En la cosmología física moderna , el principio cosmológico es la noción de que la distribución espacial de la materia en el universo es homogénea e isotrópica cuando se ve en una escala lo suficientemente grande, ya que se espera que las fuerzas actúen uniformemente en todo el universo y, por lo tanto, deberían producir no hay irregularidades observables en la estructuración a gran escala en el curso de la evolución del campo de la materia que fue inicialmente establecido por el Big Bang .
Definición
El astrónomo William Keel explica:
El principio cosmológico suele expresarse formalmente como "Visto a una escala suficientemente grande, las propiedades del universo son las mismas para todos los observadores". Esto equivale a la afirmación fuertemente filosófica de que la parte del universo que podemos ver es una muestra justa, y que las mismas leyes físicas se aplican en todas partes. En esencia, esto en cierto sentido dice que el universo es conocible y está jugando limpio con los científicos. [1]
El principio cosmológico depende de una definición de "observador" y contiene una calificación implícita y dos consecuencias comprobables.
"Observadores" se refiere a cualquier observador en cualquier lugar del universo, no simplemente a cualquier observador humano en cualquier lugar de la Tierra: como dice Andrew Liddle, "el principio cosmológico [significa que] el universo se ve igual en cualquier lugar y en cualquier lugar". [2]
La salvedad es que se puede pasar por alto la variación en las estructuras físicas, siempre que esto no ponga en peligro la uniformidad de las conclusiones extraídas de la observación: el Sol es diferente de la Tierra, nuestra galaxia es diferente de un agujero negro, algunas galaxias avanzan hacia en lugar de retroceder desde nosotros, y el universo tiene una textura "espumosa" de cúmulos de galaxias y vacíos, pero ninguna de estas diferentes estructuras parece violar las leyes básicas de la física.
Las dos consecuencias estructurales comprobables del principio cosmológico son la homogeneidad y la isotropía . La homogeneidad significa que la misma evidencia observacional está disponible para los observadores en diferentes lugares del universo ("la parte del universo que podemos ver es una muestra justa"). Isotropía significa que la misma evidencia observacional está disponible mirando en cualquier dirección en el universo ("las mismas leyes físicas se aplican en todo" [ dudoso ] ). Los principios son distintos pero están estrechamente relacionados, porque un universo que parece isotrópico desde dos ubicaciones cualesquiera (para una geometría esférica, tres) también debe ser homogéneo.
Origen
El principio cosmológico se afirma claramente por primera vez en la Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) de Isaac Newton . [ dudoso ] En contraste con las cosmologías clásicas o medievales anteriores, en las que la Tierra descansaba en el centro del universo, Newton conceptualizó la Tierra como una esfera en movimiento orbital alrededor del Sol dentro de un espacio vacío que se extendía uniformemente en todas direcciones hasta alcanzar un tamaño inconmensurable. distancias. Luego demostró, a través de una serie de demostraciones matemáticas sobre datos de observación detallados de los movimientos de planetas y cometas, que sus movimientos podrían explicarse por un solo principio de " gravitación universal " que se aplicaba también a las órbitas de las lunas galileanas alrededor de Júpiter. , la Luna alrededor de la Tierra, la Tierra alrededor del Sol y los cuerpos que caen sobre la Tierra. Es decir, afirmó la naturaleza material equivalente de todos los cuerpos dentro del Sistema Solar, la naturaleza idéntica del Sol y las estrellas distantes y, por lo tanto, la extensión uniforme de las leyes físicas del movimiento a una gran distancia más allá de la ubicación de observación de la Tierra misma.
Trascendencia
Las observaciones muestran que las galaxias más distantes están más juntas y tienen un contenido menor de elementos químicos más pesados que el litio. [3] Aplicando el principio cosmológico, esto sugiere que los elementos más pesados no se crearon en el Big Bang, sino que se produjeron por nucleosíntesis en estrellas gigantes y se expulsaron a través de una serie de explosiones de supernovas y la formación de nuevas estrellas a partir de los remanentes de supernovas, lo que significa que los elementos más pesados lo harían se acumulan con el tiempo. Otra observación es que las galaxias más lejanas (tiempo anterior) a menudo son más fragmentarias, interactúan y tienen una forma inusual que las galaxias locales (tiempo reciente), lo que sugiere también una evolución en la estructura de las galaxias.
Una implicación relacionada del principio cosmológico es que las estructuras discretas más grandes del universo están en equilibrio mecánico . La homogeneidad y la isotropía de la materia en las escalas más grandes sugerirían que las estructuras discretas más grandes son partes de una sola forma indiscreta, como las migajas que forman el interior de un pastel. A distancias cosmológicas extremas, la propiedad del equilibrio mecánico en superficies laterales a la línea de visión puede probarse empíricamente; sin embargo, bajo la suposición del principio cosmológico, no se puede detectar en paralelo a la línea de visión (ver línea de tiempo del universo ).
Los cosmólogos están de acuerdo en que, de acuerdo con las observaciones de galaxias distantes, un universo debe ser no estático si sigue el principio cosmológico. En 1923, Alexander Friedmann estableció una variante de las ecuaciones de la relatividad general de Albert Einstein que describen la dinámica de un universo isotrópico homogéneo. [4] [5] Independientemente, Georges Lemaître derivó en 1927 las ecuaciones de un universo en expansión a partir de las ecuaciones de la Relatividad General. [6] Así, también se implica un universo no estático, independiente de las observaciones de galaxias distantes, como resultado de aplicar el principio cosmológico a la relatividad general .
Crítica
Karl Popper criticó el principio cosmológico basándose en que convierte "nuestra falta de conocimiento en un principio de saber algo ". Resumió su posición como:
- los "principios cosmológicos" eran, me temo, dogmas que no deberían haberse propuesto. [7]
Observaciones
Aunque el universo no es homogéneo a escalas más pequeñas, es estadísticamente homogéneo a escalas mayores de 250 millones de años luz. El fondo cósmico de microondas es isotrópico, es decir, su intensidad es aproximadamente la misma en cualquier dirección que miremos. [8]
Sin embargo, hallazgos recientes han cuestionado este punto de vista. Los datos de la Misión Planck muestran un sesgo hemisférico en 2 aspectos: uno con respecto a la temperatura promedio (es decir, fluctuaciones de temperatura), el segundo con respecto a variaciones más grandes en el grado de perturbaciones (es decir, densidades). La Agencia Espacial Europea (el organismo rector de la Misión Planck) ha concluido que estas anisotropías son, de hecho, estadísticamente significativas y ya no pueden ignorarse. [9]
Inconsistencias
El principio cosmológico implica que a una escala suficientemente grande, el universo es homogéneo . Basándose en simulaciones de N-cuerpos en un universo ΛCDM , Yadav y sus colegas demostraron que la distribución espacial de las galaxias es estadísticamente homogénea si se promedia en escalas de 260 / h Mpc o más. [10]
Se ha informado que varias observaciones están en conflicto con las predicciones de tamaños máximos de estructura:
- El Clowes-Campusano LQG , descubierto en 1991, tiene una longitud de 580 Mpc y es marginalmente más grande que la escala constante.
- La Gran Muralla de Sloan , descubierta en 2003, tiene una longitud de 423 Mpc, [11] que es apenas coherente con el principio cosmológico.
- U1.11 , un gran grupo de cuásares descubierto en 2011, tiene una longitud de 780 Mpc y es dos veces mayor que el límite superior de la escala de homogeneidad.
- El Huge-LQG , descubierto en 2012, es tres veces más largo y dos veces más ancho de lo que se prevé que sea posible según estos modelos actuales, por lo que desafía nuestra comprensión del universo a gran escala.
- En noviembre de 2013, se descubrió una nueva estructura a 10 mil millones de años luz de distancia que mide 2000–3000 Mpc (más de siete veces la de la SGW), la Gran Muralla Hércules-Corona Borealis , poniendo más dudas sobre la validez del principio cosmológico. [12]
- En junio de 2021, se descubrió el Arco Gigante , una estructura que abarca aproximadamente 1000 Mpc. [13] Se encuentra a 2820 MPc de distancia y consta de galaxias, cúmulos galácticos, gas y polvo.
Sin embargo, como señaló Seshadri Nadathur en 2013, [14] la existencia de estructuras más grandes que la escala homogénea (260 / h Mpc según la estimación de Yadav [10] ) no viola necesariamente el principio cosmológico (ver Disputa número Huge-LQG ) .
Si bien la isotropía del universo alrededor de la Tierra se confirma en gran importancia por estudios de los mapas de temperatura de fondo de microondas cósmicos , [15] su homogeneidad sobre escalas cosmológicas es todavía un tema de debate. [dieciséis]
Principio cosmológico perfecto
El principio cosmológico perfecto es una extensión del principio cosmológico y establece que el universo es homogéneo e isotrópico en el espacio y el tiempo. Desde esta perspectiva, el universo se ve igual en todas partes (a gran escala), igual que siempre ha sido y siempre será. El principio cosmológico perfecto sustenta la teoría del estado estacionario y surge [ aclaración necesaria ] de la teoría de la inflación caótica . [17] [18] [19]
Ver también
- Independencia de fondo
- Principio copernicano
- Fin de la grandeza
- Métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker
- Estructura del cosmos a gran escala
- Expansión métrica del espacio
- Redshift
Referencias
- ^ William C. Keel (2007). El camino a la formación de galaxias (2ª ed.). Springer-Praxis. pag. 2. ISBN 978-3-540-72534-3.
- ^ Andrew Liddle (2003). Una introducción a la cosmología moderna (2ª ed.). John Wiley e hijos . pag. 2 . ISBN 978-0-470-84835-7.
- ^ Imagen: CMB Timeline75.jpg - NASA (imagen de dominio público)
- ^ Alexander Friedmann (1923). Die Welt als Raum und Zeit (El mundo como espacio y tiempo) . Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften. ISBN 978-3-8171-3287-4. OCLC 248202523 ..
- ^ Ėduard Abramovich Tropp; Viktor Ya. Frenkel; Artur Davidovich Chernin (1993). Alexander A. Friedmann: el hombre que hizo que el universo se expandiera . Prensa de la Universidad de Cambridge . pag. 219. ISBN 978-0-521-38470-4.
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- ^ Helge Kragh: "La más filosófica de todas las ciencias": Karl Popper y la cosmología física Archivado el 20 de julio de 2013 en la Wayback Machine (2012)
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