Превышает ли расширение Вселенной скорость света?
Всего через 13,8 миллиарда лет после горячего Большого взрыва мы можем видеть на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях. Разве это не нарушает. что-нибудь?
Ключевые выводы
- Главное правило относительности состоит в том, что во Вселенной есть предел скорости, скорость света, которую ничто не может нарушить.
- И все же, когда мы смотрим на самые отдаленные объекты, их свет путешествует не более 13,8 миллиардов лет, но появляется гораздо дальше.
- Вот как это не нарушает скорость света; это только ломает наши устаревшие интуитивные представления о том, как должна вести себя реальность.
Скопируйте ссылку на статью под названием http://Does%20the%20expansion%20of%20the%20Universe%20break%20the%20speed%20of%20light?
Поделиться Превышает ли расширение Вселенной скорость света? на Facebook
Поделиться Превышает ли расширение Вселенной скорость света? в Твиттере
Поделиться Превышает ли расширение Вселенной скорость света? на LinkedIn
Если есть одно правило, которое известно большинству людей о Вселенной, так это то, что существует предельная скорость, которую ничто не может превысить: скорость света в вакууме. Если вы массивная частица, вы не только не сможете превысить эту скорость, но и никогда не достигнете ее; вы можете приблизиться только к скорости света. Если вы не имеете массы, у вас нет выбора; вы можете двигаться только с одной скоростью в пространстве-времени: со скоростью света, если вы находитесь в вакууме, или с меньшей скоростью, если вы находитесь в среде. Чем быстрее ваше движение в пространстве, тем медленнее ваше движение во времени, и наоборот. Обойти эти факты невозможно, поскольку они являются фундаментальным принципом, на котором основана теория относительности.
И все же, когда мы смотрим на далекие объекты во Вселенной, кажется, что они бросают вызов нашему подходу здравого смысла к логике. Благодаря серии точных наблюдений мы уверены, что Вселенной ровно 13,8 миллиарда лет. Самая далекая галактика, которую мы когда-либо видели, в настоящее время находится на расстоянии 32 миллиардов световых лет; самый дальний свет, который мы видим, соответствует точке, которая в настоящее время находится на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет; и галактики, находящиеся на расстоянии около 18 миллиардов световых лет, никогда не смогут быть достигнуты нами, даже если мы сегодня пошлем сигнал со скоростью света.
Тем не менее, ничто из этого не нарушает скорость света или законы относительности; это только ломает наши интуитивные представления о том, как вещи должны себя вести. Вот что каждый должен знать о расширяющейся Вселенной и скорости света.
Что на самом деле означает выражение «ничто не может двигаться быстрее скорости света»
Это правда: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но что это на самом деле означает? У большинства людей, когда они слышат это, возникают следующие мысли:
- Когда я наблюдаю за объектом, я могу отслеживать его движение, наблюдая, как его положение меняется с течением времени.
- Когда я вижу его, я могу записать его наблюдаемое положение и время, в которое я его наблюдаю.
- Затем, используя определение скорости — это изменение расстояния, деленное на изменение времени, — я могу получить его скорость.
- Поэтому, смотря на массивный или безмассовый объект, мне лучше заметить, что скорость, которую я получаю, никогда не превышает скорости света, иначе это нарушило бы законы относительности.
Это верно для большей части нашего общего опыта, но не всегда. В частности, все это включает в себя предположение, о котором мы практически никогда не задумываемся, а тем более не высказываем.
Предположение, о котором идет речь? Это пространство плоское, неизогнутое и неизменное. Это происходит в евклидовом пространстве: типе пространства, которое мы обычно представляем себе, когда думаем о нашей трехмерной Вселенной. Большинство из нас представляют себе что-то вроде нанесения трехмерной «сетки» поверх всего, что мы видим, и попытки описать положение и время с помощью набора из четырех координат, по одной для каждого из измерений x, y, z и времени. .
Другими словами, большинство из нас понимают основную концепцию специальной теории относительности — часть «ничто не может двигаться быстрее света», — но не понимают, что реальная Вселенная не может быть точно описана только специальной теорией относительности. Вместо этого нам нужно учитывать, что в основе Вселенной лежит динамическая ткань пространства-времени, и только движение объектов через это пространство-время подчиняется законам специальной теории относительности.
Что не включено в нашу общую концепцию, так это то, как ткань пространства отклоняется от этой идеализированной, плоской и трехмерной сетки, где каждый последующий момент описывается универсально применимыми часами. Вместо этого мы должны признать, что наша Вселенная подчиняется правилам общей теории относительности Эйнштейна и что эти правила определяют, как развивается пространство-время. Особенно:
- само пространство может либо расширяться, либо сжиматься
- само пространство может быть как положительно, так и отрицательно искривленным, а не только плоским
- законы относительности применяются к объектам, движущимся в пространстве, а не к самому пространству
Другими словами, когда мы говорим «ничто не может двигаться быстрее скорости света», мы имеем в виду «ничто не может двигаться быстрее скорости света». сквозь пространство», но что движение объектов в пространстве ничего не говорит нам о том, как будет развиваться само пространство. В качестве альтернативы мы можем только утверждать, что ничто не движется быстрее света относительно другого объекта в том же месте или в том же месте в пространстве-времени.
Пространство не расширяется со скоростью
Итак, ничто не может двигаться в пространстве быстрее света, но как насчет того, как меняется само пространство? Вы, наверное, слышали, что мы живем в расширяющейся Вселенной и что мы измерили скорость, с которой расширяется сама ткань пространства: постоянную Хаббла. Мы даже точно измерили эту скорость и можем быть уверены на основании всех проведенных нами измерений и наблюдений, что современная скорость расширения находится точно между 66 и 74 км/с/Мпк: километров на секунда на мегапарсек.
Но что значит, что пространство расширяется?
На каждый мегапарсек (около 3,26 миллиона световых лет), на котором удален от нас далекий и несвязанный объект, мы будем видеть, как он удаляется от нас, как если бы он удалялся со скоростью, эквивалентной 66–74 км/с. Если что-то находится на расстоянии 20 Мпк от нас, мы ожидаем, что оно будет удаляться от нас со скоростью, эквивалентной 1320-1480 км/с; если он находится на расстоянии 5000 Мпк, мы ожидаем, что он будет удаляться со скоростью ~330 000–370 000 км/с.
Но это сбивает с толку по двум причинам. Во-первых, на самом деле он не движется с такой скоростью в пространстве, а скорее это эффект расширения пространства между объектами. Во-вторых, скорость света составляет 299 792 км/с, так что этот гипотетический объект, находящийся на расстоянии около 5000 Мпк, на самом деле не удаляется от нас со скоростью, превышающей скорость света?
Мне нравится думать о расширяющейся Вселенной с помощью модели «хлеба с изюмом». Представьте, что у вас есть шарик теста с изюмом по всему нему. Теперь представьте, что тесто заквашивается, расширяясь во все стороны.(Если хотите, вы можете представить себе, что это происходит в условиях невесомости, например, на Международной космической станции.) Теперь, если вы коснетесь пальцем одной изюминки, что вы увидите, что делают другие изюминки?
- Ближайшие к вам изюминки будут медленно удаляться от вас по мере расширения теста между ними.
- Изюм, который находится дальше, будет казаться удаляющимся быстрее, так как между ним и вами больше теста, чем изюм, расположенный ближе.
- Изюм, который находится еще дальше, будет казаться удаляющимся все быстрее и быстрее.
Теперь, в нашей аналогии здесь, изюм подобен галактикам или связанным группам/скоплениям галактик, а тесто подобно расширяющейся Вселенной. Но в этом случае тесто, представляющее собой ткань пространства, нельзя увидеть или обнаружить напрямую, оно на самом деле не становится менее плотным по мере расширения Вселенной, а просто обеспечивает «сцену» для заселения изюмом или галактиками.
Скорость расширения зависит от общего количества «вещества» в заданном объеме пространства, поэтому, когда Вселенная расширяется, она разбавляется, и скорость расширения падает. Поскольку материя и излучение состоят из фиксированного числа частиц, по мере расширения Вселенной и увеличения ее объема плотность материи и излучения падает. Плотность излучения падает немного быстрее, чем плотность вещества, потому что энергия излучения определяется его длиной волны, а по мере расширения Вселенной эта длина волны также растягивается, что приводит к потере энергии.
С другой стороны, само «тесто» содержит конечное, положительное, ненулевое количество энергии в каждой области пространства, и по мере расширения Вселенной эта плотность энергии остается постоянной. Пока плотность материи и излучения падает, энергия самого «теста» (или пространства) остается постоянной, что мы и наблюдаем как темную энергию.В нашей реальной Вселенной, которая содержит все три из них, мы можем с уверенностью заключить, что в энергетическом балансе Вселенной преобладало излучение в течение первых нескольких тысяч лет, затем материя в течение следующих нескольких миллиардов лет, а затем темная энергия. Насколько мы можем судить, темная энергия будет вечно доминировать во Вселенной.
Теперь самое сложное. Каждый раз, когда мы смотрим на далекую галактику, мы видим свет от нее таким, какой он есть сейчас: по прибытии. Это означает, что излучаемый свет испытывает множество комбинированных эффектов:
- разница между гравитационным потенциалом от того места, где он был испущен, до того, куда он прибыл
- разница в движении излучающего объекта в своем пространстве и движении поглощающего объекта в своем локальном пространстве
- кумулятивные эффекты расширения Вселенной, которые увеличивают длину волны света
Первая часть, к счастью, обычно очень маленькая. Вторая часть известна как пекулярная скорость, которая может варьироваться от сотен до нескольких тысяч километров в секунду.
Но третья часть — это эффект космического расширения. На расстояниях более ~100 мегапарсек или около того это всегда доминирующий эффект. В самых больших космических масштабах расширение Вселенной — это все, что имеет значение. Важно признать, что расширение вообще не имеет внутренней скорости; пространство расширяется с частотой: скорость на единицу расстояния. Выражая это как некоторое количество километров в секунду на мегапарсек, мы скрываем, что «километры» и «мегапарсекы» — это расстояния, и они сокращаются, если вы конвертируете одно в другое.
Путешествуйте по Вселенной с астрофизиком Итаном Сигелом. Подписчики будут получать информационный бюллетень каждую субботу. Все на борт!
Свет от удаленных объектов действительно смещается в красную сторону, но не потому, что что-то удаляется быстрее света, и не потому, что что-то расширяется быстрее света.Пространство просто расширяется; это мы втыкаем рожки в «скорость», потому что это то, с чем мы знакомы.
Что на самом деле ускоряется в нашей ускоряющейся Вселенной?
Одна из трудностей, с которыми мы сталкиваемся, заключается в том, что мы не можем на самом деле измерить скорость удаленного объекта. Мы можем измерить расстояние до него с помощью различных показателей, например, насколько оно яркое/тусклое или насколько большим/маленьким оно кажется на небе, предполагая, что мы знаем или можем вычислить, насколько оно яркое или большое по своей природе. Мы также можем измерить его красное смещение, или то, как свет «смещается» по сравнению с тем, каким он был бы, если бы мы находились в точном месте и в тех же условиях, в которых излучался свет. Это смещение из-за того, что мы знаем, как волны смещаются из-за эффекта Доплера (например, для звуковых волн), мы часто переводим в скорость рецессии.
Однако мы не измеряем фактическую скорость; мы измеряем кумулятивные эффекты движений плюс эффект расширяющейся Вселенной. Когда мы говорим «Вселенная ускоряется», на самом деле мы имеем в виду — и это совсем не то, что вы могли бы интуитивно понять, — что если вы наблюдаете за тем же объектом, когда Вселенная расширяется, он не только будет продолжать увеличиваться на расстоянии от от вас, удаляясь все дальше и дальше, но свет, который вы получаете от этого объекта, будет продолжать показывать постоянно увеличивающееся красное смещение, из-за чего кажется, что он удаляется от вас с ускорением.
Однако в действительности красное смещение связано с расширением пространства, а не с галактикой, удаляющейся от вас все быстрее и быстрее. Скорость расширения, если бы мы действительно измеряли ее с течением времени, все еще уменьшается и в конечном итоге асимптотируется до конечного, положительного и ненулевого значения; вот что значит жить во Вселенной, где доминирует темная энергия.
Так что же определяет «расстояние» в расширяющейся Вселенной?
Когда мы говорим о расстоянии до объекта в расширяющейся Вселенной, мы всегда делаем космический снимок — что-то вроде «глаза Бога» — того, как обстоят дела в данный конкретный момент времени: когда свет от этих удаленных объектов прибывает. Мы знаем, что видим эти объекты такими, какими они были в далеком прошлом, а не такими, какими они являются сегодня — примерно через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, — а скорее такими, какими они были, когда излучали свет, приходящий сегодня.
Но когда мы говорим о том, «как далеко находится этот объект», мы не спрашиваем, как далеко он был от нас, когда излучал свет, который мы сейчас видим, и мы не спрашиваем, как долго этот свет В процессе перевозки. Вместо этого мы спрашиваем, как далеко от нас в этот самый момент находится объект, если бы мы могли как-то «заморозить» расширение Вселенной прямо сейчас. Самая дальняя наблюдаемая галактика GN-z11 излучала свой нынешний свет 13,4 миллиарда лет назад и находится примерно в 32 миллиардах световых лет от нас. Если бы мы могли заглянуть в прошлое до момента Большого Взрыва, мы бы видели его на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет, и если бы мы захотели узнать самый далекий объект, свет которого еще не достиг нас, но когда-нибудь , это в настоящее время расстояние ~ 61 миллиард световых лет: будущий предел видимости.
Однако то, что вы можете это видеть, не означает, что вы можете достичь этого. Любой объект, который в настоящее время находится за пределами 18 миллиардов световых лет от нас, по-прежнему будет излучать свет, и этот свет будет путешествовать по Вселенной, но ткань пространства будет просто расширяться слишком неуклонно, чтобы он когда-либо достиг нас. С каждым прошедшим мгновением каждый несвязанный объект отдаляется все дальше и дальше, а ранее достижимые объекты переходят эту отметку и становятся навсегда недоступными. Ничто не движется быстрее света в расширяющейся Вселенной, и это одновременно и благословение, и проклятие. Если мы не придумаем, как это преодолеть, все галактики, кроме ближайших, могут навсегда оказаться за пределами нашей досягаемости.
