При расширении Вселенной излучение растягивается, и длины волн увеличиваются – но что происходит с материей?
Медленно растущее дерево приносит лучшие плоды
— Мольер
Сегодня конец недели, и поэтому мы, просмотрев ваши вопросы, выбрали один, который получит ответ в нашей колонке. Спрашивает Андрей Новак:
Теория Большого взрыва утверждает, что при расширении пространства-времени свет смещается в область увеличения длин волн. А влияет ли это расширение на частицы материи? Ведь их размер конечен.
Удивительный вопрос, если задуматься.
С одной стороны, удивительная история, начавшаяся в нашей Вселенной около 13,8 миллиардов лет назад, продолжает развиваться. Вся материя во Вселенной, во всех её формах, была в горячем и плотном состоянии, и расширялась. Она расширялась не так, как это происходит у фрагментов взрыва, но как тесто, подходящее в печи.
Если вы представите все частички материи в виде атомов хлеба, вы начнёте понимать, как работает расширение Вселенной.
С точки зрения каждого из атомов все другие атомы убегают от него, а те, что изначально находились дальше, убегают быстрее тех, что были ближе. Это происходит не оттого, что атомы двигаются, или удалённые атомы двигаются быстрее соседних – а оттого, что расширяется само пространство, где они живут.
А если расширяется пространство, то Вселенная проделывает удивительную штуку надо всем, что находится в ней.
Она всё охлаждает! Легко понять, почему это работает для излучения. У него есть определённая длина волны, и эта длина определяет его энергию.
Что же происходит при увеличении расстояний во Вселенной? Волны растягиваются, и энергии падают. Именно это позволило сформироваться атомам в море ионизированной плазмы: спонтанно образовывавшиеся электроны и ядра разбивались фотонами, но по мере охлаждения Вселенной, энергия фотонов уменьшалась, и её перестало хватать.
В результате у нас появились нейтральные атомы, а через 10-100 миллионов лет после этого они сколлапсировали в звёзды и галактики. По мере расширения Вселенной излучение охлаждается, так как волны растягиваются. Мы уже подробно объясняли этот эффект.
А что же насчёт материи? Ведь и материя сначала двигалась очень быстро, и её тоже что-то должно было охладить – или она не смогла бы сколлапсировать в звёзды и галактики. Помните – чтобы молекулярное облако скомковалось и сформировало звёзды, газ должен быть холодным. Иначе ничего не получится.
Да и вообще, чтобы галактика сформировалась, и материя оставалась гравитационно связанной в виде спиральной или эллиптической структуры, скорость частиц должна быть ниже скорости убегания для этой галактики. Для большинства галактик эта скорость составляет всего несколько сотен километров в секунду. И хотя это довольно быстро, вспомните, что изначально большинство атомов двигалось со скоростями в сотни тысяч километров в секунду!
И всё-таки сегодня во Вселенной хватает звёзд и галактик.
Так что же случилось с материей? Задумайтесь не только о том, как в расширяющейся Вселенной ведут себя волны, но также и о том, что это значит для частиц, движущихся с определёнными скоростями. Скорость – это расстояние, которое частица проходит за заданное время, точно так же, как длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями волны. Скорость частицы играет ту же роль, что длина волны у излучения: это мера кинетической энергии, присущей системе.
Излучение более высоких энергий (с меньшими длинами волн) ведёт себя больше похоже на гамма-лучи, и меньше – на радиоволны, а у частиц с большими скоростями и энергия тоже больше. Именно поэтому у более горячих частиц – с большей температурой – и скорости выше, поэтому в правильных условиях они и физической работы могут произвести больше.
При расширении Вселенной и увеличении расстояний между объектами увеличиваются не только длины волн, и падает не только энергия излучения. Скорости тоже падают – а значит, падает и энергия частиц! Подумайте сами: допустим, Вы двигаетесь со скоростью 100 км/с относительно некоей точки, а Вселенная расширяется со скоростью 10 км/с на килопарсек (скорость расширения исчисляется в скорости на единицу расстояни). Это в 1000 раз быстрее сегодняшнего расширения, но это хороший пример скоростей, бывших в прошлом. А килопарсек – это расстояние чуть больше 3000 световых лет.
Что случится, если вы будете путешествовать десять миллионов лет – время, требуемое телу, двигающемуся со скоростью 100 км/с на преодоление одного килопарсека?
Вы всё ещё двигаетесь со скоростью в 100 км/с относительно своего изначального положения, но оно находится уже в килопарсеке от вас. Оно удаляется от вас со скоростью в 100 км/с, но часть этой скорости – 10 км/с – относится на счёт расширения Вселенной. Поэтому, ваша скорость относительно расширяющейся Вселенной замедлилась, и теперь вы двигаетесь только со скоростью 90 км/с. А по мере расширения Вселенной ваша скорость продолжает падать.
Поэтому, в расширяющейся Вселенной излучение теряет энергию из-за красного смещения, но материя также теряет кинетическую энергию из-за расширения Вселенной!
Что ещё интереснее, так это возможность трактовать всё, что движется с околосветовой скоростью, как излучение. А всё, что движется сильно медленнее – как материю. Поэтому изначально даже частицы и протоны вели себя как излучение, а позже (сейчас, например) даже нейтрино начинают вести себя, как материя. Существуют модели, присваивающие небольшие, но ненулевые, массы покоя частицам вроде фотона и гравитона. Если Вселенная будет и дальше расширяться и охлаждаться, и эти частицы действительно обнаружат свою массу, они начнут вести себя, как материя, и охлаждаться, и – если тёмная энергия не раскидает всю материю друг от друга – они тоже начнут кучковаться!
Поэтому, Андрей, на частицы материи тоже влияет расширение Вселенной: они охлаждаются и теряют энергию. Для частиц, не двигающихся с релятивистскими скоростями, энергия пропорциональна квадрату скорости, поэтому, когда из-за расширения Вселенной энергия частицы уменьшается в два раза, её скорость уменьшается на 29% (в 1/v2). Протоны и нейтроны перестают быть релятивистскими, и начинают вести себя, как материя, когда Вселенной исполняется микросекунда; электроны – в возрасте секунды; нейтрино – десятки тысяч лет; фотоны и гравитоны, если у них действительно есть масса, будут вести себя не раньше, чем Вселенной будет квинтиллион лет!
Для формирования наблюдаемых нами сегодня молекул, звёзд, галактик и планет, потребовалось не только, чтобы излучение потеряло энергию, но и чтобы упала кинетическая энергия отдельных частиц. Нам очень повезло, что расширение Вселенной работает именно так – ведь из-за него получилась та Вселенная, что мы сейчас наблюдаем!
Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Комментарии (40)
potan
26.06.2016 23:14А что происходит с потенциальной энергией? Если у нас есть нить из очень прочного вещества длинной в сотни парсеков, будет ли расширение вселенной ее натягивать? Можно ли потенциальную энергию натяжения потом перевести в форму, пригодную для практического использования?
CrashLogger
27.06.2016 08:41Если прикрепить к концам этой нити грузы и разместить их около разбегающихся галактик — то будет.
deviant_9
28.06.2016 14:34Расширение Вселенной описывает то, как движутся тела в данный момент, а не какие силы на них действуют. Кроме того, оно зависит от выбора системы координат в пространстве-времени. Когда говорят про расширение Вселенной, подразумевается фридмановская система координат, в которой пространство однородно и изотропно; но, по-крайней мере, локально всегда можно (и имеет смысл) выбрать систему координат, в которой пространство не расширяется.
Если концы нити (с грузами, как предложил предыдущий комментатор) в начальный момент времени удалялись друг от друга, нить, очевидно, в начальные моменты времени будет растягиваться. Если приближались друг к другу — будет сжиматься. Если пространство искривлено (что, как и факт удаления/приближения, зависит в том числе от выбора системы координат), это внесёт некоторые поправки, но в целом идея та же.
Расширение Вселенной здесь по большому счёту не при чём, всё зависит от начальных скоростей грузов. Расширение Вселенной (в рамках некоторой системы координат) просто означает, что грузы, которые в начальный момент времени «покоились» (в рамках этой же системы координат), поначалу будут растягивать нить. Грузы же, движущиеся достаточно быстро по направлению друг к другу, нить не растягивают, так как их «собственные» (пекулярные) скорости уравновешивают расширение пространства между ними. Но можно выбрать систему координат, в которой пространство (по-крайней мере, его область, содержащая нить) не расширяется — первая ситуация в ней опишется как движение грузов в разные стороны (нить растягивается), вторая — как покой грузов (нить не растягивается).
Грузы, размещённые рядом с разбегающимися галактиками, могут быть захвачены их гравитационными полями и тогда, конечно, они будут разбегаться вместе с галактиками и растягивать нить. Но, опять же, в целом не имеет значения, увеличивается расстояние между галактиками за счёт расширения пространства или за счёт (пекулярных) скоростей самих галактик. Просто на больших расстояниях вклад пекулярных скоростей галактик в скорость изменения расстояния между ними невелик по сравнению с вкладом от расширения пространства.
На динамику растяжения нити будет влиять гравитация любой материи, находящейся на расстояниях порядка длины нити от грузов. В частности, если грузы поместить вдали от скоплений галактик или просто развести очень далеко, растяжение нити будет ускоренным (или её сжатие — замедленным), так как находящаяся между грузами тёмная энергия будет гравитационно отталкивать их.
Banzeg
27.06.2016 01:09+1Нам очень повезло, что расширение Вселенной работает именно так – ведь из-за него получилась та Вселенная, что мы сейчас наблюдаем!
Я, может быть, хотел бы наблюдать другую Вселенную, а вынужден наблюдать Вселенную, возможно, самую некрасивую и скучную из всех возможных.
PretorDH
27.06.2016 03:02Чем больше рассказывает Итан. Тем больше подтасованых фактов. Выглядит так, что в конце концов он сам окончательно запутается.
Например: если пространство расширяется — оно расширяется раномерно. Значит ли это, что расширяются и растояния планковской длинны также как и растояния вселенских масштабов.
Если ответ ДА: то получается, что ничего не поменялось. Ведь для того чтобы померять длинну волны излучения мы используем антену. А она пропорционально увеличилась относительно длинны волны излучения. И показывает такие же результаты взаимодействия как и до увеличения.
Если ответ НЕТ: то получается, что расширение не равномерно. Материя уплотняется на планковских маштабах относительно вселенских. А свет который мы меряем уплотненной антенной вызовет красное смещение, в результатах измерения (что подтверждается данными). Но значит ли это, что вселенная увеличичлась? Ведь наблюдаемая часть вселенной в относительности к общей вселенной близка к нулю. А так как малые величины у нас не подвержены расширению относительно вселенских масштабов — получается, что видимая вселенная не расширяется. А свет меняет свою характеристику частоту, по другой причине.
SquareIronBox
27.06.2016 07:17Антенна измерит длину волны излучения, которое было испущено давным-давно. То есть с момента времени, когда фотон был испущен, пространство успело измениться, а фотон остался прежним. Вот это относительное изменение и регистрируется как красное смещение.
nvksv
27.06.2016 07:23Когда я бросаю мячик, расстояние между нами расширяется равномерно. А вот расстояния планковской длины во мне и в мячике не расширяются вообще.
Насколько я вообще понимаю, Вселенная расширяется по двум причинам. Во-первых, движение по инерции: при Большом Взрыве вся материя приобрела равномерный импульс «наружу» (согласен, с учетом потенциальной безграничности Вселенной это звучит очень провокационно, но вы меня поняли), примерно как во Фридмановской модели, и до сих пор это движение замедляется гравитацией (и скорее всего, не будь прочего, оно остановилось бы на бесконечности — метрика плоская, средняя плотность равна критической и т.д.). Во-вторых, темная энергия со свойствами антигравитации: на два тела действует дополнительная сила, пропорциональная (ЕМНИП) расстоянию (и произведению масс, конечно) — т.е. близкие объекты ее почти не будут ощущать (гравитация будет преобладать), а вот галактики друг от друга будет растаскивать куда сильнее, чем гравитация может связать на таких расстояниях (преобладание темной энергии). Суммарно же картина выходит вполне обычная: внутри галактик работает обычная гравитация, никаких прочих сил не заметно, а вот сами галактики разбегаются по закону Хаббла.
Темная энергия с такими свойствами эквивалентна расширению Вселенной, про которое говорит Итан. Потеря энергии частицами и фотонами из-за расширения — это просто допплеровский сдвиг: когда частица/фотон достигают своей цели, цель к тому моменту уже приобретает добавочную скорость, направленную от источника (и пропорциональную расстоянию до него), а потому относительная скорость (частота для фотонов) получается меньшей. Куда девалась энергия, если сравнивать системы источника и цели? Была забрана расширением (красным смещением, темной энергией и т.д.) — в итоге получается все именно так, как Итан говорит. Точнее говоря, это просто разные формулировки одного и того же.
don_ikar
27.06.2016 13:31т.е. близкие объекты ее почти не будут ощущать (гравитация будет преобладать), а вот галактики друг от друга будет растаскивать куда сильнее, чем гравитация может связать на таких расстояниях (преобладание темной энергии)
Маленькое уточнение: «растаскиваются» скопления галактик, внутри же скоплений гравитция, всё-таки, преобладает.
[зануда_mode_off]
HappyLynx
27.06.2016 09:46> Что случится, если вы будете путешествовать десять миллионов лет – время, требуемое телу, двигающемуся со скоростью 100 км/с на преодоление одного килопарсека?
> Вы всё ещё двигаетесь со скоростью в 100 км/с относительно своего изначального положения, но оно находится уже в килопарсеке от вас. Оно удаляется от вас со скоростью в 100 км/с, но часть этой скорости – 10 км/с – относится на счёт расширения Вселенной. Поэтому, ваша скорость относительно расширяющейся Вселенной замедлилась, и теперь вы двигаетесь только со скоростью 90 км/с. А по мере расширения Вселенной ваша скорость продолжает падать.
А почему не 110 км/с?
И если все действительно так, как указано в этой цитате, то каким образом радиус Вселенной может быть больше 13.8*10^9 световых лет (а он таки 46,5 световых лет)?
Я всегда думал, что расширение пространства добавляет расстояние между точками пространства, не влияя на скорости тел и волн в самом пространстве, откуда, собственно, элегантным образом получается красное смещение, вызванное расширением. Я был не прав?nvksv
27.06.2016 10:20А почему не 110 км/с?
Потому что все время вашего полета до цели вы были ближе к источнику, чем эта самая цель. А потому расширение Вселенной сообщило цели большую добавочную скорость (которая пропорциональна расстоянию), чем вам — или что то же самое, ваша скорость относительно цели упала. Т.е. вылетев со 100 км/с, до цели вы доберетесь только на 90 км/с.И если все действительно так, как указано в этой цитате, то каким образом радиус Вселенной может быть больше 13.8*10^9 световых лет (а он таки 46,5 световых лет)?
Итан про это уже писал: Спросите Итана №12: расстояния во Вселенной.
Я всегда думал, что расширение пространства добавляет расстояние между точками пространства, не влияя на скорости тел и волн в самом пространстве, откуда, собственно, элегантным образом получается красное смещение, вызванное расширением. Я был не прав?
Выше про это уже задумывались: если расстояние между галактиками растет, то почему остается неизменным расстояние между атомами? Один вариант ответа я привел — во всем виновата дополнительная сила, играющая роль только на межгалактических масштабах.HappyLynx
27.06.2016 10:37> Потому что все время вашего полета до цели вы были ближе к источнику, чем эта самая цель.
Так в статье же рассматривается скорость не относительно цели, к которой ты летишь (хотя и в таком случае, разница была бы не 10 км/с, а 5), а скорость относительно точки старта, и она таки должна составить 110 км/с после удаления на килопарсек.
> Выше про это уже задумывались: если расстояние между галактиками растет, то почему остается неизменным расстояние между атомами?
Потому что изменение метрики пространства не приводит к изменению масштабов фундаментальных взаимодействий. На масштабах галактик гравитация между ними просто не успевает за расширением пространства, поэтому они и разлетаются, а вот на масштабах атомов все совсем иначе, т.е. на них расширение тоже действует, пытаясь растащить, но это воздействие слишком мало. Хотя это необязательно будет верно всегда (см. Большой Разрыв)nvksv
27.06.2016 12:59Так в статье же рассматривается скорость не относительно цели, к которой ты летишь (хотя и в таком случае, разница была бы не 10 км/с, а 5), а скорость относительно точки старта, и она таки должна составить 110 км/с после удаления на килопарсек.
В статье используется очень интересная формулировка «ваша скорость относительно расширяющейся Вселенной» — какой у нее смысл, лично я не очень понимаю. Может быть, имеется в виду скорость относительно центра масс всего вещества в данном участке Вселенной (в предположении о равномерном и изотропном заполнении Вселенной веществом)? Или что-то иное? Должны ли быть точки А и Б изначально неподвижны друг относительно друга? Или каждая должна изначально иметь собственную нулевую скорость «относительно расширяющейся Вселенной»? В какой системе должна измеряться ваша скорость?
Поэтому я уточню: имеется две галактики, разлетающиеся из-за расширения Вселенной — точнее, которые мы признаем таковыми. Корабль, вылетевший из галактики А на 100 км/с, прилетит в галактику Б с несколько меньшей скоростью. И чем дальше эти галактики были между собой изначально, тем больше будет потеря скорости.Потому что изменение метрики пространства не приводит к изменению масштабов фундаментальных взаимодействий. На масштабах галактик гравитация между ними просто не успевает за расширением пространства, поэтому они и разлетаются, а вот на масштабах атомов все совсем иначе, т.е. на них расширение тоже действует, пытаясь растащить, но это воздействие слишком мало. Хотя это необязательно будет верно всегда (см. Большой Разрыв)
А вот это уже тянет на Нобелевку по физике. Вы сумели разгадать загадку темной энергии и примирить ОТО и квантовую механику. Поздравляю!HappyLynx
27.06.2016 13:54> А вот это уже тянет на Нобелевку по физике. Вы сумели разгадать загадку темной энергии и примирить ОТО и квантовую механику. Поздравляю!
Во-первых, я нигде ничего не «мирил».
Во-вторых, если бы взаимодействия масштабировались синхронно с расширением пространства, то мы бы принципиально не могли обнаружить это расширение, оно бы было вынесено за скобки, так сказать.
В-третьих, если с гравитацией можно еще что-то выдумывать и строить разной степени фантастичности гипотезы, то отсутствие масштабирования остальных трех взаимодействий следует из отсутствия такового для электромагнитных волн в том смысле, в котором вам бы хотелось (в смысле скорости распространения и масштабирования энергии). И присутствием только увеличения её длины/падения энергии, пропорционально скорости расширения пространства, что как раз свидетельствует о независимости от.
Вы пытаетесь высосать «сложный» вопрос из пальца.nvksv
27.06.2016 19:35Во-вторых, если бы взаимодействия масштабировались синхронно с расширением пространства, то мы бы принципиально не могли обнаружить это расширение, оно бы было вынесено за скобки, так сказать.
Боюсь, Вы немножко неверно понимаете термин «расширение Вселенной» (ну, или я все-таки не понимаю Ваши слова). Никто не говорит про «масштабирование», типа взяли и все масштабы увеличили в 2 раза. Все проще: вчера вон та галактика была от нас на расстоянии 10 млн. св. лет, а сегодня померили — уже 11. Да и допплеровский сдвиг имеется. Просто она движется от нас. Как и все остальные галактики, кроме местного гравитационно-связанного скопления. Причем скорость убегания прямо пропорциональна расстоянию. Если исключить антропоцентризм, остается только один вариант: все галактики убегают друг от друга, а центра расширения нет, в каждой точке видна та же самая картина.
В-третьих, если с гравитацией можно еще что-то выдумывать и строить разной степени фантастичности гипотезы, то отсутствие масштабирования остальных трех взаимодействий следует из отсутствия такового для электромагнитных волн в том смысле, в котором вам бы хотелось (в смысле скорости распространения и масштабирования энергии). И присутствием только увеличения её длины/падения энергии, пропорционально скорости расширения пространства, что как раз свидетельствует о независимости от.
Никто никого не масштабирует, все законы физики соблюдаются, ничего нового выдумывать не надо. Эталон метра, хранящийся в Париже, до сих пор имеет точную длину 1 метр — хотя «пространство расширяется» и галактики становятся дальше от нас с каждым днем. Просто все эти галактики вокруг нас имеют такие вот интересные импульсы движения, оставшиеся после Большого Взрыва и только слегка подкорректированные темной энергией. Когда из аэропорта в разные стороны вылетают самолеты, никто же не удивляется увеличению расстояний между ними и сохранению расстояний внутри них?Потому что изменение метрики пространства не приводит к изменению масштабов фундаментальных взаимодействий.
Под словами "изменение масштабов фундаментальных взаимодействий" Вы, видимо, понимаете изменение значений физических констант, размерных либо безразмерных. Да, при «расширении Вселенной» они не меняются. А вот причем тут метрика пространства, которая согласно ОТО зависит только от присутствующей в нем массы-энергии, мне не понятно.На масштабах галактик гравитация между ними просто не успевает за расширением пространства, поэтому они и разлетаются
Связь скорости «расширения пространства» и скорости гравитации, не успевающей за ним — это очень интересная тема, которая легко может принести Нобелевку. Я вполне серьезно. Последний принципиальный прорыв в этой области сделал Эйнштейн, все остальные до сих пор курят ОТО и пытаются придумать что-то еще. Пока не получается. Сумеете построить внятную непротиворечивую теорию, дающую подтверждаемые предсказания чего-то нового — вэлком ту Стокгольм.а вот на масштабах атомов все совсем иначе, т.е. на них расширение тоже действует, пытаясь растащить, но это воздействие слишком мало
Квантовая теория пока что работает только в плоском релятивистском пространстве-времени. С искривленной метрикой ОТО она не дружит от слова никак. Еще одна тема для Нобелевки.DancingOnWater
28.06.2016 12:31>>Никто не говорит про «масштабирование», типа взяли и все масштабы увеличили в 2 раза.
Прошу простить, но в FWT — метрике перед пространственными координатами стоит именно масштабный коэффициент. Идет именно масштабирование.
deviant_9
28.06.2016 15:50> В статье используется очень интересная формулировка «ваша скорость относительно расширяющейся Вселенной» — какой у нее смысл, лично я не очень понимаю.
Есть фридмановская система координат (по сути — система отсчёта). В ней пространство однородно и изотропно и при этом расширяется. «Скорость относительно расширяющейся Вселенной» — это просто скорость в рамках этой СК. Закон Хаббла выполняется для тел, у которых она равна нулю (расстояние между ними увеличивается исключительно за счёт расширения пространства).
А и Б имеют нулевые скорости в рамках этой СК (друг от друга они удаляется по закону Хаббла из-за расширения пространства).
Ваша скорость тоже измеряется в рамках этой СК. И она по мере вашего передвижения уменьшается. Итан пытается объяснить, почему это происходит. По-хорошему для этого объяснения надо локально (но с покрытием точек А и Б) выбрать другую СК, в которой не пространство между А и Б расширяется, а сами А и Б движутся.
А ещё для начала забить на ОТО и рассмотреть ньютоновскую модель — всё равно ведь речь идёт лишь о качественном понимании. Об этом я довольно подробно писал в этой ветке комментариев к одному из предыдущих выпусков:
https://geektimes.ru/post/277454/#comment_9385174
deviant_9
28.06.2016 15:29> Я всегда думал, что расширение пространства добавляет расстояние между точками пространства, не влияя на скорости тел и волн
Влияние есть: импульсы всех «свободно падающих» тел уменьшаются в (1+z) раз (во сколько раз увеличился масштабный фактор). Для фотонов это означает пропорциональное уменьшение энергии, для нерелятивистских (v<<c) частиц — пропорциональное уменьшение скорости.
Любые частицы являются волнами де Бройля, импульс обратно пропорционален длине волны. Расширение пространства пропорционально увеличивает длины волн и, как следствие, обратно пропорционально уменьшает импульсы.
Если не прибегать к волновым свойствам, частицы замедляются потому, что в разных точках расширяющегося пространства временные координатные линии направлены по-разному. Частица перемещается в пространстве, не меняя своей 4-скорости, но угол, образуемый 4-скоростью с временной координатной линией (известный в теории относительности как «параметр быстроты»), уменьшается, так как частица всё время переходит от одной временной координатной линии к другой.
AndreySu
27.06.2016 10:13+1А у Итана имеются еще какие то изображения или во всех статьях так и будут одни и те же?
nathanael
28.06.2016 12:46Вообще всё выглядит так будто у пространства есть какое не открытое свойство, благодаря которому «бесконечная» вселенная на всём своём протяжении растёт во все стороны.
deviant_9
28.06.2016 14:54Это вообще свойство любого бесконечного множества — возможность построить взаимнооднозначное соответствие между ним и некоторым его собственным подмножеством.
Расширение пространства в k раз просто означает, что расстояние между любыми двумя его точками увеличивается в k раз, ну или, нагляднее — каждая точка удаляется от «наблюдателя» (произвольно выбранной точки) в k раз. Хоть само пространство и бесконечное, все его точки находятся на конечных расстояниях от наблюдателя, и после умножения этих расстояний в k раз всё равно остаются конечными. Им некуда «упереться», так что расширению ничего не мешает. Для евклидового (плоского) пространства это просто означает некоторую «перегруппировку» точек.
Можно представить иначе: пространство не расширяется, а «уплотняется» (тем же разностям координат соответствуют пропорционально большие расстояния).
nizzkos
28.06.2016 12:46Не менее интересно было бы узнать что происходит при этом расширении внутри атома. Ведь если расширяется всё пространство, то не только атомы удаляются друг от друга, но и меж атомные расстояния становятся больше. Возможно ли достижение таких расстояний, когда ядерные силы не смогут их уже удерживать вместе?
deviant_9
28.06.2016 15:02Локально всегда можно выбрать систему координат с нерасширяющимся пространством (где разлёт тел обусловлен исключительно их собственными скоростями). Так что на связанных системах расширение пространства никак не отражается. Можете считать, что электроны просто имеют некоторую скорость по направлению к ядрам, как раз уравновешивающую расширение пространства.
Другое дело, что если тёмная энергия является фантомной энергией (то есть если её отрицательное давление по модулю превышает её плотность энергии), то, действительно, рано или поздно будет разорвано всё, вплоть до атомов, ядер и нуклонов. Но это связано с ускорением расширения, а не с самим расширением. Атомы будут разорваны за счёт антигравитационного влияния находящейся внутри них фантомной энергии, когда её плотность станет слишком большой.
kauri_39
28.06.2016 23:04«Что же происходит при увеличении расстояний во Вселенной? Волны растягиваются, и энергии падают. „
Не заметил, что бы автор показывал разные следствия общей причины расширения Вселенной. Есть понятие космологической постоянной — постоянство плотности энергии вакуума (эфира) в ходе увеличения его объёма — расширения. Можно объяснять это постоянство тёмной энергией. А можно — повсеместным уплотнением эфира и его свободным расширением во внешнем пространстве.
По этой причине расстояния в пространстве увеличиваются — на таких дистанциях, где силы гравитации убывают быстрее, чем растёт антигравитационная сила расширяющейся космической среды. Но по этой же причине фотоны не могут снижать свою энергию (частоту). Ведь их окружает всё тот же энергетически плотный вакуум (эфир). А между частотой фотона и плотностью среды — прямая связь.
Почему же частота реликтовых фотонов упала до микроволн? По той же причине, почему падает частота фотонов, идущих от далёких галактик. Все они идут к наблюдателю во встречном потоке расширяющегося эфира. Встречное движение носителя волны увеличивает его длину. Фотоны РИ летели к нам дольше — от сферы их последнего рассеяния, которая давно уже за горизонтом событий. А галактики, даже самые дальние, намного ближе к нам, поэтому у их фотонов частота снизилась меньше.
sim31r
А как насчет охлаждения реликтового излучения методом переизлучения? В первоначальный момент, вселенная была плотной и не прозрачной из-за ионизации, и должна была поглощать фотоны, с последующим их излучением в виде теплового излучения. Постепенно, часть реликтового излучения должна была быть поглощенной материей и потерять часть энергии. Типа был поглощен один гамма квант, а потом излучено нагретой материей 1000 инфракрасных квантов.
maxzhurkin
А в чём суть вопроса?
nvksv
Реликтовое излучение — это отнюдь не космический раритет, фотонов там несколько больше, чем один-два на кубический парсек. Плотность фотонов там, вообще-то, в миллиард раз больше, чем плотность атомов во Вселенной. И пребывают они, фотоны реликтового излучения и атомы, в состоянии теплового равновесия: сколько поглощено, столько и излучено.
Соответственно, вышеописанный гамма-квант (да и любой другой квант, хоть рентген, хоть световой, хоть радио), разменяться на 1000 инфракрасных особого шанса не имел: подобный размен мог произойти только на холодных атомах (какова температура атома, такова температура теплового излучения), а реликтовое излучение подогревает всю материю до своей температуры. Горячее материя быть может, холоднее — нет. Это второй закон термодинамики.
По этой же причине, кстати, черные дыры пока что могут только расти: даже для самых маленьких дыр излучение Хокинга оказывается еще холоднее, чем реликтовое — а потому оно, реликтовое излучение, привносит в дыру больше энергии-массы, чем может унести механизм Хокинга.
Реликтовое излучение вообще штука интересная и прямо завязанная на Большой Взрыв и расширение Вселенной. Ничем больше его не объяснишь. Откуда оно взялось — заполняет оно Вселенную равномерно (насколько мы можем видеть это), что суммарно, учитывая размеры этой самой Вселенной, дает поистине астрономические значения общей энергии, сравнимой или даже превосходящей полную энергию барионной материи. Почему оно столь холодное — во Вселенной нет достаточного количества вещества с настолько низкой температурой, чтобы объяснить его простым тепловым излучением, и нам неизвестны достаточно эффективные нетепловые процессы, которые могут породить излучение с таким спектром. Плюс оно очень равномерно — если вычесть допплеровское смещение (скорости движения нашей Галактики по Вселенной и Солнечной системы по Галактике), остается очень равномерная картина (вплоть до тысячных-десятитысячных, ЕМНИП). А вот более мелкие неровности несут кучу всякой интересной информации, как и должно быть по теории.
ITMatika
Я вижу, Вы разбираетесь в вопросе. А можете на пальцах разъяснить, почему мы вообще сейчас наблюдаем реликтовое излучение, да ещё и практически анизотропное? Ведь у фотонов были миллиарды лет, чтобы достичь Земли и миновать её, вселенная расширяется со скоростью меньше скорости света, а некоторые фотоны реликтового излучения до сих пор до нас только сейчас долетают.
deviant_9
> вселенная расширяется со скоростью меньше скорости света
Скорость расширения Вселенной имеет размерность 1/с (а не м/с), со скоростью света её нельзя сравнивать. Что же касается скорости удаления «неподвижных» объектов во Вселенной, она (по закону Хаббла) пропорциональна расстоянию и может быть какой угодно, в том числе и сколь угодно больше скорости света — если эти объекты находятся достаточно далеко друг от друга. Скоростью света ограничены скорости самих объектов, а не скорость увеличения расстояния между ними. (Учтите только, что расстояние, как и скорость его изменения, как и динамика расширения пространства (и даже сам факт его расширения) — величины, зависящие от выбора системы координат. В отличие, скажем, от непосредственно измеряемого красного смещения.)
Материя, испустившая видимое нами сейчас реликтовое излучение, в настоящий момент удаляется от нас со скоростью, значительно большей c.
nvksv
Скоростью света ограничена только относительная скорость перемещения двух тел/излучений, в данный конкретный момент находящихся в одной точке (окрестности). Т.е. если кинуть камень, мимо вас он пролетит со скоростью, гарантированно меньшей скорости света. А вот когда его скорость относительно Марса начнут считать марсиане, они могут получить все, что угодно: он же будет лететь не мимо них! Единственный способ измерять расстояния и скорости далеких от нас систем — обмениваться с ними фотонами и замерять интервалы времени (причем хронометр должен быть рядом с нами и неподвижен относительно нас!), в итоге получаемая скорость будет меньше скорости света. А если мы не можем с чем-то взаимодействовать — мы не вправе говорить об измерении скорости. Расчетная же скорость может быть любой, тут СТО не возражает, ее волнуют только взаимодействующие системы.
deviant_9
> Скоростью света ограничена только относительная скорость перемещения двух тел/излучений, в данный конкретный момент находящихся в одной точке (окрестности).
Во-первых, «относительная скорость» — понятие весьма скользкое и в СТО/ОТО лучше его не употреблять. Например, если два фотона движутся в противоположных направлениях, скорость увеличения расстояния между ними равна 2c — даже в тот момент, когда они находятся в одной точке. Так что если вы именно это понимаете под «относительной скоростью», то вы не правы. Если же вы под ней понимаете «скорость одного тела в СО другого» (при любом выборе такой СО), то вы тоже не правы — она как раз не может быть любой, а ограничена c, даже если тела находятся в разных точках.
Во-вторых, скорость тела (в некоторой СО) ограничена c совершенно независимо от наличия других тел. Точнее, она <c, если тело имеет ненулевую вещественную массу, =c, если тело имеет нулевую массу (и ненулевую энергию) и >c, если тело имеет мнимую массу (хотя частицы с мнимой массой науке неизвестны, а в квантовой теории поля их появление в спектре частиц и вовсе имеет особый смысл).
В частности, СТО запрещает двум телам с вещественной массой двигаться быстрее света — хотя по вашей логике это нормально (относительная скорость же в этом случае равна 0).
Есть просто понятие «скорость» (в рамках некоторой СО) — она ограничена c. И есть понятие «скорость изменения расстояния» (то есть производная от расстояния по времени) (опять же, в рамках некоторой СО) — она ничем не ограничена. Их надо чётко различать.
> Единственный способ измерять расстояния и скорости далеких от нас систем — обмениваться с ними фотонами и замерять интервалы времени
Так вы измерите красное смещение, а скорость и расстояние всё равно придётся рассчитывать. И в зависимости от используемой системы координат результаты получатся совершенно разные, даже при фиксированных метрике ПВ и вашей мировой линии в нём.
> в итоге получаемая скорость будет меньше скорости света.
Скорость увеличения расстояния между телами может бесконечно долго в будущем быть >c (даже сколь угодно больше) — даже если тела всё время обмениваются сигналами и тем самым рано или поздно узнают любые факты о жизни друг друга.
Пример. Ограничимся плоским пространством-временем (то есть СТО) и одним пространственным измерением. Есть тела А и Б. В ИСО (t, x), связанной с телом А, тело Б движется по закону
x = vt (v<c).
Очевидно, тела могут вечно успешно обмениваться сигналами.
Перейдём теперь в неинерциальную СО (T, X) следующим образом:
x = cT*sh(X)
t = cT*ch(X)
В этой СО тела А и Б неподвижны — для тела А X=0, для тела Б X=arth(v/c). Тем не менее, в этой СО само пространство расширяется (масштабный фактор прямо пропорционален времени), так что тела удаляются друг от друга (в смысле, расстояние между ними увеличивается), но уже не со скоростью v, а со скоростью c*arth(v/c). Эта скорость может быть сколь угодно большой — например, если v=0.999c, то c*arth(v/c)~=3.8c. Сигналами обмениваться это им не мешает, так как скорость удаления светового сигнала от источника в расширяющемся пространстве сама >c.
> Расчетная же скорость может быть любой, тут СТО не возражает, ее волнуют только взаимодействующие системы.
СТО — не квантовая механика, для неё нет никакой разницы, является ли скорость «расчётной» или «измеренной», равно как и факт наличия/отсутствия взаимодействия. Наличие ограничения «относительной скорости» скоростью света, подытожу, зависит исключительно от того, что вы под этим понимаете, а вовсе не от того, взаимодействуют тела или нет.
deviant_9
> а реликтовое излучение подогревает всю материю до своей температуры. Горячее материя быть может, холоднее — нет. Это второй закон термодинамики.
Может. Реликтовое излучение имеет температуру ~2.7К, а туманность Бумеранг — ~1К (охладилась она за счёт быстрого расширения газа). Не говоря уже про сверхнизкие температуры, получаемые человеком на Земле.
Да и расширение Вселенной охлаждает нерелятивистские частицы быстрее, чем излучение. В обоих случаях импульс уменьшается обратно пропорционально масштабному фактору. Для излучения (ультрарелятивистских частиц) энергия (вся являющаяся кинетической) пропорциональна импульсу, а для нерелятивистских частиц кинетическая энергия пропорциональна квадрату импульса. Так что при расширении Вселенной в 10 раз (увеличении объёма любой области в 1000 раз) температура излучения падает в 10 раз, а температура холодной материи — в 100 раз.
Так что, по-крайней мере, для крайне разреженного газа далеко от скоплений галактик стоит ожидать температуры ниже реликтового излучения (возможно, разница совсем микроскопическая из-за теплообмена, сходу не скажу).
nvksv
Второй закон термодинамики не возражает против временного нарушения равновесия. Он всего лишь утверждает, что нельзя добиться стабильной передачи тепла «против шерсти». Я, конечно, выразился слишком прямолинейно, извиняюсь.
P.S. А туманность Бумеранг все равно нагреется. До 2.7К минимум.
deviant_9
Второй закон термодинамики говорит, что энтропия Вселенной не может убывать. Но каким образом из этого должна следовать неизбежность нагрева всего и вся до температуры реликтового излучения? Да и что вообще под этим понимать, учитывая, что по мере расширения Вселенной реликтовое излучение будет асимптотически охлаждаться до абсолютного нуля (если расширение будет продолжаться вечно)?
Если тёмная энергия — это лямбда-член, что рано или поздно Вселенная расширится настолько, что практически все частицы будут изолированы друг от друга (в смысле, потеряют возможность даже обмена световыми сигналами), то есть теплообмен для них прекратится. Фотоны будут охлаждаться обратно пропорционально масштабному фактору, массивные же частицы (когда они станут нерелятивистскими) — обратно пропорционально квадрату масштабного фактора.
То есть материя не просто будет холоднее реликтового излучения: отношение их температур будет стремиться к бесконечности (хоть разность и будет стремиться к нулю, так как они обе стремятся к нулю).
Насчёт Бумеранга и 2.7К не знаю — считать надо.
DancingOnWater
Эмм… прошу меня простить, но если газ у вас в ионизированным состоянии, то у вас нечему поглощать фотоны.
kaichou
Вовсе нет, никто не запрещает даже полностью ионизованным атомам (ядрам) поглощать фотоны.
Просто ядру энергия фотона требуется куда больше, чем электрону.
Например, http://studopedia.ru/view_fopi.php?id=40
Гамма-кванты таки тоже фотоны.
DancingOnWater
Чтобы организовать резонансные явления мы должны перевести вещество в особое квантовое состояние. Мы говорим про реликтовый фон и у меня в контексте стоит локально термодинамическое равновесие. А там если ядро-таки поглотило фотон, то перед нами уж не ионизированный газ, а кварк-глюонная плазма.
deviant_9
Система заряженных частиц, поглощающая фотон, не обязана представлять собой отдельный атом.
А рассеиваться фотоны могут и вовсе на отдельных электронах (комптоновское рассеяние).
Так или иначе, Вселенная стала прозрачной для излучения именно когда перестала быть ионизированной.
DancingOnWater
>>Система заряженных частиц, поглощающая фотон, не обязана представлять собой отдельный атом.
В принципе — да, но сможете ли такие в плазме в нужном количестве?
>>А рассеиваться фотоны могут и вовсе на отдельных электронах (комптоновское рассеяние).
А кто тут говорил про невозможность рассеивания? Более того реликтовый фон — это поверхность, на которой происходило последнее рассеяние.
deviant_9
Просто я никогда не задумывался, какая была плотность у этой плазмы…
Вы правы.