Показанные здесь звёзды, галактики и скопления связаны гравитацией и не будут расширяться вместе со Вселенной
У расширения Вселенной длинная и поразительная история. Когда Хаббл впервые заметил взаимосвязь между расстоянием от нас до галактики и красным смещением её света, он сразу же понял, что это – последствия общей теории относительности Эйнштейна. Когда Хаббл объявил о своём открытии, Эйнштейн сразу же отрёкся от своей космологической константы – «дурацкого фактора», призванного держать Вселенную статичной – и назвал его своим величайшим промахом. Но в то время, как пространство между галактиками расширяется, атомы, люди и планеты сохраняют свой размер. Чем же это определяется? Наш читатель хочет выяснить:
Каков имеется в виду масштаб размеров, когда идёт речь о расширении Вселенной? Значит ли это, что планковская длина непостоянна? Растут ли орбиты атомов вместе с этим растяжением пространства или этому препятствует сильное взаимодействие?
Модель растущей Вселенной «хлеб с изюмом», где относительные расстояния увеличиваются с расширением пространства (теста)
Расширение Вселенной сложно себе представить – ведь оно совсем не интуитивно. Лучшей аналогией, возможно, будет представить себе ткань пространства в виде комка теста, подвешенного в печке при нулевой гравитации. При выпекании хлеб подходит на дрожжах и равномерно расширяется во всех направлениях. Но это аналогия для пустого пространства. Что, если бы вы хотели представить пространство, в котором есть материя: протоны, атомы, люди, планеты, галактики, скопления? Есть два способа того, как представить себе это расширение.
Один – поверхность шарика с приклеенными к ней монетками. Монетки не меняются, а шар надувается. Вселенная становится всё больше, и всё пространство между отдельными частицами – или отдельными галактиками – также растёт. Кажется, что монетка удаляется от своих соседей с определённой скоростью, а монетка, расположенная в два раза дальше, будет удаляться в два раза быстрее. И каждой монетке будет видеться то же самое: воспринимаемая скорость и красное смещение (растяжение) света будет зависеть исключительно от расстояния до монеты, на которую вы смотрите. Именно это у нас и происходит, и это было известно с 1920-х. Именно такое взаимоотношение и существует во Вселенной, что продемонстрировал нам закон Хаббла.
Ещё один способ представить себе расширение – это взять шарик, на котором объекты нарисованы. При надувании шарика и растяжении поверхности расширяются и отметки краской. Конечно, удалённые объекты будут отодвигаться в соответствии с законом Хаббла, но в нашем случае они и сами будут раздуваться вместе с тканью пространства.
Так что же происходит во Вселенной? На каких масштабах расширяется пространство? Мы можем, во-первых, изучить саму Вселенную. Наблюдая за отдалёнными галактиками, мы должны зарегистрировать красное смещение и уменьшение их массы, поскольку чем дальше галактика, тем раньше она появилась.
Это мы видим, но также вы видим и другие важные особенности:
• У галактик с большим красным смещением есть те же самые линии спектра – а это значит, что свойства и размеры атомов, существовавших миллиарды лет назад, не отличаются от сегодняшних.
• Физический размер галактик определяется исключительно их массой. У галактик одной массы, как у старых, так и у новых, одинаковый размер.
• Принцип формирования космических сетей (крупномасштабных структур) зависит только от количества имеющейся массы в определённом участке пространства.
Получается, что нам ближе будет аналогия с монетками, чем с краской. Наблюдая за Вселенной, мы видим, что ткань пространства расширяется всегда, если только ей не мешает другая сила, стягивающая объекты вместе. Это полностью укладывается в теоретическую базу, поскольку, несмотря на распространённое мнение, расширение – это не сила, а скорость. Когда что-то связывается вместе, то становится неважным, какая сила его связывает, будь то ядерная сила в протонах и ядрах атомов, электромагнитная сила в атомах, клетках и людях, или это гравитация в случае планет, звёзд, галактик и скоплений.
Скопление Волос Вероники
Хотя ткань пространства расширяется сама по себе, она расширяется с определённой скоростью на единицу длины. (По сути, это величина с размерностью обратного времени). Приблизительно выходит, что если сила между двумя объектами заставляет их притягиваться быстрее, чем пространство между ними увеличивается из-за расширения Вселенной, но они уже превращаются не в «краску», а в «монетки». Наши тела связаны вместе, каждый атом связан вместе, локальная группа галактик уже связана вместе, и даже всё скопление Волос Вероники связано вместе. Но важно помнить, что всё относительно. Расширение Вселенной не влияет на нашу локальную группу и на всё внутри неё, потому что наша локальная группа слишком крепко связана – но выйдите за её пределы, и пространство будет продолжать расширяться. Именно поэтому удалённые галактики и другие связанные структуры отдаляются от нас, хотя все они локально привязаны к своему участку космоса.
Но мы можем отправиться на поиски сколь угодно малых регионов пространства там, где такой связи нет, где нет материи, и обнаружим, что регион любого размера – несколько световых лет, километров, микронов, диаметров протона или длин Планка (или ещё меньше) – расширяется по закону Хаббла. Скорость расширения пространства в ОТО позволяет рассматривать ткань пространства так, будто она полностью непрерывна, и её не надо квантовать, как в квантовой физике. Это остаётся верным для расширения Вселенной ровно до тех пор, пока вы не поместите в неё связанную структуру! Не существует какого-то фундаментального ограничения на то, каким малым может быть участок пространства, расширяясь при этом, но для этого он должен быть либо пустым, либо достаточно большим для того, чтобы существующая структура не смогла перебороть расширение.
Комментарии (31)
zookko
21.06.2017 15:48Перечитал, да так и не понял — увеличивается планковская длина или нет? Будет она больше через гуглолиард лет?
vvatest
21.06.2017 16:02В статье же написано, что нет, не будет :). Метр пустоты не меняется, он так и остается метром пустоты. Грубо говоря увеличивается количество пустоты во вселенной. Можно сравнить расширение с ветром. Если вы сидите за столом ветер относит от вас лист бумаги, если вы его не удерживаете. Удерживать может все что угодно: гравитация, сильное взаимодействие, что угодно, лишь бы оно было. Я так эту статью понял :)
erwins22
21.06.2017 16:27Все немного хуже. В ОТО нет линейки с сантиметром.
coturnix19
23.06.2017 08:41есть массы — значит есть и линейки
Turilion
23.06.2017 16:04Нет в ОТО массы, есть масс-энергия, или суммарная энергия, т.к. масса-энергия есть суть одно и тоже и «может перетекать одно в другое»
vanAken
21.06.2017 20:54+1Больше сыра — больше дырок, больше дырок — меньше сыра. Больше сыра — меньше сыра?
Alexsandr_SE
21.06.2017 16:14Пустота между электроном и ядром растет?, а между орбитами электронов? Где граница между свободное место есть и пустота растет и рост свободного места сдерживается?
tnenergy
23.06.2017 16:17-1Нет, не растет. Расширение затрагивает только несвязанные системы. Если представить себе один атом в расширяющейся вселенной, то пространство как бы будет "течь" во все стороны, а расстояние между электроном и ядром меняться не будет.
erwins22
24.06.2017 00:48+2Это ересь. Галактические кластеры связаны гравитационно, но тем не менее они расширяются.
kauri_39
24.06.2017 16:34Объединяя вашу мысль и мысль erwins22, можно уточнить, что расширение затрагивает лишь те системы, сила связи в которых меньше движущей силы их внутренней расширяющейся среды. Поэтому, например, сила притяжения между электроном и ядром в атоме успешно противостоит силе расширения эфира/вакуума во внутриатомном объёме, а сила притяжения кластеров в противоположных краях войда уступает силе расширения его внутренней среды.
Мне очень понравилось, как вы представляете расширение пространства Вселенной относительно наблюдателя. Будь он хоть атом или человек с телескопом, фиксирующим красное смещение галактик, от него расширяющееся пространство действительно "как бы будет "течь" во все стороны". В любой другой точке, с другим наблюдателем, пространство будет "течь" от него.
Тогда в объяснении космологического красного смещения в спектрах галактик необходимо учитывать это движение расширяющейся среды — навстречу летящим от галактик волнам света. Его как раз учитывает эффект Доплера. Чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью её уносит от нас расширяющаяся среда (эфир/вакуум). И тем большее растяжение длины её световых волн (красное смещение) будет вызывать встречный поток этой среды, который волны преодолевают на пути к нам.
Это почти тот же классический пример с поездом. Когда поезд удаляется от нас в неподвижном воздухе, растёт длина его звуковых волн, а частота их уменьшается. Но если поезд неподвижен относительно окружающего его воздуха, и вместе с потоком воздуха он удаляется от нас, то эффект будет тот же. Звуковые волны, которые идут к нам во встречном для них потоке воздуха, перейдут на низкий тон — их длина увеличится.
Таким образом, можно объяснить космологическое красное смещение не влиянием масштабного фактора, а эффектом Доплера. То есть наблюдаемым расширением пространства во все стороны, причём со всё возрастающей скоростью, что в итоге приводит к образованию космологического горизонта событий. Или я в чём-то заблуждаюсь?
YMA
21.06.2017 16:23Тоже не совсем понятно:
— есть некий процесс увеличения (растягивания, генерации) пространства, который происходит с постоянной (уменьшающейся/увеличивающейся) скоростью?
— тогда текущие стабильные орбиты планет сложились уже с учетом этого процесса, и, если он неожиданно прекратится — Земля упадет на Солнце? А если он неожиданно ускорится в 10^N раз — Земля улетит от Солнца?
— орбитали электронов в атомах тоже именно такие как сейчас — из-за расширения пространства?
— или расширение пространства вообще никак не влияет на макро- и микро- мир?tnenergy
23.06.2017 16:19есть некий процесс увеличения (растягивания, генерации) пространства, который происходит с постоянной (уменьшающейся/увеличивающейся) скоростью?
Скорость увеличивается, но это никак не затрагивает связанные системы.
тогда текущие стабильные орбиты планет сложились уже с учетом этого процесса, и, если он неожиданно прекратится — Земля упадет на Солнце? А если он неожиданно ускорится в 10^N раз — Земля улетит от Солнца?
Нет, расширяющееся пространство никак не влияет на гравитационную связь Земли и Солнца.
или расширение пространства вообще никак не влияет на макро- и микро- мир?
Никак. Только если нет взаимодействия между объектами, то их будет относить друг от друга. Но стоит появится притяжению, расширение сразу перестанет влиять.
coturnix19
24.06.2017 00:00Нет, расширяющееся пространство никак не влияет на гравитационную связь Земли и Солнца.
— расширение «по-инерции» не влияет, но если космологическая постоянная отличная от нуля то влияет, только очень слабо и это влияние никак не меняется со временем, поэтому не заметно.
Никак. Только если нет взаимодействия между объектами, то их будет относить друг от друга. Но стоит появится притяжению, расширение сразу перестанет влиять.
— как минимум оно будет влиять на энергию связанных состояний, а если космологическая «постоянная» еще и не постоянна меняется со временем (как например в модели «большого разрыва») то это будет приводить к излучению энергии связанными системами. (Хотя не знаю, может и не будет)
YMA
24.06.2017 16:10Только если нет взаимодействия между объектами, то их будет относить друг от друга. Но стоит появится притяжению, расширение сразу перестанет влиять.
А на каком расстоянии между объектами притяжение пропадает совсем? Оно квантуется? Как я понимаю — Земля притягивается к Солнцу, но при этом еще и к центру нашей галактики, и к Великому Аттрактору — наверное, а может и еще к чему-нибудь?
artemt
21.06.2017 18:17«Когда Хабл заметил», «когда Хабл открыл»; хотя бы из вежливости надо было упомянуть Фридмана и Леметра
tnenergy
23.06.2017 16:20+1А еще Генриетту Ливит и Сейферта. Наука делается по цепочке многими людьми, что теперь, всех вспоминать в каждом предложении?
artemt
26.06.2017 09:32И однако, Жорж Леметр раньше Хаббла сформулировал зависимость между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них, оценил «постоянную Хаббла» и предложил теорию расширяющейся вселенной, независимо от Фридмана
HappyUser
21.06.2017 18:17Наверно очень глупый вопрос, но: Почему у фотона нет массы?
Самые толковые определения, которые я видел — вычисление массы из формул, в которых за аксиому взято, что скорость света является максимальной. Но тут получается, что «в книжке написана правда, потому что так написано в этой книжке»
SLY_G
21.06.2017 18:19Очень хороший вопрос.
Вот в этой статье подробно разбирается:
https://geektimes.ru/post/289863/HappyUser
22.06.2017 12:21Спасибо за ссылку. Как я понял, свет можно сравнить с давлением: частица находящаяся над поверхностью земли создает давление на землю через другие частицы, но сама не контактирует с поверхностью, но давление точечное и создается частицей в непосредственном контакте с поверхностью (т.е. распространяется как волна, но в точке взаимодействия выглядит как взаимодействие с частицей), тогда становиться ясно, что для фотона время не идет (грубая интерпретация того что в статье https://geektimes.ru/post/281582/), а распространяется только давление (нет перемещения самой материи), соответственно фотон появляется только в момент взаимодействия. Тогда получается, что нет изменения его скорости и траектории от гравитации, есть только увеличения его пути (траектории движения волны давления света сквозь пространство). Тогда возникает вопрос — черная дыра сильно искривляет пространство, но если траектория распространения проходит не через непосредственную материю (грубо говоря поверхность ЧД, но не ее горизонт событий), то он должен выйти из горизонта событий. Сейчас это может не наблюдаться, потому что не факт, что прошло достаточно времени (чем ближе поверхность ЧД, тем сильнее растянуто пространство, а значит и увеличено расстояние для прохождения светом) с момента образования первой ЧД и времени для преодоления светом этого расстояния + ЧД постоянно набирают массу увеличивая расстояние.
tmaxx
24.06.2017 02:08За аксиому взят факт, что скорость света является постоянной во всех
системах отсчета. Из этого (и из принципа относительности) следует, что она же является максимальной. Эти 2 аксиомы считаются верными, потому что (пока) подтверждаются экспериментами.
LanMaster
23.06.2017 10:36Расширение Вселенной не влияет на нашу локальную группу и на всё внутри неё, потому что наша локальная группа слишком крепко связана
— если я правильно понимаю, расширение Вселенной таки влияет на нашу локальную группу и всё внутри неё, просто это влияние меньше, чем внутренние гравитационные силы, «стягивающие» скопившуюся материю, и получается, что Итан подобными выражениями только запутывает и без того запутанное.
Turilion
Вот щаз вот вообще не понятно… Ну точнее, я понял что я прочитал, но физический смысл данных явлений, а точнее принцип для меня остался загадкой. При том, что я относительно неплохо понимаю ОТО.
kauri_39
Рекомендую прочитать мою первую публикацию. Ни шарик с монетками, ни шарик с рисунками здесь не катит. Потому что при раздувании того или другого шарика снижается плотность его расширяющейся резиновой плёнки. А энергетическая плотность эфира/вакуума при его расширении не снижается, что выражается в понятии "космологическая постоянная".
Поэтому стыкуем к нашему 4-х мерному пространству — в каждой его точке — дополнительное 5 измерение, и через него качаем в пространство новые его кванты. Они постоянно уплотняют эфир/вакуум, отчего тот тут же и постоянно расширяется, приводя свою плотность к известной константе.
Почему тела, галактики и скопления галактик не расширяются? Из-за механизма гравитации: материя поглощает кванты пространства, вакуума или эфироны эфира. Говоря словами Ньютона, плотность эфира в телах и массивных объектах постоянно снижена, поэтому к ним постоянно притекает внешний более плотный эфир, что и создаёт их гравитацию со всеми её свойствами — искривлением пространства и замедлением хода времени (снижением частоты фотонов). О возможной природе гравитации Ньютон написал в 3 книге "Оптика", в 21 вопросе.
По-моему, Итан сочиняет, Хаббл не верил в эйнштейновский механизм покраснения фотонов, а объяснял его "усталостью света".
Интересно разобраться с космологическим покраснением фотонов. Его представляют как увеличение длины электромагнитной волны по мере расширения пространства. Вроде всё просто. Однако энергия/частота фотона, других частиц материи зависит от плотности окружающей их среды, а она постоянна, как космологическая константа. Может быть свет от далёких галактик краснеет из-за эффекта Доплера? Ведь их фотоны летят к нам навстречу расширяющемуся пространству (с постоянной плотностью). В любой точке Вселенной её пространство расширяется от этой точки. Вот это пространство и растягивает волны фотонов — как будто не сам поезд удаляется от нас, а удаляется воздух, переносящий к нам его звуковые волны. И почему этот аспект не рассматривается космологами?
erwins22
Эфир… объясните замедление скорости распада частиц?
"Поэтому стыкуем к нашему 4-х мерному пространству — в каждой его точке — дополнительное 5 измерение, и через него качаем в пространство новые его кванты." —
Из-за механизма гравитации: материя поглощает кванты пространства, вакуума или эфироны эфира.
blackswanny
Аналогично. Я был уверен, что после этого обьяснения будет численный рассчет