Говорят, что Вселенная расширяется.Теги: #Популярная наука #Космонавтика #физика #свет #расширение Вселенной #вселенная #скорость света #спросите Итана #теория большого взрыва #теория инфляцииЭто должно решить проблему пробок.
Стивен Райт. Читатель спрашивает:
Я читал ваш пост о космической инфляции, и у меня возник вопрос о взаимосвязи между длинами волн света и расширением пространства.Очень большой вопрос, поэтому давайте начнем с самого начала, чтобы иметь контекст.Можно привести аналогию с мячом или резинкой с нарисованной на ней волной.
Волна тянется вместе с резинкой.
Но необходимо ли это? Разве свет не может путешествовать, не изменяя свою частоту или длину волны, в то время как пространство вокруг него расширяется, сжимается или что-то еще?
Ни для кого не секрет, что видимая часть Вселенной возникла в результате Большого взрыва: набора начальных условий, при которых она была горячее, плотнее, компактнее, после чего она начала быстро расширяться.Вселенная расширяется и по сей день, и все, что не связано гравитацией, продолжает безгранично расширяться.
В принципе, мы можем представить, что вокруг заданного объема Вселенной мы нарисовали бы сферу, охватывающую всю находящуюся в ней массу-энергию.
А если потом повернуть время вспять, то окажется, что такое же количество частиц будет содержаться в меньшей сфере.
Только помните, что это не то пространство, которое представляли себе наши прапрадеды, - где координаты фиксированы, расстояния между точками четко определены, а наблюдатели из разных точек совершенно согласны друг с другом в том, что происходит, где и когда.Это Вселенная, действующая по законам общей теории относительности, где пространство и время зависят от энергии, импульса и местоположения наблюдателя.
Если бы мы были единственным, очень долгоживущим наблюдателем во Вселенной, и посмотрели бы на расположение галактик – как миллиарды лет назад, так и сейчас, что бы мы увидели?
Мы увидели бы, что относительные положения галактик изменяются так же, как и положения зерен в тесте, растущем на дрожжах.Сами зерна не растут – они связаны силой тяжести.
Вселенная расширяется вокруг них, в результате чего расстояния между ними увеличиваются.
Но планеты, звезды, галактики и даже группы и скопления не расширяются вместе со Вселенной.
Они отходят от других структур, с которыми не связаны.
Другими словами, если ваша талия расширяется, это не вина Вселенной!
Почему это происходит? Это связано со свойствами пространства-времени.Эволюция Вселенной или то, как пространство сжимается или расширяется с точки зрения наблюдателя, определяется количеством энергии и материи во Вселенной.
Это ключевое свойство, описываемое общей теорией относительности: материя и энергия, присутствующие во Вселенной, определяют эволюцию пространства-времени.
Так что там со светом? Действительно, можно представить себе поверхность надутого воздушного шара, на которой нарисованы линии.Поскольку энергия фотонов определяется их длиной волны, кажется разумным, что по мере расширения Вселенной длина волны увеличивается и происходит красное смещение.
Но почему это происходит и есть ли другие последствия? Возможно, Вселенная расширяется, но внезапно красное смещение вызвано не этой причиной.В частности, существует эффект Доплера, который заставляет полицейскую сирену звучать выше, когда машина приближается к вам, и ниже, когда она удаляется от вас.
Свет сжимается так же, как звуковые волны в направлении движения и растягиваются в противоположном направлении.Если источник света удаляется от вас, свет претерпевает красное смещение, а если он движется к вам, он претерпевает синее смещение.
Но согласно общей теории относительности, на энергию фотонов также должна влиять гравитация.
Пространство-время, материя и энергия тесно связаны.
Представьте, как пространство вокруг планеты Земля искривляется из-за наличия массы.
Когда мы посылаем сигналы с орбиты Земли на поверхность и обратно (GPS), нам необходимо учитывать релятивистские эффекты не только для движения (СТО), но и для гравитационного поля Земли (ОТО).Представьте, что у нас есть пара электрона и позитрона, висящая высоко над Землей.
При их аннигиляции выделяется энергия в виде двух фотонов с определенной энергией — энергией, эквивалентной массе покоя частицы.
Что произойдет, если эти фотоны полетят к Земле? Будут ли они иметь на своей поверхности ту же энергию, что и в космосе? Нет, потому что это нарушит закон сохранения энергии.Если бы мы уронили наши частицы, они бы упали и набрали бы кинетическую энергию, двигаясь все быстрее и быстрее.
И прежде чем упасть на Землю, они бы встретились и истребились.
Неважно, аннигилируют частицы сразу или падают первыми – по закону сохранения энергия фотонов также должна претерпевать гравитационный сдвиг из-за изменения гравитационных свойств пространства.Я объясняю это для того, чтобы вы поняли, что красное смещение может произойти по двум причинам.
Возьмем галактики, которые находятся как рядом с нами, так и очень далеко.
Возникает ли красное смещение из-за растяжения пространства (гравитационная причина) или из-за удаления галактик от нас? Оказывается, последнее утверждение верно.Поскольку существует ограничение максимальной скорости — скорости света, — то галактики, находящиеся на большом расстоянии от нас, не должны иметь такое же соотношение красного смещения к расстоянию, как предсказывает общая теория относительности.
На графике предсказание общей теории относительности показано черным цветом, а предсказание, которое не связывает красное смещение с пространством-временем (а просто умножает скорость света на прошедшее время), показано красным.
Это важный космологический тест: если длина волны света не растягивается при расширении Вселенной, то космическое микроволновое фоновое излучение невозможно объяснить, и вся теория Большого взрыва перестает работать.К счастью, общая теория относительности очень хорошо проходит этот тест, и длины волн, как и частоты, изменяются по мере расширения Вселенной.
Это измерялось разными способами, включая температуру различных эпох в истории Вселенной.
Именно поэтому во Вселенной, подчиняющейся законам общей теории относительности (а наша Вселенная именно такая), свет испытывает красное смещение при расширении Вселенной, или, другими словами, при изменении гравитационных свойств пространства.
-
Эскорт
19 Oct, 24 -
Мировой Финансовый Кризис И Рунет
19 Oct, 24
