Спросите Итана №39: почему свет растягивается при расширении Вселенной?
Говорят, что Вселенная расширяется. Это должно решить проблему с пробками.
Стивен Райт.
Я читал вашу запись по поводу космической инфляции, и у меня появился вопрос – об отношениях между длинами волн света и расширением космоса. Можно привести аналогию с шариком или с резинкой, на которой нарисована волна. Волна растягивается вместе с резинкой. Но обязательно ли это? Разве свет не может распространяться, не меняя свои частоту и длину волны, в то время как пространство вокруг него расширяется, или сжимается, или что там ещё?
Очень большой вопрос, поэтому давайте начнём сначала, чтобы у нас был контекст.
Не секрет, что видимая часть Вселенной берёт начало в Большом взрыве: наборе изначальных условий, при которых она была горячее, плотнее, компактнее, после чего начала быстро расширяться. Вселенная расширяется и по сей день, и всё, что не связано гравитацией, продолжает неограниченно расширяться.
В принципе можно представить себе, что мы нарисуем сферу вокруг заданного объёма Вселенной, охватывающую всю массу-энергию внутри себя. И если мы затем повернём время вспять, то окажется, что то же самое количество частиц будет заключено в сфере меньшего размера.
Только не нужно забывать, что это не такое пространство, которое представляли себе наши прапрадедушки — где координаты фиксированы, расстояния между точками чётко определены и наблюдатели из разных точек полностью согласны друг с другом относительно того, что, где и когда происходит. Это Вселенная, работающая по законам Общей теории относительности, где пространство и время зависят от энергии, импульса и расположения наблюдателя.
Если бы мы были одиночным, очень долго живущим наблюдателем во Вселенной, и мы бы смотрели на расположение галактик – как миллиарды лет назад, так и сейчас, то что бы мы увидели?
Мы бы увидели, что взаимное расположение галактик меняется так же, как расположение зёрнышек в тесте, растущем на дрожжах. Сами зёрнышки не увеличиваются – они связаны гравитацией. Вокруг них расширяется Вселенная, в результате чего расстояния между ними увеличиваются. Но планеты, звёзды, галактики и даже группы и кластеры не расширяются вместе со Вселенной. Они отдаляются от других структур, с которыми они не связаны.
Иными словами, если ваша талия расширяется, это не вина Вселенной!
Почему так происходит?
Виной всему свойства пространства-времени. Эволюция Вселенной, или способ, которым пространство сжимается или расширяется с точки зрения наблюдателя, регулируется количеством энергии и материи во Вселенной. Это ключевое свойство, описываемое ОТО: материя и энергия, присутствующие во Вселенной, определяют эволюцию пространства-времени.
Так что там со светом? Действительно, можно представить себе поверхность надуваемого шара, на которой нарисованы линии. Поскольку энергия фотонов определяется длиной их волны, звучит разумно, что с расширением Вселенной длина волны увеличивается, и происходит красное смещение.
Но почему это происходит, и не влияют ли на это другие эффекты? Может, Вселенная и расширяется, но вдруг красное смещение вызвано не этой причиной.
В частности, существует эффект Доплера, из-за которого полицейская сирена звучит выше, если машина едет в вашу сторону, и ниже, если она едет от вас.
Как звуковые волны сжимаются по направлению движения и растягиваются в противоположном, так ведёт себя и свет. Если источник света движется от вас, свет претерпевает красное смещение, а если по направлению к вам – то синее.
Но согласно ОТО, на энергию фотонов должна влиять и гравитация. Пространство-время и материя с энергией тесно связаны. Представьте, как вокруг планеты Земля пространство искривляется из-за присутствия массы.
Когда мы отправляем сигналы с орбиты Земли на поверхность, и обратно (GPS), нам надо учитывать релятивистские эффекты не только для движения (СТО), но и для гравитационного поля Земли (ОТО).
Представьте, что у нас есть пара из электрона и позитрона, висящая высоко над Землёй. При их аннигиляции высвободится энергия в виде двух фотонов с определённой энергией – энергией, эквивалентной массе покоя частиц.
Что будет, если эти фотоны полетят к Земле? Будут ли они иметь ту же самую энергию на её поверхности, какая была у них в космосе?
Нет, ибо это нарушило бы закон сохранения энергии. Если бы мы уронили наши частицы, они падали бы вниз и набирали кинетическую энергию, двигаясь всё быстрее. А перед падением на Землю они бы встретились и аннигилировали.
Неважно, аннигилируют частицы сразу же, или сначала упадут – по закону сохранения, у энергии фотонов тоже должен случиться гравитационный сдвиг в связи с изменениями гравитационных свойств пространства.
Я объясняю это, чтобы вы осознали, что красное смещение может произойти по двум причинам. Возьмём галактики, которые находятся как около нас, так и очень далеко.
Случается ли красное смещение из-за растяжения пространства (гравитационная причина), или он случается из-за того, что галактики удаляются от нас?
Оказывается, верно последнее утверждение. Поскольку существует ограничение на максимальную скорость,- скорость света,- то галактики, находящиеся на большом расстоянии от нас, вроде бы должны иметь не такое отношение красного смещения к расстоянию до них, как это предсказывает ОТО. На графике предсказание ОТО показано чёрным, а предсказание, не соотносящее красное смещение с пространством-временем (а всего лишь перемножение скорости света на прошедшее время) показано красным.
Это важная космологическая проверка: если длина волны света не растягивается вместе с расширением Вселенной, то нельзя объяснить космическое микроволновое фоновое излучение, и вся теория Большого взрыва перестаёт работать.
К счастью, ОТО прекрасно проходит эту проверку, и длины волн вместе с частотами изменяются с расширением Вселенной. Это было измерено различными способами, включая температуру различных эпох истории Вселенной.
Именно поэтому, во Вселенной, подчиняющейся законам ОТО (а наша Вселенная — именно такая), свет испытывает красное смещение при расширении Вселенной, или, иными словами, при изменении гравитационных свойств пространства.
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
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