Если вам кажется, что всё под контролем – вы едете слишком медленно.
— Марио Андретти
Конец недели означает, что я снова выбираю вопрос из присланных вами, и на этой неделе нам повезло получить вопрос, напрягающий разум и искривляющий пространство и время. Читатель хочет узнать побольше о величайшей загадке расширяющейся Вселенной, относительности и тёмной энергии:
Хорошо известно, что вселенная расширяется с ускорением. Возможно ли, чтобы скорость расширения превысила скорость света? И если да, не будет ли это противоречить теориям Эйнштейна?
Начнём с того, что такое скорость света.
Неважно, где вы находитесь и кто вы, существует жёсткое ограничение на ваше движение в пространстве. Можно было бы решить, что чем больше энергии тратишь, тем быстрее можно двигаться… И хотя это так и есть, но это может продолжаться лишь до определённого предела. Если вы двигаетесь со скоростью несколько метров в секунду, или несколько километров в час, или даже несколько километров в секунду, как двигается Земля по орбите Солнца, вы даже не заметите ограничений на движение с бесконечной скоростью.
Но они всё равно существуют. Чем быстрее вы двигаетесь – чем больше ваша скорость движения через пространство – тем медленнее вы двигаетесь сквозь время. Представьте, что вы находитесь в покое на поверхности Земли, а ваш друг взлетел с места вашего нахождения и на реактивном самолёте отправился в кругосветное путешествие. До того, как вы расстались, вы синхронизировали часы с точностью до микросекунд.
Если ваши часы достаточно чувствительные, то когда ваш друг вернётся к вам, вы обнаружите, что часы немного рассинхронизировались. Ваши часы будут показывать время чуть позже, чем часы друга – отличие будет примерно в десятые части микросекунд, но всё-таки будет.
И чем быстрее двигаться, тем больше будет разница во времени.
Часы космонавтов на МКС, облетающих вокруг Земли за 90 минут, отстают на несколько секунд после возвращения. Эта разница становится заметной даже при помощи обычных часов.
Странность в том, что не только часы идут по-разному на разных скоростях, но и время двигается с разной скоростью.
Факт замедления часов на высоких скоростях будет следствием того, что время и пространство связаны, и что быстрое движение через пространство означает замедление времени. Связь между пространством и временем определяется скоростью света. Чем ближе вы к скорости света, тем больше течение времени асимптотически приближается к нулю.
Поэтому мюон, нестабильная частица со средним временем жизни в пару микросекунд, может быть создан в верхней части атмосферы на скорости, близкой к скорости света, и дойти до поверхности Земли. Это путь в 100 км, и если бы он двигался по нему со скоростью 300 000 км/с в течение 2,2 микросекунд, он бы распался, пройдя лишь 0,6% всего пути. То, что мюон успевает достичь поверхности – и если вы вытянете руку, то через неё каждую секунду будет пролетать примерно по одному мюону – происходит благодаря этому эффекту относительности.
А что же до расширения Вселенной? Вы знаете, что если вы выберете какую-либо галактику, то в среднем получится, что чем дальше она от вас, тем быстрее она будет отдаляться. Галактики в кластере Девы, находящиеся на расстоянии 50-60 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 1200 км/с. Галактики в скоплении Волос Вероники, расположенные на расстоянии 330 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 7000 км/с.
Чем дальше мы заглядываем, тем быстрее эти галактики и кластеры удаляются. Конечно, встречаются отклонения на несколько сотен или тысяч км/с из-за местных перемещений и эффектов гравитационного притяжения, но на крупных масштабах – и на больших расстояниях – можно видеть, что чем дальше они от вас, тем быстрее они будут отдаляться. Впервые это наблюдение сделал Эдвин Хаббл в 1920-х годах, и оно привело к закону Хаббла, или закону, определяющему расширение Вселенной. С наилучшими современными средствами наблюдения мы можем подтвердить правильность этого закона на миллиарды световых лет во всех направлениях.
«Секунду»,- я могу практически слышать ваши возражения. «А что насчёт скорости света?».
Действительно, что насчёт скорости света? Конечно же, этот невидимый барьер – препятствующий всем видам материи двигаться быстрее определённого ограничения – вступит в права и помешает галактикам с какого-то момента, не так ли? Время асимптотически стремится к нулю и перестанет двигаться, если вы будете перемещаться с такой скоростью, при этом ему нельзя двигаться обратно, ведь тогда галактики бы двигались назад во времени, не так ли?
Но мы утаили один из кусочков головоломки. Скорость света в качестве ограничения применяется лишь к объектам, двигающимся друг относительно друга в одном и том же месте пространства.
Когда ваш друг улетел на самолёте и вернулся с отстающими от ваших часами, это оттого, что вы встретились на том же месте. Когда космонавты возвращаются на Землю, и их путешествие длилось меньше, чем ваше, на несколько секунд, это оттого, что вы оказались в одном месте. Даже мюон, двигаясь с околосветовой скоростью, двигался относительно вашей системы отсчёта на Земле, и потому вы наблюдали эти эффекты.
Но в дальних частях Вселенной эти галактики вообще не движутся. Это пространство между ними расширяется, а отдельные галактики находятся в покое относительно пространства.
Вы можете возразить, «откуда вы это знаете?»
Можно провести тест: посмотреть на удалённые галактики, измерить их красное смещение и расстояние до них. Так можно проверить, что двигаются они с невероятными скоростями против всех предсказаний теории относительности.
ТО бывает двух видов: специальная ТО, работающая в плоском статичном пространстве, где имеют значение только движения объектов через пространство и время. И общая ТО, где само пространство изменяется, и/или сжимается, и где материя и энергия определяют кривизну пространства-времени, а СТО существует поверх этой системы.
И вот как различаются два предсказания:
Сильно, не так ли? Оказывается, что наши наблюдения говорят в пользу ОТО, и исключают вариант статичного пространства.
И что же это значит в итоге? Что это означает для нашей расширяющейся Вселенной, даже если мы добавим сюда тёмную энергию?
Это значит, что с течением времени свет, испущенный далёкими галактиками, очень сильно сместился в красный спектр, что и привело к появлению космологического красного смещения.
Это значит, что существуют настолько удалённые части Вселенной, что свет, испущенный оттуда, никогда до нас не доберётся. В данный момент это все части, находящиеся на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет от нас.
И это значит, что любой объект на расстоянии больше 4,5 гигапарсек (14-15 миллиардов световых лет) останется недосягаемым для нас и для всего, что мы делаем, отныне и навсегда. Все эти объекты, составляющие 97% объёма наблюдаемой Вселенной, находятся вне нашей досягаемости. Даже испущенный прямо сейчас фотон никогда не доберётся до них.
Так что, да, все объекты, подхваченные расширением Вселенной, с ускорением летят от нас, всё быстрее и быстрее. Пройдёт достаточно времени, и все они будут удаляться от нас быстрее скорости света, и станут недостижимыми для нас в принципе, неважно, насколько быструю ракету мы построим или сколько сигналов отправим со скоростью света.
И что мы можем с этим поделать?
Взять себя в руки и начать межгалактические путешествия так быстро, как только сможем, пока не поздно. Сегодняшняя Вселенная исчезает из-за расширения пространства. И хотя ни один объект не двигается сквозь ткань пространства-времени быстрее скорости света, не существует ограничений по расширению ткани пространства. Пространство делает, что хочет.
Так что спасибо за прекрасный вопрос, и, если ответ покажется вам загадочным, вдохновитесь следующим: Вселенная исчезнет из вида человечества, если только мы не сможем что-нибудь сделать с этим, включая полёты к удалённым галактикам, или – если найдётся способ – приближение удалённых галактик к нам. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Комментарии (54)
potan
03.08.2016 16:11«останется недосягаемым для нас и для всего, что мы делаем, отныне и навсегда.» — а если расширение Вселенной когда-нибудь замедлится или вообще сменится сжатием?
nkie
03.08.2016 16:17вопрос в том, сменится ли. Т.е. дело в том, что может являться причиной сжатия. Если предположить, что темная энергия со временем ослабнет, то причиной сжатия может быть гравитация, но если галактики улетают друг от друга со скоростью больше скорости света ( а гравитация действует со скорость света, насколько нам известно ибо иначе бы не было никаких гравитационных волн) то гравитация никак не сможет успеть их притянуть
DrZlodberg
04.08.2016 08:54Хм. Но ведь если мы видим свет от галактики, которая физически уже находится для нас за горизонтом, то и гравитацию мы должны «видеть»?
И что вообще происходит с гравитацией при расширении пространства? Длинна волн увеличивается, но как меняется статичная гравитация? Она же и без волн вполне работает.nkie
04.08.2016 09:36в том то и дело, что те галактики что находятся за горизонтом мы не видим… у уже не увидим, по крайней мере до тех пор, пока сохраняется определенная скорость расширения Вселенной. А статичная гравитация распространяется с той же скоростью света, т.е. ее скорость конечна
DrZlodberg
04.08.2016 09:49Возможно неверно выразился. Галактики, физически уже возможно находящиеся за горизонтом мы видим и будем видеть до тех пор, пока способны различить их излучение постепенно уходящее в длинноволновый диапазон, поскольку оно несколько устарело относительно их текущего положения в пространстве.
А вот что происходит с гравитацией в этом случае — непонятно.
Maksatiha
03.08.2016 20:20А если представить мысленный эксперимент, что есть небольшой объект на удалении от вселенной. Возник он независимо от нашей вселенной и еще не вошел в поле расширения. Может ли он двигаться быстрее скорости света?
BronzeCrab
03.08.2016 20:21Часы космонавтов на МКС, облетающих вокруг Земли за 90 минут, отстают на несколько секунд после возвращения. Эта разница становится заметной даже при помощи обычных часов.
Хм, а почему? Вроде бы замедление времени от быстрого движения на орбите должно быть заметнее меньше ускорения времени по причине менее сильного гравитационного поля? Нет?
yea
03.08.2016 21:53+1МКС находится на довольно низкой орбите, там вполне себе приличное гравитационное поле.
eugenius_nsk
04.08.2016 06:53Как сказано в википедии:
На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с?, что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли.
vak0
03.08.2016 20:21+3Но в дальних частях Вселенной эти галактики вообще не движутся. Это пространство между ними расширяется, а отдельные галактики находятся в покое относительно пространства.
Я вот ну никак не могу этого понять. Поясните, пожалуйста.
1. Как это «галактики находятся в покое относительно пространства»? Т.е. есть некая абсолютная система координат под названием «само пространство» и мы про любой материальный объект можем сказать, движется ли он относительно этого «самого пространства» и если да, то с какой скоростью?
2. «пространство между ними расширяется». Не первый раз про это слышу, но не понимаю! Выходит, что материальные объекты могут удаляться друг от друга быстрее, чем скорость света. Но это никак не нарушает принципы СТО, поскольку это не то чтобы объекты движутся в пространстве относительно друг друга со скоростью, большей с, а «само пространство расширяется». По-моему, здесь какой-то подвох… Вот если гипотетически приложить линейку между двумя далекими разбегающимися галактиками, то что? По показаниям линейки расстояние меняться не будет, но будут расширяться интервалы между делениями линейки, поскольку расширяется само пространство, так? Но как мы можем это проверить и вообще об этом говорить, если все, что у нас есть для измерения расстояний, это сама эта линейка??? Ведь фотон как проходил N делений линейки за секунду, так и будет проходить N делений. Т.е. все расстояния между всеми материальными объектами увеличатся пропорционально расширению «самого пространства»: от расстояний между галактиками до диаметров частиц. Разве чтобы об этом говорить нам не нужна «суперлинейка», не расширяющаяся вместе со всем пространством и, следовательно, не являющаяся объектом материального мира?
И прошу прощения за нубский вопрос, я в физике полный ноль, но ноль интересующийся. Буду благодарен, если «разжуете» современное представление науки на этот счет. Спасибо.
Shkaff
03.08.2016 22:38Как это «галактики находятся в покое относительно пространства»?
Ну, что-то надо брать за систему отсчета… Но я думаю, тут скорее неточность формулировки. Если выбрать неподвижную систему отсчета — точку вне материального тела, то расстояние между этой точкой и телом не будет меняться со временем. А если взять такую же неподвижную точку (локально), но на большом расстоянии — то относительно ее тело будет двигаться за счет расширения пространства между ними.
Ведь фотон как проходил N делений линейки за секунду, так и будет проходить N делений
Именно так, но при этом меняется и «размер» фотона — его длина волны увеличится. Это называется космологическим красным смещением. Это служит нам линейкой — мы видим, что чем дальше источник фотона, тем «краснее» фотон становится, и это не зависит от источника — только от расстояния. На этом основании делается вывод, что само пространство расширяется, пока фотон летит до нас.
Mad__Max
05.08.2016 00:391. В общем-то такая система отсчета есть — это само пространство. Но т.к. оно на данный момент считается чем-то нематериальным движение относительно него измерять или хотя бы просто засечь невозможно — по крайней мере напрямую. В результате важно только относительное движение относительно какой-либо выбранной точки отсчета (планеты/звезды/разряженного газа космоса/центра галактики/ и т.д.), а абсолютное движение ни на что не влияет. Но можно схитрить и косвенно оценить это движение — например через реликтовое микроволновое излучение — оно очень равномерное и приходит сразу из всех точек пространства вокруг еще со времен Большого Взрыва. И по красному/синему смещению этого излучения как и с любым другим излучением можно примерно оценить свою скорость(включая направление, т.е. вектор скорости) движения относительно источника излучения. А т.к. для реликтового излучения источником был не какой-то конкретный объект, а само пространство — то получается можно оценить свою скорость движения относительно пространства. А уже зная свою скорость и относительную(относительно себя) скорость других объектов — оценить уже их скорости движения относительно пространства.
И такие оценки делались — получается что все крупные материальные объекты (планеты, звезды, газовые и пылевые туманности, галактики, группы галактик) двигаются относительно пространства с довольно небольшими скоростями — порядка сотен-нескольких тысяч км/сек. А все остальное разбегание далеких объектов от нас и друг друга — это расширение самого пространства, а не движение в нем. И это расширение может происходить с какой угодно скоростью — ограничений на это нет.
2. Смотря какая «линейка». У нас есть как минимум одна абсолютная линейка — это свет: скорость света не зависит от расширения пространства. Поэтому расстояние проходимое за единицу времени тоже не будет зависеть. Собственно сейчас метр (километр и т.д.) и привязан к расстоянию проходимому светом за секунду. Сама секунда (единица времени) от расширения пространства тоже не зависит — она определяется через колебания атомов зависящее только фундаментальных констант.
При этом на летящий свет расширение пространства влияние оказывает, о чем выше написали — свет тоже «растягивается». Но это влияет только на уже испущенный свет — следующим фотонам нужно будет проходить уже большее расстояние чем предыдущим, а скорость их распространения в пространстве относительно предыдущих не изменилась. В результате сама абсолютная «линейка» со временем не растягивается: например если между какими-то 2м галактиками расстояние из-за расширения пространства находящегося между ними увеличится на 10%, то и свет между ними будет лететь на 10% дольше. Ну и яркость объектов (убывающая при прочих равных как 1/R^2) станет на 21% ниже.vak0
05.08.2016 11:45Спасибо большое за столь подробный ответ.
Т.е. есть некая то ли нематериальная, то ли материальная, но пока не обнаруженная, субстанция (да чего уж там стесняться, давайте назовем ее эфир), такая, что любое привычное нам понятие движения — это как раз движение относительно этого эфира. Но при этом есть еще и расширение самого эфира, то, что Вы назвали абсолютным движением. Померить напрямую мы его не можем, поскольку любая «линейка» растягивается вместе с растяжением этого эфира, так? (Кстати, с помощью такого эфира, наверное, можно легко объяснить такой феномен, как инерция?)
А вот насчет суперлинейки «свет» я не понял. Пусть мы находимся в точке А нашего пространства-эфира, и есть некая удаленная от нас точка В, расстояние до которой равно S (классическое расстояние, которое мы можем померять линейкой). Мы видим, что с увеличением S энергия фотонов, летящих от В к А уменьшается, и делаем вывод, что это следствие доплеровского эффекта. Но раз так, то это должно быть наше классическое движение, т.е. наша гипотетическая линейка должна показывать все большие и большие значения, А если это просто расширение эфира, то увеличиваться (относительно точек эфира) будет вообще все, в том числе и размер фотона и расстояние между пиками его колебаний (если так вообще можно говорить), и тогда никакого доплеровского эффекта не возникнет.
Вот все-таки остаются у меня вопросы, Вы уж извините:
1. Кроме как тотальным расширением всего и вся никак нельзя объяснить красное смещение? Может, это просто фотоны энергию теряют потихоньку? (Трутся об эфир, например, хе-хе :-)
2. Зачем вообще нам вводить это абсолютное движение самой сущности пространства? Чем плохо классическое движение галактик, когда все разбегаются друг от друга? Все равно темную энергию вводить пришлось, пусть она занимается классическим расталкиванием материальных объектов.kauri_39
07.08.2016 11:27-1Испугали Вы отвечавших Вам своим эфиром, стесняются они этого некошерного в науке термина. Я же, как и Вы, предпочитаю называть вещи своими именами — не пустота, а среда, т.е. не вакуум, а эфир. Мы, дилетанты, в этом свободны.
Но в сущности Вам сказали верно. Тела, галактики не могут лететь сквозь эфир с субсветовыми скоростями (ОТО запрещает), их собственные скорости в нём гораздо меньше. На них указывает эффект Доплера, он указывает и направление их движения. Например, фиолетовое смещение в спектре Андромеды указывает на её приближение к нашей галактике.
Но чем дальше от нас галактики, тем в меньшей мере эффект Доплера указывает на их собственное движение. Потому что смещение в их спектрах уходит в красный сектор, и чем дальше они от нас, тем дальше в него уходит. Потому что галактики уносит от нас (в связанной с нами системе отсчёта) расширяющееся пространство — энергетически плотный вакуум или эфир. А вот уносить их от нас эфир может и с субсветовой и со сверхсветовой скоростью. В окружающем их эфире у них обычные собственные скорости (в связанных с ними системах отсчёта), но нам их вычислить затруднительно (требуется иное, не по Доплеру, определение расстояния до них — по светимости в них «сверхновых звёзд» — «стандартных свечей», а это редкие, скоротечные события). На расстоянии 14 млрд световых лет от нас скорость космологического удаления скоплений галактик превышает световую — они летят от нас вместе с расширяющимся эфиром уже за космологическим горизонтом.
Тёмная энергия — это тот же самый плотный расширяющийся эфир (физико-космический вакуум). Учёные не понимают, почему эта среда, расширяясь, не снижает свою плотность, и поэтому её энергию в ней называют тёмной.
Я пытаюсь донести до них простую мысль: эфир — среда из взаимно сжатых эфиронов — пополняет свою плотность — количество эфиронов на единицу объёма — из пятого измерения. И в природе есть наглядный аналог такого расширения. Так расширяется плёнка ряски на поверхности воды. В неё постоянно внедряются новые растения ряски, образующиеся из молекул воды и воздуха — 4-го для неё измерения (оно дополняет два её геометрических и одно временное измерение). Новые элементы этой среды уплотняют плёнку ряски и побуждают её к расширению. Подобное происходит и в нашем пространстве.
Поэтому я не согласен с утверждением, что космологическое покраснение фотонов вызвано их расширением вместе с расширением пространства. Есть зависимости для частоты и скорости распространения звука в движущихся средах. Считаю, что и при распространении электромагнитных волн в движущейся им навстречу среде (вакууме, эфире) их частоты и скорость относительно неподвижного приёмника должны снижаться. Поэтому эффект Доплера показывает нам не просто космологическое удаление галактик, а космологическое удаление их окружающей среды — эфира.
Mad__Max
07.08.2016 23:04+1Эту субстанцию сейчас называют просто пространством. Или физическим вакуумом. И физический вакуум это не абстрактная «абсолютная» (математическая) пустота, а какая-то физическая среда с пока до конца не ясными свойствами. То что сейчас называют темной энергией — лишь одно из этих свойств. Темная — потому что мы видим производимый эффект и точно можем сказать что он реален, но не знаем механизма. Как «черный ящик», который черный потому что мы можем наблюдать что у него на выходе (какой эффект оказывает), но не можем заглянуть что у него внутри и как он работает.
Можете назвать эфиром если так хочется — только надо понимать, что это будет совсем не тот эфир который 100 лет назад подразумевали — его существование уже давно опровергли. Ну и из-за большого количества разных фриков и псевдоученых строящих вечные двигатели или «опровергающих» ОТО у которых все что угодно действием эфира объясняется само слово сильно дискредитировано. Многие его услышав перестают вообще дальше читать/отвечать предполагая, что дальше пойдет всевдонаучная чушь (и минимум в 90% случаев оказываются правы, так что хотя это грубый подход на практике эффективный).
Померить не можем не из-за линеек — с линейками у нас все в порядке. Просто что-бы что-то измерить, нужно чтобы это что-то оказывало какой-либо реальный эффект на материальные тела, который в принципе можно объективно измерить. Ничего такого не нашли — разная скорость движения сквозь пространство похоже никак не сказывается на движущихся телах — по крайней мере на доступном нам масштабе скоростей.
Скажем 2 случая:
1. Тело А летит со скоростью 10 км/с относительно пространства (вакуума), на встречу (или наоборот от него в противоположную сторону) ему тело Б тоже со скоростью 10 км/с относительно пространства. Относительная скорость А по отношению к Б = 20 км/с.
2. Тело А покоится относительно пространства, тело Б летит со скоростью 20 км/с относительно пространства. Относительная скорость те же 20 км/с.
Так вот все наблюдения говорят что абсолютно никакой разницы между вариантом 1 и вариантом 2 нет, тела будут вести себя полностью одинаково. Поэтому все теории относительности продолжают действовать: мы можем выбирать любую систему отсчета какая нам нравится — от этого ничего не меняется и эта как бы «абсолютная» система отсчета (связанная с самим пространством) ничем не выделяется по сравнению с другими. Разве что на самом глобальном космологическом уровне ей просто удобнее пользоваться. Так же как например у нас в солнечной системе удобнее использовать систему отсчета связанную с Солнцем, чем с каким-либо другим объектом системы.
Хотя когда-нибудь может оказаться что какие-то эффекты есть — просто очень слабые (и незаметные нам сейчас из-за недостаточной точности измерений) или проявляющиеся только на очень больших скоростях — например при сравнимых со скоростью света.
Насчет света-линейки. Нет сейчас как раз считается, что это не Доплер-эффект, а именно расширение пространства. Точнее Доплер-эффект тоже имеет место, т.к. обычное движение сковозь пространство тоже всегда присутствует, но на больших расстояниях он несущественный вклад дает (существенный — только для самых ближайших галактик двигающихся с относительно небольшими скоростями). Да если упростить можно сказать что увеличивается «размер фотона» или расстояние между пиками волны в процессе его полета через растягивающееся пространство — это как раз и воспринимается как увеличение длины волны (снижение частоты) излучения и эффект получается фактически такой же как от Доплер-эффекта, хоть и по другой причине. Отличить одно от другого весьма сложная задача.
Но растягивается не все — никакие материальные(из материи — вещества) объекты вообще не растягиваются — их размеры определяются сильным и электромагнитным взаимодействием. Так что если говорить о линейке в буквальном смысле (деревянной или металлической) — она не растягивается. И практически не влияет на сильно гравитационно связанные объекты — планетные системы вокруг звезд, звезды внутри галактик. И только где нет практически никаких сил и взаимодействий — например в пустоте между галактиками проявляется действие ТЭ в виде расширения пространства. Если точнее оно существуют вообще везде, но масштаб его ну очень мал и это воздействие полностью компенсируется сильными взаимодействием, электромагнитными силами и гравитацией. И только где первых 2х нет, а гравитация крайне слаба проявляется действие ТЭ.
1. Собственно они и теряют энергию — как раз из-за растяжения пространства. В отличии от Доплер-эффекта, где летящий фотон в полете НЕ теряет энергию, а сдвиг частоты происходит из-за быстрого движения источника (или преемника). Т.е. в одном случае сдвиг мгновенный — в момент излучения (или поглощения фотона) и его масштаб зависит от скорости излучателя(и приемника), во втором постепенный — по мере полета фотона через пространство и его масштаб зависит от пройденного светом расстояния (а с учетом постоянства скорости света — одновременно от прошедшего времени). В реальных условиях в космосе они складываются.
2. В классическом движении и какой-то силе просто толкающей объекты в разные стороны тогда должен быть центр откуда все это движение началось и оценив текущие направления и скорости движения множества галактик было бы не сложно вычислить где именно он был. Однако такого центра нет — точнее расчет показывает, что этот центр мы сами. И тут либо решить что мыпуп землицентр вселенной (ага прям как когда-то в древности Землю считали центром вселенной, вокруг которой все вертелось), либо предположить что ТЭ не разгоняет объекты в пространстве, а растягивает само пространство. В этом случае для любого наблюдателя в любой точке вселенной все будут выглядеть так, как если бы он был центром из которого началось расширение.vak0
08.08.2016 12:54Спасибо Вам большое, жаль не могу стрелку вверх нажать. Не скажу, что совсем все прояснилось, но база для размышлений появилась хорошая.
mafia8
03.08.2016 20:21При приближении к скорости света растёт масса, а при скорости света становится равной бесконечности, и разгонять ракету становится всё труднее.
Hellsy22
03.08.2016 20:42Мне кажется, что возникает путаница относительно термина «скорость».
Допустим, что в 10 световых годах от нас есть звезда. И мы запускаем туда зонд, летящий с ускорением в 30м/с.
И тут я вижу два варианта:
1. Если смотреть с точки зрения наблюдателя на Земле, то зонд затратит на путь не менее 10 лет.
Но если смотреть с точки зрения зонда, то, подозреваю, по его внутренним часам пройдет около 2.5 лет. Можно играться сколько угодно с формулировками, мол, это не зонд летит по своим часам быстрее скорости света, а пространство искажается, но суть останется ровно та же — по своим часам он прибудет со скоростью порядка 4c.
2. Если смотреть с точки зрения наблюдателя на Земле, то зонд затратит на путь около 25 лет.
Но если смотреть с точки зрения зонда, то по его внутренним часам пройдет чуть более 10 лет.
Хотелось, чтобы те, кто разбирается в теме, сказали, сколько времени пройдет по часам наблюдателя на Земле и по часам находящимся на зонде.
gasizdat
04.08.2016 00:17По корабельным часам пройдет гораздо меньше времени, но и расстояние сократится пропорционально. Поэтому по корабельному же спидометру зонд будет лететь с досветовой скоростью, а не 4с.
Hellsy22
04.08.2016 01:42Т.е. все-таки пройдет 2.5 года и если замер расстояния был сделан в начале пути, то средняя скорость будет примерно 4с?
gasizdat
04.08.2016 07:13По условию задачи зонд летит с ускорением, значит его СО неинерциальная. Поэтому, чтобы посчитать время и пройденный путь для этого случая, надо решать задачу в рамках ОТО (уравнения СТО не работают). А для этого нужно ОТО хотя бы знать, чем я не могу похвастаться.
Hellsy22
04.08.2016 19:58Это выглядит как попытка специально запутать вопрос — сперва мы заявляем, что скорость не может превышать определенный барьер, а потом начинаем подгонять расстояние и время, чтобы сохранить начальное утверждение. Но представьте ситуацию, в которой нам нужно пользоваться… ну, назовем это «технической средней скоростью», равной начальному расстоянию деленному на время по часам объекта. Чтобы просто понимать, сколько времени (по часам объекта) займет перемещение, какие ему нужны запасы топлива или еды для экипажа. В таком случае, чему будет равна «техническая средняя скорость» в вышеприведенной задаче? Можно ли ее считать игнорируя ОТО/СТО?
Нет-нет-нет, это порождает путаницу. Давайте договоримся, что средняя скорость равна пройденному расстоянию деленному на прошедшее время. Но расстояние зафиксируем в начальной точке.gasizdat
06.08.2016 11:42КМК, основное непонимание теории относительности происходит из того, что в быту процесс измерения представляется чем-то само собой разумеющимся. Мало кто задумывается, что любое измерение чего бы то ни было (времени, расстояния, частоты и т.п.) есть процесс передачи информации от объекта измерения к экспериментатору. Теория относительности накладывает ограничение именно на скорость распространения информации. Поэтому любые измерения, связанные с релятивистскими скоростями, начинают «чувствовать» эту особенность.
Mad__Max
05.08.2016 00:58Будет 1й вариант. Только превышения скорости света не будет — с точки зрения наблюдателей в начальной и конечной точки он летел дольше 10 лет со скоростью ниже 1с. С точки зрения зонда — расстояние было меньше.
Получить 4с можно только сделав некорректную вещь — взяв расстояние с точки зрения неподвижных наблюдателей которые никуда не летали вообще, а время с точки зрения летавшего зонда.
Можно сказать — да это все математическая фигня — в реальности же он долетел за 2.5 года, значит летел со скоростью 4с!
А вот нефига не летел. Прилетев на место (и затормозив) зонд обнаружит что прошло не 2.5 года, а больше 10 лет — и у него просто все-это время «врали часы» — во всей остальной вселенной прошло больше 10 лет и значит его полет тоже продолжался больше 10 лет и скорость не превышала 1с.Hellsy22
06.08.2016 02:36А какое ему дело до «всей остальной Вселенной» в которой, как я понимаю, у каждого объекта свое время? Если уж отказываться от глобального времени — то отказываться совсем, а значит любая система отсчета времени будет не хуже остальных, разве не так?
Mad__Max
07.08.2016 23:16Ну если ему нет никакого дела до остальной вселенной и он о ней ничего «знать не хочет» и он полагается исключительно на свои собственные приборы, то они ему покажут, что он летел 2.5 года и пролетел только ~2 световых года. Скорость полета не превышала скорости света.
Этих 10 световых лет расстояния для него не существуют — они есть только для «всей остальной вселенной», которую он пытается игнорировать.Hellsy22
07.08.2016 23:33Эти 10 световых лет расстояния для него есть, когда он в доке пополняет запасы топлива и еды. Но вопрос даже не в этом, а в том, сколько для челнока пройдет времени. 2.5 года — это я насчитал по ньютоновской механике, если игнорировать скорость света и искажение пространства-времени. Однако, сколько для него пройдет времени при указанных стартовых условиях (расстояние — 10 световых лет, ускорение 30м/с) согласно СТО? Если те же 2.5 года — то СТО для расчета времени в пути (по часам зонда) не нужна. А если нет, то другое дело. Вы можете посчитать?
Mad__Max
08.08.2016 02:59+1Ха-ха, оказывается я вообще не понял, что это было по ньютоновской физике — думал уже по СТО посчитано, только с учетом торможения. А оказывается это по ньютону без учета скорости света, но и без торможения.
Ну вообще нужно по ОТО по-идее считать, т.к. движение у нас ускоренное будет и система не инерционная, но примерно прикинуть можно и по СТО. Разница будет и большая. Если у нас просто пролетная миссия и весь путь мы только разгоняемся с ускорением 30 м/с2 и проходя целевую систему находящуюся от нас в 10 световых годах на полной скорости то:
1. По ньютоновской физике полет займет ~2.52 года независимо от того по каким часам измерять, конечная скорость чуть меньше 8 скоростей света, средняя чуть меньше 4с
2. По СТО полет займет ~1.32 года по часам зонда и ~10.33 лет по часам на Земле, конечная скорость практически равна скорости света, средняя ~0.97c
Если мы хотим высадиться в целевой системе (или выйти на орбиту, или просто что-то успеть рассмотреть) то тормозим. Минимальное время будет если полпути разгоняемся и полпути тормозим. Тогда получится:
1. По ньютоновской физике полет займет 3.56 лет, макс скорость 5,62с, средняя 2,81с, конечная ~0
2. По СТО полет займет ~2.23 года по часам зонда и 10.62 лет по часам на Земле, макс скорость почти 1с, средняя ~0.94c конечная ~0Hellsy22
08.08.2016 20:21О, спасибо за развернутый ответ.
При такой разнице в расчетах прошедшего по внутренним часам времени становится очевидно, что ньютоновская физика совершенно не подходит даже для грубой оценки.Mad__Max
10.08.2016 00:15Ага, для прикидки (если не нужна высокая точность) ньютоновская физика годится только для полетов внутри солнечной системы. Для любых даже самых близких межзвездных перелетов уже нужно использовать хотя бы СТО.
И чем больше расстояние — тем сильнее не подходит и больше расхождение получается.
В частности в этом примере при таком большом ускорении (30 м/с2) с точки зрения собственного времени зонда ему уже не такая большая разница лететь ли всего 10 световых лет или 100 или даже 1000 — разница будет непринципиальной.
Если не тормозить то при пролете системы в 10 световых годах от нас лоренц-фактор будет уже порядка 32.5, т.е. время для него замедлится в ~32.5 раза, а скорость будет 0.9995 от скорости света. Поэтому даже если выключить двигатель, то следующие 10 световых лет он пролетит всего за 0.3 года.
А если двигатель не выключать и продолжать разгоняться дальше (в реальности разгона уже практически не будет, но все сильнее будет тормозиться ход времени), то за несколько лет(по собственным часам) можно и всю галактику пролететь.
Вот тут если кому поиграть с числами захочется, файл с расчетом равноускоренного полета космического аппарата по СТО: полет по СТО с постоянным ускорением
a — ускорение(постоянное), dt — интервалы времени с которыми рассчитывать 1 шаг (по часам остающимся в точке старта — например на Земле).
tmaxx
05.08.2016 21:57+1По земным часам пройдёт чуть больше 10 лет (зонд довольно быстро разгонится до субсветовой скорости, так что временем разгона можно пренебречь).
С часами зонда сложнее, нужно интегрировать преобразования Лоренса. На этой страничке есть готовые формулы:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Space_travel_using_constant_acceleration
Вроде получается год с небольшим. За 100 лет с 1 g, кстати, можно сгонять до края видимой Вселенной и обратно.Mad__Max
07.08.2016 23:46Год с небольшим(~1.3) это без торможения — только чтобы долететь и проскочить целевую систему на околосветовой скорости. С учетом торможения будет как раз 2 с чем-то года по собственным часам.
0x9d8e
03.08.2016 20:59Мне вот интересно. Допустим у нас есть двигатель, создающий некоторую постоянную тягу сколько угодно времени. Допустим он даёт ускорение с перегрузкой в 1g. Проходит куча времени и вот мы разогнались до 0.9999C относительно Земли. Но относительно нашего корабля-то мы можем и дальше ускоряться? Что будет происходить с перегрузкой на корабле? Сохранится 1g или начнёт стремиться к нулю?
И второе. Можем ли мы вылететь со скоростью 1С к галактике удаляющейся от нас со скоростью 0.5, а затем вылететь оттуда со скоростью 1С уже относительно неё к следующей (понятное дело, что галактики тут не обязательны, это для понятности)?
Да, понимаю, что для наблюдателя с Земли (если бы он вообще мог это видеть) мы в любом случае будет удаляться со скоростью света.
arheops
03.08.2016 21:58+1У вас замедлится время. Вы все так же будете идти с перегрузкой 1г по корабельному времени. Но время замедлится настолько, что по внешнему времени вы практически перестаните разгонятся. При определенной скорости у вас время будет идти медленее в 1000 раз, с точки зрения внешнего наблюдателя вы будете ускорятся в 1000 раз медленее(0.001g). Дальше в 10000раз и так далее.
0x9d8e
03.08.2016 22:22Какого именно внешнего наблюдателя? С Земли? С галактики улетающей от Земли со скоростью 0.8С, которую мы догнали?
Вот допустим прилетели мы в эту галактику. Мы, получается, летим 0.999С, а местные около 0. Но расстояние между нами меняется не со скоростью 0.999С, а 0.111С. Они видят это, заводят свой аналогичный звездолёт и летят на обгон с 0.999С относительно своей галактики. Для своих у них 0.999С. Для землян как-бы 1.8С, но за счёт искажения времени 1С. А для нас на нашем звездолёте? А если мы высадимся и полетим вместе с ними на их звездолёте?
0x9d8e
03.08.2016 22:30Когда речь о паре объектов-наблюдателей всё просто, а когда их становится больше получается путаница.
Мне кажется у нашего звездолёта должна как-то плавно потеряться «связь» с Землёй и точкой отсчёта для нас станет эта галактика, которую мы догнали (а если нет, то, повторюсь, что с высадкой к ним на планету и вылетом на их корабле?). А значит, как и жители этой галактики мы можем точно так-же догнать следующую и следующую и следующую, а «вселенский горизонт» так и будет всё время «убегать».
alex1603
04.08.2016 08:25-1Если отбросить стереотипы мышления и подумать о скорости света. Скорость света придумал человек рассчитал и привязался в расчетах к ней! Но что если мы просто не способны заглянуть за… мы ограничены нашей реальностью и восприятием. Если взять две точки на волне от камня брошенного в воду. и начать замерять скорость от центра они движутся с одинаковой скоростью но относительно друг друга точки на волне будут разлетаться быстрее чем относительно центра. и наблюдатель на точках ограничен тем что может видеть только скорость с которой он движется относительно центра. Простите может сумбурно написал и не подкрепил формулами, просто теоретически порассуждать интересно.
quverty
04.08.2016 13:37Ту ещё может быть интересен пост Сина Кэрролла «The Universe Never Expands Faster Than the Speed of Light»
Mad__Max
05.08.2016 02:02Забавное «опровержение» — в 1м пункте вешает лапшу наивным читателям в наглую подменяя понятия когда играет с единицами измерений. А в 3м по сути сам же себе(и заголовку) противоречит соглашаясь, что во вселенной были (на инфляционной стадии) и прямо есть сейчас объекты удаляющиеся друг от друга со скоростью больше скорости света. Но это видите-ли нельзя называть расширением со скоростью больше скорости света! Почему? Потому что ему такая формулировка просто не нравится.
Хотя к самому пространству само понятие скорости действительно некорректно применять. Причем независимо от того — выше эта скорость чем скорость света или нет — оно никуда не движется, поэтому и никакой скорости у него в общем-то нет. Но для любого «обычного» человека (а он возмущается использованием этого в научно-популярных статьях, т.е. ориентированных как раз на самых обычных людей, а не на ученых) тот факт, что какое-либо расстояние увеличивается быстрее, чем свет успевает проходить это расстояние означает что расширение(увеличение расстояния) идет со сверхсветовой скоростью.quverty
05.08.2016 13:47Там лапши уже до него было много развешано, он, видимо, пытался играть на похожести английских слов weight/height, чтобы показать, как на бытовом уровне выглядела бы путаница, возникающая со всеми этими скоростями. А в третьем пункте он вряд ли идёт против идеи в заголовке — это, скорее похоже на рассуждения типа, ну ладно хотите неправильными скоростями пользоваться, пользуйтесь, но при чём тут инфляция.
Он ещё приводит ссылку на статью Expanding Confusion, как на более подробное объяснение, но я мельком только её пока просмотрел. На SE по похожему вопросу тоже на неё ссылаются.Mad__Max
08.08.2016 04:41Ну в 1м он просто использовал «грязный трюк» — подменил понятия и приписал своим оппонентам то, что они никогда не делают — классические прием демагогии. Чтобы показать якобы ошибочность таких рассуждений (о сверхсветовом расширении) показал мнимое несовпадение сравниваемых величин:
показывает постоянную Хаббла у которой размерность 1/время (единица измерения 1/секунду, хотя чаще используют км/с на Мегапарсек, но расстояния в числителе и знаменателе сокращаются остается единица деленная на время) и скорость, включая скорость света у которой размерность расстояние на время (единица метров/секунду)
И пишет — ну вот видите, это же вещи абсолютно не сравнимые, смотрите они даже в разных физических единицах изменяются и имеют разную размерность — это как сравнивать высоту с весом (в русском аналогия сравнивать теплое с мягким).
Вот только никто саму постоянную Хаббла со скоростью света и не сравнивает, когда пишут о расширении быстрее скорости света. А говорят о 2х очень далеких объектах (или даже не физических объектах, а просто точках в пространстве), скорость их взаимного разбегания это: расстояние умножить на постоянную Хаббла. Размерность получается расстояние / время. Единицы метры/секунду.
И вот эту скорость, со скоростью света сравнивать никто запретить не может — размерность одна, единица измерения одинаковая.quverty
08.08.2016 13:56Можно и длину с весом пытаться сопоставить, ведь на самом деле вес тоже не напрямую определяют, например, на пружинных весах и разных их модификациях измеряется некое изменение расстояния при деформации. Потом используют закон Гука, чтобы перейти к весу (хотя на самом деле в данном случае обычно интересует масса предмета, причём инертная, а не гравитационная, но не будем дальше усугублять). Ну вот давайте умножим длину на коэффициент упругости и получим сопоставимые единицы. Только вот при малых деформациях это приемлемо, а при больших нет.
Зачем подозревать Кэрролла в каких-то нехороших намерениях («подмена понятий», демагогия, «грязные трюки») даже если с чем-то несогласны? Он свою точку зрения высказывает, используя стандартные приёмы чтобы сделать изложение более понятным. Неверных сведений он, вроде, не сообщает, а вот корректно ли предположение Итана, что можно куда-то не успеть из-за расширения Вселенной
Взять себя в руки и начать межгалактические путешествия так быстро, как только сможем, пока не поздно. Сегодняшняя Вселенная исчезает из-за расширения пространства.
не совсем понятно, хотя я обеими руками за развитие космических исследований.
Mad__Max
10.08.2016 00:33Почему подозревать? Он использовал конкретный прием демагогии, называемый подмена тезиса В обиходе называемый подменой понятий.
Суть которого сводится к: припиши оппоненту какое-нибудь неверное (или вовсе бредовое) утверждение, которого он не делал(но близкое или похожее по формулировке на то, что он говорил/писал) и начинай его смачно «громить». В результате на самом деле демагог «громит» не оппонента, а лишь собственную придуманную ерунду, но у невнимательного читателя создается впечатление что опроверг именно оппонента(тов).
На просторах интернета это встречается сплошь и рядом, но как-то странно когда до этого уровня скатывается ученый. Пусть и не в научной работе, а лишь в научно-популярной заметке.
Насчет Итана — тут он конечно нагнетает драматизма, но по сути он прав. При условии конечно, что правильны общепринятые сейчас космологические модели и физические законы на которые он ориентируется: с каждым прошедшим годом, количество объектов хотя бы потенциально (теоретически) достижимых для нас становится все меньше и меньше. Речь конечно о самых дальних объектах — из других галактик. Наша собственная галактика со всем ее содержимым (включая несколько сот миллиардов звездных систем) и ближайшие соседи никуда от нас не убегут. Ну и происходит это по человеческим меркам ну очень медленно. Поэтому формально прав, но излишне «нагнетает».
xxvy
04.08.2016 14:12Я некоторое время назад придумал (в голове) телескоп со сверхразрешающей способностью. Принцип действия у него такой. Берём обычный телескоп, который может разрешить две звезды, на угловом расстоянии 1 градус (пусть будет градус, для простоты). Направляем его на две звезды, видимые под углом полградуса, например. Получается в наш телескоп мы не можем видеть эти звёзды раздельно. Они будут сливаться в одно светлое пятно.
Теперь, не меняя направления телескопа, начинаем его разгонять в сторону наблюдения. И разгоняем его до 0.9c. По формулам Лоренца пространство будет казаться телескопу сплющеным вдоль оси движения, и наблюдаемые звёзды, внезапно, будут казаться ближе в два раза. И угол между ними будет уже не полградуса, а градус. т.е. наш телескоп теперь сможет их «разрешить».
Да, я знаю, что спектр звёзд «поедет». Но это можно компенсировать, заранее рассчитав оптику под изменённый спектр (ну или свободно наблюдать ИК диапазон через обычную оптику).
Собственно вопрос знатокам физики — действительно ли будет наблюдаться такое увеличение разрешения? (технические детали с разгоном телескопа пока опустим)
justiq
05.08.2016 21:57Локальные кластеры не расширяются. Андромеда наоборот на Млечный Путь идет, и когда-то будет одна Милкдромеда
nkie
небольшой офтоп по теме ОТО (прошу сильно не пинать, но не могу не спросить, так как давно интересует этот вопрос). В ОТО пустулируется эквивалентность между объектом в инерциальной системы отсчета, движущейся с ускорением и объектом, находящемся в поле тяготения. Т.е. происходит замедление времени и прочие интересные штуки. В СТО же говорится что что замедление времени зависит от скорости (а не от ускорения как в ОТО). Хотелось бы понять, где правда.
kovyl
/me полный нуб в физике, но не видит тут никаких противоречий. Время — хлипкая штука. Изгибается от всего, чего угодно. СТО рассматривает инерциальные системы отсчета и утверждает, что в них время может замедляться. Т.е., для этого достаточно лишь скорости. С другой точки зрения, ОТО вводит в рассмотрение не инерциальные системы и утверждает (не противореча СТО), что время может гнуться еще и от гравитации.
Не так?
nkie
На сколько я понимаю, на величину запаздывания времени влияет именно ускорение. Т.е. к примеру некий объект начинает ускоряться относительно другого. Во время действия этого ускорения его внутреннее течение времени начинает замедляться (относительно первого). Далее ускорение останавливается и два тела двигаются относительно друг друга равномерно с определенной скоростью. И вот здесь уже можно применить СТО уже как бы по факту. Причиной вот этого произошедшего замедления течения времени было ускорение, но так как скорость зависит от ускорения, то это замедление можно выразить и из скорости. Фигурально выражаясь, ускоряясь объект как бы ныряет на все большую глубину, где течение медленнее. И скорость этого течения пропорциональна глубине. Вот как-то так я понимаю.
OKyJIucT
Я тоже не профессор, но думаю, вы правы (основываясь на том, что я читал).
Как я понял, СТО являет собой частный случай ОТО, где эффекты, которые наблюдаются под воздействием ускорения или гравитации в ОТО, наблюдаются также и на скоростях, близких к скорости света.
Pshir
В СТО рассматриваются инерциальные системы отсчёта (движущиеся без ускорения). Она просто не отвечает на те вопросы, на которые отвечает ОТО.
olgerdovich
" объектом в инерциальной системы отсчета, движущейся с ускорением " — это как? инерциальная СО, ЕМНИП, это как раз такая, которая движется без ускорения.
Возможно, вы имели в виду «объект, движущийся с ускорением в инерциальной СО»?