Как пространство может двигаться быстрее скорости света?
Космологи в душе путешественники во времени. Оглядываясь назад на миллиарды лет, эти ученые способны проследить эволюцию нашей Вселенной в удивительных деталях. 13,8 миллиарда лет назад произошел Большой Взрыв. Спустя доли секунды экспоненциально расширилась Вселенная — за короткий период времени под названием инфляция. В течение последующих эпох космос вырос до огромных размеров, мы даже не видим его краев.
Но как это может быть возможно? Если скорость света знаменует космическое ограничение скорости, как могут существовать регионы пространства-времени, фотоны которых находятся вне нашей досягаемости? А если они и существуют, как нам узнать об их существовании? На этот вопрос ответила Ванесса Янек с UniverseToday.
Расширяющаяся Вселенная
Как и все остальное в физике, наша Вселенная стремится существовать в низшем энергетическом состоянии из возможных. Но спустя 10^-36 секунд после Большого Взрыва, как считают инфляционные космологи, космос пребывал в энергии ложного вакуума — низшей точке, которая на самом деле не была низшей. В поисках истинного надира энергии вакуума, спустя долю секунды, Вселенная раздулась с коэффициентом 1050.
С тех пор Вселенная продолжает расширяться, но с меньшей скоростью. Мы видим свидетельства этого расширения в свете далеких объектов. По мере того как фотоны, выпущенные звездой или галактикой, распространяются по Вселенной, растяжение пространства заставляет их терять энергию. Когда фотоны достигают нас, их длины волн демонстрируют красное смещение в соответствии с дистанцией, которую они прошли.
Вот почему космологи говорят о красном смещении как о функции расстоянии в пространстве и времени. Свет от удаленных объектов путешествует так долго, что когда мы, наконец, видим его, мы наблюдаем объекты такими, какими они были миллиарды лет назад.
Объем Хаббла
Красное смещение света позволяет нам видеть объекты вроде галактик такими, какими они существовали в далеком прошлом, но мы не можем наблюдать все события, которые происходили в нашей Вселенной на протяжении ее истории. Поскольку наш космос расширяется, свет некоторых объектов оказывается попросту слишком далек от нас, чтобы его заметить.
Физика этой границы опирается, в частности, на кусок окружающего нас пространства-времени под названием объем Хаббла. Здесь, на Земле, мы определяем объем Хаббла путем измерения так называемого параметра Хаббла (H0), величины, которая связывает скорость разбегания далеких объектов с их красным смещением. Впервые ее вычислил Эдвин Хаббл в 1929 году, обнаружив, что далекие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной красному смещению их света.
Два источника красного смещения: Доплер и космологическое расширение. Снизу: детекторы улавливают свет, испущенный центральной звездой. Этот свет растянут, или смещен, вместе с расширением пространства
Разделив скорость света на H0, мы получим объем Хаббла. Этот сферический пузырек охватывает область, в которой все объекты удаляются от центрального наблюдателя со скоростью, меньшей скорости света. Соответственно, все объекты за пределами объема Хаббла удаляются от центра быстрее скорости света.
Да, «быстрее скорости света». Как это возможно?
Магия относительности
Ответ на этот вопрос связан с различием между специальной теорией относительности и общей теорией относительности. Специальная теория относительности требует так называемой «инерциальной системы отсчета», или, если проще, фона. Согласно этой теории, скорость света одинакова во всех инерциальных системах. Если наблюдатель сидит на скамье в парке планеты Земля или взлетает с Нептуна с головокружительной скоростью, для него скорость света всегда будет одинаковой. Фотон всегда удаляется от наблюдателя со скоростью 300 000 000 метров в секунду.
Общая теория относительности, однако, описывает ткань самого пространства-времени. В этой теории инерциальных систем отсчета нет. Пространство не расширяется относительно чему-либо за его пределами, поэтому предел скорости света относительно наблюдателя не работает. Да, галактики за пределами сферы Хаббла удаляются от нас быстрее скорости света. Но галактики сами по себе не преодолевают космические ограничения. Для наблюдателя в одной из таких галактик ничто не нарушает специальную теорию относительности. Это пространство между нами и эти галактики ускоряются и растягиваются экспоненциально.
Наблюдаемая Вселенная
Возможно, следующее вас немного удивит: объем Хаббла — это не то же самое, что и наблюдаемая Вселенная.
Чтобы понять это, рассмотрим, что когда Вселенная становится старше, удаленному свету требуется больше времени, чтобы достичь наших детекторов здесь, на Земле. Мы можем видеть объекты, которые ускорились за пределы нашего нынешнего объема Хаббла, потому что свет, который мы видим сегодня, был выпущен ими, когда они были внутри сферы.
Строго говоря, наша наблюдаемая Вселенная совпадает с чем-то под названием горизонт частиц. Горизонт частиц отмечает расстояние до самого дальнего света, который мы можем наблюдать в этот момент времени — у фотонов было достаточно времени, чтобы либо остаться в пределах, либо догнать мягко расширяющуюся сферу Хаббла.
Наблюдаемая Вселенная. Технически известна как горизонт частиц
Что с расстоянием? Чуть больше 46 миллиардов световых лет в любом направлении — и наша наблюдаемая Вселенная в диаметре составляет приблизительно 93 миллиарда световых лет, или более 500 миллиардов триллионов километров.
(Небольшая заметка: горизонт частиц — это не то же самое, что космологический горизонт событий. Горизонт частиц охватывает все события в прошлом, которые мы можем видеть в настоящее время. Космологический горизонт событий, с другой стороны, определяет расстояние, на котором будущий наблюдатель сможет увидеть на тот момент древний свет, который излучается нашим небольшим уголком пространства-времени сегодня.
Другими словами, горизонт частиц имеет дело с расстоянием до объектов в прошлом, древний свет которых мы можем наблюдать сегодня; а космологический горизонт событий имеет дело с расстоянием, которое сможет пройти наш современный свет, по мере того как дальние уголки Вселенной будут ускоряться от нас).
Темная энергия
Благодаря расширению Вселенной, есть регионы космоса, которые мы никогда не увидим, даже если будем ждать бесконечное время, пока их свет не достигнет нас. Но как насчет тех зон, которые лежат сразу за пределами нашего современного объема Хаббла? Если эта сфера тоже расширяется, сможем ли мы увидеть эти приграничные объекты?
Это зависит от того, какой регион расширяется быстрее — объем Хаббла или части Вселенной в непосредственной близости от него снаружи. И ответ на этот вопрос зависит от двух вещей: 1) увеличивается или уменьшается H0; 2) ускоряется или замедляется Вселенная. Эти два темпа тесно связаны между собой, но не являются одним и тем же.
По сути, космологи считают, что мы живем во время, когда H0 уменьшается; но из-за темной энергии скорость расширения Вселенной растет.
Может показаться нелогичным, но пока H0 уменьшается более медленными темпами, чем растет скорость расширения Вселенной, общее движение галактик от нас по-прежнему происходит с ускорением. И в этот момент времени, как считают космологи, расширение Вселенной будет опережать более скромный рост объема Хаббла.
Поэтому даже при том, что объем Хаббла расширяется, влияние темной энергии устанавливает жесткий лимит на разрастание наблюдаемой Вселенной.
Космологи ломают голову над глубокими вопросами вроде того, как будет выглядеть наблюдаемая Вселенная в один прекрасный день и как изменится расширение космоса. Но в конечном счете ученые могут только предполагать ответы на вопросы о будущем, основываясь на сегодняшнем понимании Вселенной. Космологические временные рамки настолько невообразимо велики, что невозможно сказать что-то конкретное о поведении Вселенной в будущем. Современные модели на удивление хорошо отвечают современным данным, но правда в том, что никто из нас не проживет достаточно долго, чтобы увидеть, сбудутся ли прогнозы.
Источник
Как Вселенная может расширяться быстрее скорости света?
Кажется, что это должно противоречить законам физики, не так ли? Снова и снова (потом еще снова и снова) нам говорят о том, что ничто, абсолютно ничто не способно двигаться быстрее скорости света.
Потом появляются астрономы, мечтающие вытащить нас из зоны комфорта и говорят, что некоторые галактики отдаляются от нас быстрее скорости света.
Ткань пространства
Прежде всего стоит отметить, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Каждый миг галактики отдаляются друг от друга и не стоит брать во внимание такой локальный (о термине локальности ближе к концу) пример, как Млечный Путь или Андромеду, где сближение объясняется гравитационными силами. На больших масштабах галактики постоянно отдаляются.
Чтобы понимать процесс расширения пространства, нужно узнать насколько это происходит равномерно.
Вообразите группу людей, которые встали вокруг невероятно эластичного куска ткани, схватились за него и стали тянуть на себя, делая шаг за шагом назад. Представим, что люди делают это с одинаковой силой и скоростью. Вообразили?
Теперь представьте, что вы в центре этого куска ткани и, наблюдая за людьми, отдаляющимися от вас, вы будете четко осознавать, что воображаемая «Вселенная» расширяется.
Если бы рядом с вами на ткани находились еще какие-то небольшие объекты, то они бы тоже отдалялись от вас, но существенно медленнее, чем люди, отходящие назад шаг за шагом.
Несмотря на то, что сила и скорость, приложенные людьми, не будут меняться, с расстоянием вам будет казаться, что отдаление происходит все быстрее и быстрее.
Клянемся, вы можете провернуть этот эксперимент сами, собрав друзей и скинувшись на гигантский кусок эластичной ткани!
Вернемся во Вселенную
Эдвин Хаббл стал первым человеком, который смог или точнее попытался измерить скорость расширения Вселенной. Хаббл получил ошибочный результат, но его последователи смогли уточнить данный параметр, который составляет примерно 70 километров в секунду на мегапарсек.
Отметим, что это не точное значение, но оно максимально точно (тавтология) определенное на сегодняшний день. В конце концов, мы всего лишь людишки, проживающие на крошечной планетке.
Понимаем, вас интересует это странное «на мегапарсек». Объясняем: 1 мегапарсек равен 1 миллиону парсек или 3,26 миллиона световых лет.
Это означает, что если бы на расстоянии 1 мегапарсека от вас была бы галактика, то она бы отдалялась от вас на 70 километров каждую секунду. Выходит, что галактика на расстоянии 2 мегапарсека будет отдаляться на 140 километров в секунду, а если 3 мегапарсека? Ну вы поняли, да? Уже 210 километров в секунду! Снова и снова, с каждым мегапарсеком скорость вырастает на 70 километров в секунду.
Нетрудно понять, что на каком-то гигантском расстоянии от наблюдателя скорость отдаления галактик будет превышать скорость света.
Этот процесс отдаления, действительно, можно интерпретировать как «скорость»: в теории можно измерить расстояние до самой далекой галактики, подождать миллиарды лет, измерить снова и убедиться, что отдаление происходило быстрее скорости света.
Нарушение законов физики? Нет.
Ограничение скорости (ничто не может двигаться быстрее скорости света) вытекает из Специальной теории относительности, которая, между прочим, не может быть применена на таких масштабах. Галактики, отдаляющиеся быстрее скорости света, подконтрольны лишь Общей теории относительности.
Это чистая правда, что в Специальной теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света, но эта теория является лишь чем-то вроде «локального закона физики». Другими словами, вы никогда не сможете увидеть космический корабль, который будет двигаться быстрее скорости света.
Ах, чуть не забыли. Андромеда и Млечный Путь готовятся к «свиданию» все из-за той же Специальной теории относительности. Локальный масштаб.
Источник
Правда ли, что пространство Вселенной расширяется быстрее скорости света?
Говорить, что пространство расширяется быстрее скорости света не совсем корректно: пространство никуда не движется, просто всё время появляется новое пространство и расстояние между объектами увеличивается, а из-за этого создаётся видимость разлёта объектов.
Ограничение в виде скорости света действует только на реальное перемещение объектов во Вселенной, а не на то что выглядит, как перемещение.
Мы можем наблюдать только досветовое разбегание объектов, сверхсветовая скорость у нас относительно объектов, которые находятся за горизонтом событий Вселенной, в области, из которой мы никогда не сможем получить информацию,
Также скорость света является ограничением на скорость передачи информации, но не запрещает сверхсветовое движение не связанных между собой причинно-следственно объектов. Общая теория относительности Эйнштейна в этом плане регулирует процессы под горизонтом событий, всё, что за ним, она не ограничивает.
Собственно, нельзя даже сказать, что Вселенная расширяется с какой-то конкретной скоростью: разные галактики удаляются друг от друга с различной скоростью в соответствии с законом Хаббла.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube . Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом! А кроме того посетите мой сайт .
Источник
Как Вселенная расширяется быстрее скорости света?
Науке известно, что ничто не может двигаться быстрее скорости света . Но как так получается, что многие звёзды, галактики и скопления галактик удаляются от нас со скоростью большей, чем скорость света?
Как же это работает?
- Например, мы находимся в какой-то галактике и видим, что все другие галактики от нас улетают.
- Если мы перелетим в соседнюю галактику, то всё будет происходит таким же образом.
Отсюда можно сразу сделать вывод:
Чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется. Если мы перелетим в другое место, то картина расширения не изменится.
Более наглядно эту ситуацию можно описать, представив себе воздушный шарик. Если взять шарик и наклеить на него изображения галактик, то, при надувании, галактики начнут равноудаляться друг от друга.
Как и любая аналогия, данная аналогия с шариком имеет свои недостатки. У многих сразу может возникнуть резонный вопрос «А где находится центр расширения?». Можно ответить на этот вопрос, что те кто живут на шарике не могут обнаружить его центра, поскольку не могут выйти за пределы своего шарика.
Где центр расширения?
Если бы в действительности у нашей Вселенной был центр расширения, то мы бы наблюдали некий «сквозняк».
В действительности такую картину мы не наблюдаем. Отсюда можно предположить, что центра расширения нет, либо центр расширения находится в другом измерении. Некоторые могут сказать, что возможно центром расширения нашей Вселенной является наша Земля, но научно доказать такое не представляется возможным.
Область наблюдения
Из всего этого следует очень интересный вывод. Поскольку нам известен конечный возраст Вселенной (
13.8 млрд. лет), и поскольку свет может распространяться с конечной скоростью, нам доступна какая-то конечная область, также называемая Наблюдаемая Вселенная .
У нас нет никаких оснований предполагать, что Вселенная заканчивается на границе наблюдаемой части.
Принято считать, что на больших масштабах Вселенная плоская и однородная. Поэтому мы судим о всей Вселенной исходя из того относительно небольшого участка, который мы наблюдаем.
Конечна ли Вселенная?
Поспешу вас огорчить, но у нас нет однозначного ответа на этот вопрос. И причина всё та же: нам для наблюдения доступна только малая часть от всей Вселенной. Также, мы не можем сказать, насколько Вселенная больше той области, которую мы можем сейчас наблюдать.
Как Вселенная расширяется быстрее скорости света?
Вернёмся к нашему главному вопросу. Представьте, что вы стоите на бесконечной плоской металлической поверхности в резиновых сапогах и напротив вас стоит какой-то предмет. Если начать пропускать ток через эту металлическую поверхность, то метал начнёт нагреваться, а следовательно расширяться, тем самым удаляя от вас этот предмет. Чем дальше будет предмет, тем быстрее он будет отдаляться и, в конечном счете, он будет удаляться быстрее скорости света.
Аналогичным образом от нас удаляются звёзды и галактики, свет от некоторых из них не может успеть долететь до нас и, скорее всего, никогда не долетит.
Канал не позиционирует себя как источник стопроцентно правдивой информации, а лишь претендует быть таковым.
Источник