Быстрее света

[m61]

Есть в космологии одна чрезвычайно распространенная ошибка, заключающаяся в чересчур прямолинейном ответе на вопрос о размере видимой части Вселенной (т.е. размере области, откуда за время существования Вселенной к нам успел бы дойти свет). Эти прямолинейные рассуждения выглядят примерно так: "возраст Вселенной составляет 13 с лишним миллиардов лет - следовательно, и размер (радиус) видимой части Вселенной тоже равен 13 с лишним миллиардам световых лет (скорость света умножить на время)".

Собственно, почему этот ответ неверен - догадаться довольно легко: он не учитывает того факта, что наша Вселенная расширяется. Так что за время путешествия света от какого-либо объекта - он, этот объект, удалится от нас еще дальше.

Но определенно более неожиданным является ответ на следующий за этим вопрос - а во сколько же тогда раз радиус видимой части Вселенной больше этого самого c*t (скорость света умножить на время)? Казалось бы - не больше, чем в два раза, ведь скорость удаления любого объекта не может превышать скорости света, как говорит нам теория относительности.

Этот ответ, однако, тоже является неверным. Даже на материально-доминированной стадии эволюции Вселенной (всего выделяют четыре основных стадии - инфляционная, радиационно-доминированная, материально-доминированная и современная стадия доминирования темной энергии, иногда называемая новым инфляционным периодом) - так вот, даже на материально-доминированной стадии, когда расширение Вселенной происходит с замедлением, радиус видимой Вселенной в целых три раза больше c*t (это легко показать с помощью очень простых расчетов).

А уж для текущей стадии доминирования темной энергии, когда Вселенная перешла на ускоренный режим расширения - соотношение между радиусом видимой Вселенной (порядка 45 миллиардов световых лет) и величиной c*t стало еще больше (и составляет три с лишним раза - точную величину несложно получить путем решения уравнений Фридмана для конкретной модели Вселенной), и с течением времени будет расти далее.

Но разве, таким образом, мы не получаем противоречия с теорией относительности - ведь это вроде бы означает, что далекие объекты удаляются от нас со скоростью, которая больше скорости света?

Ответ - нет, противоречия не получаем, хотя далекие объекты _и в самом деле_ удаляются от нас со скоростью, превышающей скорость света. Так, в модели Вселенной 30/70 (т.е. 30% ее полной плотности составляет вещество, включая темную материю, а остальные 70% - темная энергия в форме космологической постоянной) галактики, чье красное смещение больше примерно 1.5 - в настоящее время (именно в настоящее, не в тот момент, когда они излучали свет, который мы принимаем сейчас) удаляются от нас со скоростью, большей скорости света.

И потому* тот свет, который они излучают сейчас - мы уже не получим никогда, даже в бесконечном будущем. И, соответственно, наши сигналы, которые мы можем послать сейчас, или наши космические корабли, которые, быть может, мы когда-нибудь построим - их тоже уже не достигнут никогда. Как это иногда говорится - они вышли за наш горизонт событий.

Но противоречия с теорией относительности тут, еще раз повторю, нет ни малейшего. Потому что расширение Вселенной - это не разлет галактик и всего остального содержимого Вселенной _в_ пространстве. Нет, это "раздувание" самого пространства-времени.

Условно говоря: мы не можем двигать предметы по линейке со скоростью, большей скорости света - но тут у нас расширяется сама линейка.

Для тех, кто хочет глубже разобраться в этой теме (и узнать, что такое "космологический горизонт событий" - и чем он отличается от "горизонта частиц") - в Архиве есть отличная научно-популярная статья Tamara M. Davis и Charles H. Lineweaver. Испытывающим сложности с английским - рекомендую написанную на основе ее перевода статью Сергея Попова.

И еще одна рекомендация - великолепная научно-популярная лекция "Многоликая Вселенная" знаменитого Андрея Линде, несколько лет назад прочитанная им в ФИАНе. Если честно - толчком к написанию данной моей заметки послужила именно лекция Андрея, ибо в ней мне встретилась (в одной из начальных табличек) как раз та самая ошибка, которая здесь обсуждалась.

Но, разумеется, в тексте самой лекции Андрей дал все необходимые разъяснения. :)

-----

* Строго говоря - не совсем "потому", но разъяснение на эту тему я дам в одном из следующих постингов (или же его можно прочитать по приведенным мною ссылкам).

Comments

[exxellenz.livejournal.com]

Спасибо, это интереснее, чем политика :)

[tigerofsiberia.livejournal.com]

В общем, в практическом смысле она всё-таки бесконечная, хоть в математическом и не совсем.

[os80.livejournal.com]

>Собственно, почему этот ответ неверен - догадаться довольно легко: он не учитывает того факта, что наша Вселенная расширяется. Так что за время путешествия света от какого-либо объекта - он, этот объект, удалится от нас еще дальше.

Вот тут дыра в рассуждениях. Кто сказал, что скорость света постоянна? Ну и вообще, прежде чем обсуждать такие вещи, надо обсудить, что такое время и расстояние, как мы их меряем.

[alien3.livejournal.com]

Спасибо, чуть лучше понял ситуацию (хотя мозги всё равно скрипят). :-)

[(Anonymous)]

Спасибо!
Но, как я понимаю, если речь идёт только о "раздувании" пространства-времени, мы бы не заметили никакого расширения и не наблюдали бы никакого красного смещения. Ведь пропорционально расстояниям удлинялись бы и мы сами, и наши линейки, и длины волн. Очевидно, "раздувание" непропорционально?

[dims12.livejournal.com]

> Условно говоря: мы не можем двигать предметы по линейке со скоростью, большей скорости света - но тут у нас расширяется сама линейка.

Ну вообще-говоря, если бы мы создали линейку достаточной длины, например, соединив между собой цепочку космических кораблей, мы вполне себе зарегистрировали бы сверхсветовую скорость разбегания галактик. Принципиальных ограничений этому нет. То есть, при расширении Вселенной, линейка не расширяется.

[naxellent.livejournal.com]

*вопрос от блондинки*
значит ли это, что линейка расширяется за счет темной энергии?

[strange-cat.livejournal.com]

А нет ли какой-нибудь книги на русском о современной теории Вселенной? Откуда можно оптом узнать, что такое темная материя, темная энергия и прочие захватывающие вещи в виде полной картины?

[waspagv.livejournal.com]

Оптом можно узнать в университете, на астрономическом отделении. Лет за пять. :)
Что такое темная материя и темная энергия - никто не знает. Про темную материю, открытую давно, есть кое-какие гипотезы, а про темную энергию и таковых нет. Темнота пока.

Что же до книг... Из научной литературы есть "Космология" Стивена Вайнберга. Но ее без упомянутых 5 курсов университета трудно понять. Популярные же книги - как правило отвратительные переводы англоязычных, я их не читал. Могу посоветовать такое эмпирическое правило: взять в магазине книгу и посмотреть автора, переводчика и редактора. Если среди оных встретятся фамилии Сурдин В.Г., Попов С.Б., Прохоров М.Е., Засов А.В., можно считать это знаком качества.

Могу еще посоветовать "Первые три минуты" С. Вайнберга. Она популярная, но довольно старая - 80-х гг. прошлого века.

[waspagv.livejournal.com]

Нет. И как отмечено выше, расширение линейки - это поэтический образ, а не суть дела.

[strange-cat.livejournal.com]

Спасибо!

[m61.livejournal.com]

Рекомендации поддерживаю - и к ним могу присоединить, например, достаточно свежую книгу Владимира Решетникова "Почему небо темное. Как устроена Вселенная".

Ну, и некоторые базовые представления может, как мне кажется, дать и наша с Александром Громовым книжка "Вселенная: Полная биография" (в первом издании - "Вселенная: Вопросов больше, чем ответов").

[strange-cat.livejournal.com]

И вам спасибо!

[m61.livejournal.com]

На самом деле, вопрос не вполне однозначен. Во-первых, Вселенная расширяется за счет первоначального "толчка" - который, по современным представлениям, обеспечило инфляционное скалярное поле. И есть гипотезы, по которым темная энергия тоже представляет собой скалярное поле - только гораздо более низкого энергетического масштаба.

Во-вторых, нынешнюю фазу ускоренного расширения Вселенной "двигает" как раз темная энергия, какой бы природой она не обладала.

[waspagv.livejournal.com]

> Во-вторых, нынешнюю фазу ускоренного расширения Вселенной "двигает" как раз темная энергия, какой бы природой она не обладала.

Ну да. Но это - единственное, что о ней доподлинно известно. Собственно, сам термин есть просто синоним выражения "причина ускоренного расширения Вселенной".

[m61.livejournal.com]

"Раздувание" равномерно в пространстве (именно поэтому скорость удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию до них - что легко можно понять, представив себе Вселенную в виде раздувающегося воздушного шарика), но неравномерно по времени.

Но гравитационно-связанные системы (а также тела, связанные каким-либо иным образом) в расширении Вселенной не участвуют. Так что ни наши тела, ни наша Земля и наша Солнечная система, ни даже наша Галактика (и все прочие галактики в отдельности) - не расширяются, нет.

На эту тему есть замечательный диалог в фильме Вуди Алена "Энни Холл":

– Почему Вы не делаете вашу домашнюю работу?
– Какой смысл? Вселенная расширяется. Все развалится, и мы все умрем.
– Мы живем в Бруклине. Бруклин не расширяется! Идите делать вашу домашнюю работу.

:)

[m61.livejournal.com]

Да, это так. Гипотез много, фактов мало. Увы.

[m61.livejournal.com]

http://m61.livejournal.com/115665.html?thread=2042065#t2042065

[ez98.livejournal.com]

Прочтите сначала Рубин, С. Г. Устройство нашей Вселенной - 2-е изд., испр. и доп.
А про темную матарию энергию есть в А. Д. Чернин. Космология: Большой взрыв, но не показывайте эту книгу Сурдину В.Г., Попову С.Б., Прохорову М.Е., и Засову А.В. :))

[fuego-estelar.livejournal.com]

Вуди Ален - прелесть!:)
- Что такое imbecille?
- Ээээ... человек, обогнавший своё время. :)
(Римские приключения)

Правильно ли я Вас понял, что "раздувается" только пространство между галактиками, на расстояниях, на которых гравитационные взаимодействия достаточно малы, и ими можно пренебречь? Иными словами, воздушный шарик раздувается неравномерно, пятна на его поверхности [относительно] не растягиваются, а растягивается только поверхность между ними? И если так, то интересно, какова должна быть напряжённость грав. поля, чтобы эффект "раздувания" стал заметен?

[m61.livejournal.com]

Да, наглядно это действительно легче всего представить как раз в виде воздушного шарика, на который брызнули краской. Тогда, при раздувании шарика, расстояние между пятнами красками станет расти, а вот сами пятна увеличиваться в размере не будут.

Полностью "выключатся" из расширения Вселенной, как я уже сказал, гравитационно-связанные системы - т.е. системы, полная энергия которых (сумма положительной кинетической и отрицательной гравитационной) тоже будет отрицательной. Если это условие не выполняется - то система будет участвовать в расширении, но гравитационное взаимодействие окажет свое влияние на скорость расширения. Так, существуют так называемые "пекулярные скорости" галактик - скорости, обусловленные гравитационным взаимодействием, и на близких расстояниях они могут существенно искажать картину т.н. "хаббловского потока" (поля скоростей, обусловленного расширением Вселенной).

Насколько серьезно будет это влияние - навскидку можно оценить, сопоставив вторую космическую скорость на данном расстоянии от тяготеющего объекта (т.е. sqrt(GM/r)) и хаббловскую скорость (т.е. H*r).

[fuego-estelar.livejournal.com]

Спасибо за доходчивые пояснения!

[waspagv.livejournal.com]

Да, Решетникова забыл. А вот вашей даже не видел. Зайду завтра в "Читай-город", поищу.

[m61.livejournal.com]

Ну, наша книжка вряд ли будет интересна профессионалу. :) Там именно что - базовые представления (книжка посвящена широкому кругу астрономических тем, не только космологии, так что глубина изложения - соответствующая).

[waspagv.livejournal.com]

Основная моя деятельность сейчас далеко не научная. А побочная - занятия со школьниками. И тут главный вопрос: как преподнести им информацию, понятную при их уровне знаний. Поэтому я и читаю популярные книжки в поисках лучших способов.