Lamento que esta pergunta seja provavelmente tola para astrônomos profissionais, dos quais não sou um.
Esta questão não é de forma alguma boba. Sua pergunta é comum sobre cosmologia (o estudo de onde o universo veio, como está evoluindo e qual será o seu destino). Os meios de comunicação freqüentemente abatem esses conceitos horrivelmente, resultando em muita confusão (de todas as informações científicas, eles parecem ter mais dificuldade em relatar com precisão a cosmologia). Sua inquisição é definitivamente uma coisa boa.
Quando os astrônomos dizem que o universo primitivo era pequeno, eles significam simplesmente "a parte do universo que corresponde ao nosso universo observável era pequena"?
Bem, eles geralmente estão se referindo a todo o Universo. No meu parágrafo final, explico o que isso implica para o universo observável.
Se é infinito, parece que também deveria ser infinito na infância, apenas muito denso. De fato, parece "no limite", tinha que ser infinito, mesmo no Big Bang.
Você está mais perto da verdade. Quando falamos sobre a expansão do Universo, estamos realmente dizendo que o espaço está sendo criado entre toda a matéria.
Como você mencionou, o Universo pode ser infinito. Não é como uma bola, mas como uma grade plana, e sua "expansão" significa apenas que as distâncias entre os objetos na grade estão aumentando. Em essência, mais espaço está sendo criado entre os objetos. É isso o que queremos dizer com expansão - que os objetos estão se afastando, uma vez que mais espaço está sendo criado entre eles. Abaixo está um gif que eu fiz para demonstrar isso:
Uma maneira mais útil de descrever isso é dizer que a grade está se expandindo - que o próprio espaço, como um sistema de coordenadas, está crescendo. Como analogia, imagine estar passeando com seu cachorro. De repente, o chão começa a se expandir entre vocês. Você e seu cão se separam e continuam se afastando.
Então, a mesma coisa está acontecendo com o nosso universo. De fato, a grade está crescendo e os objetos estão sendo varridos.
OK, agora que já definimos os conceitos principais, apresentarei mais um pouco de terminologia. O "fator de escala do Universo" refere-se ao quanto o Universo se expandiu, em comparação com agora. Por exemplo, se em um bilhão de anos o fator de escala for 3, isso significa que todo objeto no Universo está 3 vezes mais distante um do outro do que agora. Se o fator de escala 700 milhões de anos atrás era 0,8, então tudo estava mais próximo por um fator de 0,8 naquele momento. Por definição, o fator de escala é 1 no momento.
Portanto, se o Universo está se expandindo agora, esperamos que ele seja menor à medida que olhamos mais para trás no tempo - ou seja, o fator de escala seria menor. A relatividade geral prevê que o fator de escala seja zero em 13,8 bilhões de anos atrás. Isso significaria que todo objeto seria zero vezes a sua distância atual de nós - em outras palavras, não haveria espaço.
Se você acha que um universo sem espaço é impossível, está correto. Aparentemente, temos uma contradição. No GR, você não pode ter um espaço-tempo com espaço zero.
Nossas teorias físicas modernas funcionam bem algumas frações de segundo após o momento da contradição, e nossas observações concordam com a idéia de um universo primitivo extremamente denso. No entanto, nossas teorias quebram quando tentamos modelar o Universo em épocas anteriores e anteriores, até que elas não sejam mais precisas, impedindo-nos de explicar o momento mais interessante.
É por isso que o momento do Big Bang é um dos maiores mistérios da cosmologia. Teorias como a gravidade quântica surgiram para tentar explicar as condições próximas ao Big Bang, mas nenhuma é suficiente a partir de agora.
Costumo ouvir em palestras que imediatamente após o Big Bang, o universo era pequeno, digamos, do tamanho de toranja ou algo assim.
De fato, o problema decorre da ambiguidade quando se diz "universo". Nesse caso, eles estão se referindo ao universo observável, que é realmente esférico. O universo observável era de fato muito menor próximo ao tempo do Big Bang, comparado ao seu raio agora.
Isso ocorre porque seu raio realmente depende do fator de escala do nosso Universo *, o que significa que, no momento em que GR prevê que o fator de escala seja zero, também prevê que o tamanho do universo observável seja zero.
Obviamente, esse não pode ser o caso, pois, como explicamos acima, não deve ser possível que o fator de escala seja zero. No entanto, nós podemos dizer com confiança razoável de que o universo observável foi provavelmente o tamanho de uma toranja em um ponto, se não menor (apesar de "grapefruit" parece uma escolha arbitrária para comparação. Eu não posso realmente encontrar o papel que as primeiras usa esta analogia, então o que eles originalmente queriam dizer é um pouco claro).
* Medir distâncias é realmente um pouco complicado em cosmologia; em alguns casos, queremos falar sobre distâncias ou movimento de objetos enquanto negligenciamos a expansão do universo. Para poupar a necessidade de aprender muita terminologia, agora estou levando em consideração a expansão do Universo ao falar sobre o tamanho do universo observável. O universo observável também cresce devido a fatores além da expansão do Universo, ou seja, luz de galáxias cada vez mais próximas que nos chegam.