Быстрее света - 2
Jun. 4th, 2014 11:08 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
m61В первой части я рассказал про одну чрезвычайно распространенную ошибку в космологии, касающуюся определения размеров видимой части Вселенной. И о связанном с этой проблемой удивительном, на первый взгляд, факте сверхсветовых скоростей далеких галактик.
Однако, к сожалению, в одном моменте я был несколько небрежен, что могло привести к не совсем правильному пониманию. И даже вызвало достаточно оживленную дискуссию.
Мною было сделано следующее утверждение:
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.
Из него (точнее, из примечания, которое я добавил в скобочках) - можно сделать два вывода, один правильный, который я и имел в виду, а вот другой - увы, совершенно неверный.
Правильный вывод: хотя в настоящее время эти галактики (чье красное смещение примерно равно 1.5) удаляются со сверхсветовой скоростью, в тот момент, когда они излучали свет, который мы принимаем сейчас - их скорость удаления была меньше световой. Это действительно так, потому что тут уже начинает сказываться действие темной энергии - и Вселенная, "притормозившая" было свое расширение на материально-доминированной стадии (в тот момент, когда эти галактики излучали свет), на стадии динамического доминирования темной энергии (наступившего на красном смещении порядка 0.7) снова начинает "разгоняться".
А вот если бы мы и сейчас жили на материально-доминированной стадии, то из скорости удаления, превышающей скорость света на момент приема сигнала - однозначно следовало бы превышение скорости света и в момент излучения.
Но мы живем в эпоху доминирования темной энергии - и потому, еще раз повторю, галактики, чья скорость удаления сейчас превышает скорость света - на момент излучения вполне могли удаляться со скоростью, которая была меньше световой. Однако счесть, что именно и только поэтому мы и можем сейчас принимать от них свет - будет выводом, наоборот, совершенно неверным. Ведь, на самом деле, мы сейчас принимаем свет и от галактик, которые находятся на красном смещении 2 и более (рекорд же составляет вообще порядка 10), а ведь эти галактики удалялись от нас со сверхсветовой скоростью и в тот момент, когда они этот свет излучали.
Собственно, я, пожалуй, не буду вдаваться в долгие объяснения, как такое вообще возможно - а лучше отошлю к одной забавной задачке, которую я уже здесь рассматривал: Ахиллес и черепаха: черепаха наносит ответный удар. Она во многом похожа на ситуацию с путешествием света по нашей расширяющейся Вселенной, и на это сходство я прямо указал, с разбором конкретных примеров, в постинге, посвященном решению этой задачки.
Так что во Вселенной, расширяющейся с замедлением (или даже равномерно по времени) никаких горизонтов событий не возникает, и рано или поздно мы получим информацию (или сами сможем долететь) до любой ее точки.
Поэтому ситуация, описанная в первой части:
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.
Возникает вовсе не из-за одного лишь только факта сверхсветовой скорости удаления, а - потому что наша Вселенная перешла на ускоренный режим расширения. Более того, можно сконструировать модель Вселенной, в которой мы не получим сигнала (и сами не сможем достичь) даже галактику, которая в момент излучения света (или в момент отлета нашего корабля) удаляется от нас с Досветовой скоростью.
Единственное замечание: чуть более тщательные расчеты (для быстрых прикидок, кстати, рекомендую online Definite integral calculator), чем те, которые я проделал на салфетке для первого постинга - показывают, что горизонт событий для модели Вселенной 30/70 в настоящий момент лежит чуть дальше, чем сфера Хаббла (на которой скорость удаления равна скорости света). Красное смещение для объектов на сфере Хаббла - как уже было сказано, составляет 1.5 (точнее - 1.46), а вот горизонт событий сейчас находится на красном смещении примерно равном 1.8.
Ну, а в наглядном виде соотношение между сферой Хаббла, горизонтом событий и горизонтом частиц (т.е. видимой частью Вселенной) - демонстрирует график из статьи Tamara M. Davis и Charles H. Lineweaver, на которую я дал ссылку в предыдущем постинге:
Расстояния на этом графике отображены в так называемых "сопутствующих координатах" - т.е. тех, которые "сопутствуют" расширению Вселенной, так что в данной системе координат галактики неподвижны (если не учитывать их собственные, так называемые "пекулярные" скорости, которые на больших расстояниях малы по сравнению со скоростями за счет расширения Вселенной), а их мировая линия является просто вертикальной чертой на этом графике, снизу вверх.
И данный график действительно вполне наглядно демонстрирует несколько достаточно прискорбных обстоятельств: во-первых, насколько уже сейчас размер горизонта событий меньше размера видимой Вселенной. А это значит, что очень многое из того, что мы сейчас наблюдаем - мы уже никогда не сможем посетить.
Болеее того, график показывает нам, что размер горизонта событий в сопутствующих координатах (и, соответственно, число галактик, в принципе доступных нам) - постепенно, но неуклонно сокращаются. И если мы и дальше будет откладывать космическую экспансию человечества - то нашим потомкам придется иметь дело с огромной, но, увы, почти совершенно пустой Вселенной.
Такие дела.
Однако, к сожалению, в одном моменте я был несколько небрежен, что могло привести к не совсем правильному пониманию. И даже вызвало достаточно оживленную дискуссию.
Мною было сделано следующее утверждение:
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.
Из него (точнее, из примечания, которое я добавил в скобочках) - можно сделать два вывода, один правильный, который я и имел в виду, а вот другой - увы, совершенно неверный.
Правильный вывод: хотя в настоящее время эти галактики (чье красное смещение примерно равно 1.5) удаляются со сверхсветовой скоростью, в тот момент, когда они излучали свет, который мы принимаем сейчас - их скорость удаления была меньше световой. Это действительно так, потому что тут уже начинает сказываться действие темной энергии - и Вселенная, "притормозившая" было свое расширение на материально-доминированной стадии (в тот момент, когда эти галактики излучали свет), на стадии динамического доминирования темной энергии (наступившего на красном смещении порядка 0.7) снова начинает "разгоняться".
А вот если бы мы и сейчас жили на материально-доминированной стадии, то из скорости удаления, превышающей скорость света на момент приема сигнала - однозначно следовало бы превышение скорости света и в момент излучения.
Но мы живем в эпоху доминирования темной энергии - и потому, еще раз повторю, галактики, чья скорость удаления сейчас превышает скорость света - на момент излучения вполне могли удаляться со скоростью, которая была меньше световой. Однако счесть, что именно и только поэтому мы и можем сейчас принимать от них свет - будет выводом, наоборот, совершенно неверным. Ведь, на самом деле, мы сейчас принимаем свет и от галактик, которые находятся на красном смещении 2 и более (рекорд же составляет вообще порядка 10), а ведь эти галактики удалялись от нас со сверхсветовой скоростью и в тот момент, когда они этот свет излучали.
Собственно, я, пожалуй, не буду вдаваться в долгие объяснения, как такое вообще возможно - а лучше отошлю к одной забавной задачке, которую я уже здесь рассматривал: Ахиллес и черепаха: черепаха наносит ответный удар. Она во многом похожа на ситуацию с путешествием света по нашей расширяющейся Вселенной, и на это сходство я прямо указал, с разбором конкретных примеров, в постинге, посвященном решению этой задачки.
Так что во Вселенной, расширяющейся с замедлением (или даже равномерно по времени) никаких горизонтов событий не возникает, и рано или поздно мы получим информацию (или сами сможем долететь) до любой ее точки.
Поэтому ситуация, описанная в первой части:
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.
Возникает вовсе не из-за одного лишь только факта сверхсветовой скорости удаления, а - потому что наша Вселенная перешла на ускоренный режим расширения. Более того, можно сконструировать модель Вселенной, в которой мы не получим сигнала (и сами не сможем достичь) даже галактику, которая в момент излучения света (или в момент отлета нашего корабля) удаляется от нас с Досветовой скоростью.
Единственное замечание: чуть более тщательные расчеты (для быстрых прикидок, кстати, рекомендую online Definite integral calculator), чем те, которые я проделал на салфетке для первого постинга - показывают, что горизонт событий для модели Вселенной 30/70 в настоящий момент лежит чуть дальше, чем сфера Хаббла (на которой скорость удаления равна скорости света). Красное смещение для объектов на сфере Хаббла - как уже было сказано, составляет 1.5 (точнее - 1.46), а вот горизонт событий сейчас находится на красном смещении примерно равном 1.8.
Ну, а в наглядном виде соотношение между сферой Хаббла, горизонтом событий и горизонтом частиц (т.е. видимой частью Вселенной) - демонстрирует график из статьи Tamara M. Davis и Charles H. Lineweaver, на которую я дал ссылку в предыдущем постинге:
Расстояния на этом графике отображены в так называемых "сопутствующих координатах" - т.е. тех, которые "сопутствуют" расширению Вселенной, так что в данной системе координат галактики неподвижны (если не учитывать их собственные, так называемые "пекулярные" скорости, которые на больших расстояниях малы по сравнению со скоростями за счет расширения Вселенной), а их мировая линия является просто вертикальной чертой на этом графике, снизу вверх.
И данный график действительно вполне наглядно демонстрирует несколько достаточно прискорбных обстоятельств: во-первых, насколько уже сейчас размер горизонта событий меньше размера видимой Вселенной. А это значит, что очень многое из того, что мы сейчас наблюдаем - мы уже никогда не сможем посетить.
Болеее того, график показывает нам, что размер горизонта событий в сопутствующих координатах (и, соответственно, число галактик, в принципе доступных нам) - постепенно, но неуклонно сокращаются. И если мы и дальше будет откладывать космическую экспансию человечества - то нашим потомкам придется иметь дело с огромной, но, увы, почти совершенно пустой Вселенной.
Такие дела.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
(no subject)
Date: 2014-06-08 01:29 pm (UTC)Проглядывая текст, вдруг явно представил себе как должен будет выглядеть звездолет будущего. Ничего общего с шаттлами "Звездных войн", "Пандорума" и т.п., естественно.
Это должен быть пористый блин в десятки (или даже сотни) километров в поперечнике: эдакая помесь гигантского экрана для сбора водорода из межзвездного газа и большого адронного коллайдера. Встречные атомы и нуклоны, а таже релятивистские электроны такой летящий блин собирал бы в кольцо ускорителя (ядра при этом предварительно ионизировав) и тормозил (для нужд термоядерного реактора) либо еще больше ускорял (значительный пучок разогнанных адронов на выходе из коллайдера тоже дал бы какой-то вклад в ускорение всего корабля) , тем самым предотвращая их разрушительное воздействие. Даже межзвездную пыль можно т.о. нейтрализовать и использовать, а вот как быть с гаммой? Не найдя технологии создания искусственных гравитационных полей и не отклоняя быстрые кванты света (в дырки блина )) от корабля, вся затея становится бессмысленной.
Одно только становится ясно - звездный корабль будущего должен быть ускорителем. При это чем большей становится его кинетическая энергия, тем больше ядерного топлива он может собрать и тем с большей энергией попададают частицы в ускоритель.
В НФ идею частично похожего звездолета описал Лем в "Фиаско", но его махина в миллиард тонн, работавшая на межзвездном водороде, совершенно нереалистична, поскольку, во-первых, не вписывается ни в какие уравнения удельной мощности ракеты, а во-вторых, не содержит проработанной второй составляющей конструкта - корабля-ускорителя.
Словом, немного фантастики не повредит чистой астрономии, верно? )))