, de cuando en vez, más información proveniente de otras fuentes.
Mi principal objetivo ha sido refrescar los conocimientos que aprendimos cuando estudiantes y añadir nuevos hallazgos procedentes de investigaciones modernas gracias a mejores conocimientos coadyuvados por la actual tecnología.
Permítaseme decir que me siento orgulloso por haber cubierto casi todo el conocimiento disponible, desde la antigüedad hasta los días presentes, haciendo que el tema sea verdaderamente valioso, interesante, actualizado y tratando de que sea fácilmente comprensible, especialmente en su versión en español.
Como siempre, apelo humildemente a la generosidad de mis caros cibernautas para que me disculpen y ayuden comunicándome, cada vez que alguna equivocación o falsa afirmación sea detectada, en cualquiera de sus versiones, inglés y/o español.
Finalmente, tanto como me ha sido posible, la versión en español ha sido escrita con letras cursivas, para diferenciarlo más de lo escrito en inglés y facilitar sus secuencias para su lectura.
Febrero, 2023
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