Взгляд на чрезвычайно отдалённую часть Вселенной открывает нам галактики, движущиеся от нас с огромными скоростями. На таких расстояниях галактик видно больше, они меньше по размеру, не такие развитые и удаляются с большими красными смещениями, чем те, что расположены недалеко
Когда вы смотрите на удалённую Вселенную, вы повсюду видите галактики – во всех направлениях, на все миллионы и миллиарды световых лет. Человечеству доступны для наблюдения примерно два триллиона галактик, а общая сумма всего, что есть во Вселенной, гораздо больше и невероятнее, чем большинство из нас может себе представить. Один из наиболее сбивающих с толку фактов состоит в том, что все видимые нами галактики в среднем подчиняются одному правилу: чем дальше они от нас, тем быстрее, по-видимому, они движутся в сторону от нас. Это открытие, сделанное Эдвином Хабблом со своими помощниками в 1920-х, привело нас к картине расширяющейся Вселенной. Но что означает, что Вселенная расширяется? Наука знает это, а теперь будете знать и вы!
Чем дальше мы смотрим, тем более древнюю и неразвитую Вселенную видим. Но это только если Общая теория относительности применима ко Вселенной и управляет её расширением.
1) Во что расширяется Вселенная? Это один из вопросов, звучащих разумно, поскольку всё остальное, что может расширяться, состоит из материи и существует в рамках пространства и времени Вселенной. Но сама Вселенная – это и есть пространство и время, и оно содержит всю имеющуюся материю и энергию. Говоря о «расширении Вселенной» мы имеем в виду, что расширяется пространство, и мы видим, что отдельные галактики и их скопления разлетаются друг от друга. Лучшая из визуализаций этого процесса – это тесто с изюминками, поднимающееся в результате выпекания в печи.
Модель «хлеба с изюмом» расширения Вселенной, в которой относительные расстояния увеличиваются при расширении пространства (теста).
Тесто – ткань пространства, изюминки – связанные структуры (галактики или группы/скопления галактик), и с точки зрения любой изюминки все остальные двигаются от неё, и чем дальше изюминка, тем быстрее она убегает. Только в случае Вселенной нет никакой печки и воздуха снаружи теста; есть только тесто (пространство) и изюминки (материя).
Красное смещение вызывается не движением галактик от нас – красное смещение света, путешествующего от удалённых точек пространства к нам, происходит из-за растяжения пространства между нами и галактиками
2) Откуда нам знать, что расширяется ткань пространства – может, это просто галактики движутся с разными скоростями? Если объекты движутся от вас по всем направлениям, то, возможно, пространство между вами и ими расширяется; но это лишь одна из возможностей. Также звучит разумным, что вы могли оказаться в центре взрыва, и многие объекты просто оказались дальше от вас и двигаются быстрее сегодня, поскольку приобрели больше энергии во время взрыва. Если бы это было так, то выделялись бы два свидетельства этого:
- На больших расстояниях галактик с высокими скоростями было бы меньше, поскольку они бы разлетались в стороны в пространстве с течением времени.
- Соотношение красного смещения и дальности на больших расстояниях имело бы весьма определённую форму, отличающуюся от того случая, когда расширяется ткань пространства.
Разница между объяснением на основе простого движения (пунктир) и предсказаниями ОТО (сплошная) для расстояний в расширяющейся Вселенной. Нашим наблюдениям однозначно соответствуют предсказания ОТО.
На больших расстояниях плотность галактик оказывается выше, чем поблизости от нас. Это совпадает с картиной, в которой расширяется пространство, поскольку заглядывать вдаль – это всё равно, что заглядывать в прошлое, где расширение было не таким сильным. Мы также видим, что отношение красного смещения к расстоянию у далёких галактик совпадает с картиной расширения ткани пространства, и вовсе не совпадает со случаем, когда галактики просто движутся от нас. На этот вопрос наука даёт ответ двумя очень разными способами, и оба ответа поддерживают вариант расширяющейся Вселенной.
График видимой скорости расширения (ось y) в зависимости от расстояния (ось x) совпадает со Вселенной, быстрее расширявшейся в прошлом, но до сих пор расширяющейся сегодня. Это современная версия наблюдения, расширяющая дистанции в тысячи раз по сравнению с тем, что делал Хаббл. Отметьте, что точки не лежат на прямой, что говорит об изменении скорости расширения со временем
3) Всегда ли Вселенная расширялась с одной скоростью? Мы называем эту скорость постоянной Хаббла, но она постоянна по всему пространству, а не по всему времени. Вселенная сейчас, сегодня, расширяется медленнее, чем это было в прошлом [Вот тут Итан объясняет, почему расширение замедляется, а галактики разлетаются всё быстрее / прим. перев.]. Когда мы говорим о скорости расширения, имеется в виду скорость на единицу расстояния: сегодня это порядка 70 км/с/Мпк (километров в секунду на мегапарсек; мегапарсек – 3 260 000 световых лет). Но скорость расширения зависит от плотности всего, что есть во Вселенной, включая и материю с излучением. С расширением Вселенной материя и излучение внутри неё становятся менее плотными, и с падением плотности материи и излучения падает и скорость расширения. Вселенная в прошлом расширялась быстрее, и замедляется со времён горячего Большого взрыва. Постоянная Хаббла названа так не очень точно; её надо бы назвать параметром Хаббла.
Варианты отдалённой судьбы Вселенной предлагают несколько возможностей, но если тёмная энергия действительно является постоянной, о чём говорят наши данные, то Вселенная будет продолжать следовать красной кривой
4) Будет ли Вселенная расширяться вечно, или она когда-нибудь остановится, или даже сожмётся обратно? Множество поколений этот вопрос был святым Граалем космологии и астрофизики, и на него можно было ответить, только определив как скорость расширения Вселенной, так и все присутствующие в ней типы и количества энергии. Теперь мы успешно измерили, сколько нормальной материи, излучения, нейтрино, тёмной материи и тёмной энергии присутствует в ней, а также скорость расширения Вселенной. На основании законов физики и прошлых событий весьма вероятным кажется то, что Вселенная будет расширяться вечно. Хотя эта вероятность не равна 100%; если что-то, к примеру, тёмная материя, будет вести себя в будущем по-другому, не так, как в прошлом или сегодня, все наши выводы придётся пересмотреть.
5) Есть ли галактики, убегающие от нас быстрее скорости света, и не запрещено ли это? С нашей точки зрения пространство между нами и любой удалённой точкой расширяется. Чем дальше что-то находится, тем быстрее оно удаляется от нас. Даже если бы скорость расширения была крохотной, достаточно далёкий объект в итоге преодолел бы порог любой конечной скорости, поскольку скорость расширения (скорость на единицу расстояния), помноженная на достаточно большое расстояние, даст вам любое значение скорости. Но ОТО этого не запрещает! Закон, запрещающий движение быстрее света, применим только к движениям объектов в пространстве, а не к расширению самого пространства. На самом деле сами галактики двигаются со скоростями порядка сотен или тысяч км/с, что гораздо меньше, чем 300 000 км/с, ограничение скорости, устанавливаемое светом. Убегание и красное смещение вызвано расширением Вселенной, а не истинным движением галактики.
Внутри наблюдаемой Вселенной (жёлтый круг) есть примерно 2 триллиона галактик. До галактик, находящихся на расстоянии большем, чем треть пути от нас до границы, никогда нельзя будет добраться из-за расширения Вселенной, поэтому объём, открытый для изучения человеком, составляет всего 3% от наблюдаемой Вселенной
Расширение Вселенной – обязательное следствие наличия материи и энергии, заполняющей пространство-время, подчиняющееся ОТО. Пока есть материя, есть гравитационное притяжение, поэтому либо гравитация выигрывает и всё сжимается, либо гравитация проигрывает и выигрывает расширение. Нет никакого центра расширения, нет ничего за пределами пространства, куда расширялась бы Вселенная; расширение испытывает сама ткань Вселенной, везде и постоянно. И что самое обидное, даже если бы мы сегодня покинули Землю и отправились бы в путь со скоростью света, нам оказались бы доступными лишь 3% галактик из всей наблюдаемой Вселенной; 97% из них уже за пределами наших возможностей. Вселенная может быть сложным местом, но, по крайней мере, теперь вы знаете ответы на пять из наиболее часто запутывающих всех вопросов!
Комментарии (26)
Alvander
22.05.2018 16:44+1Прошу прощения за очень глупый вопрос. А почему вообще красное смещение галактик так уверенно связали с эффектом Доплера? Разве не может объясняться это каким-то другим образом, например Рэлеевским рассеиванием из-за наличия космической пыли, потери энергии фотонов на больших расстояниях? Ведь мы не можем удостоверится в свойствах света при прохождении таких гигантских расстояний? Есть ли другие признаки расширения вселенной?
Victor_koly
22.05.2018 17:37Мы видим спектр света, в основном — линии поглощения в газе далеких галактик. Их соотношение видимо соответствует гипотезе о том, что все фотоны теряют свою энергию пропорционально имеющейся энергии.
Рэллеевское рассеяние явно не дает подобного результата с фотонами, так как при нем другая форма зависимости от длины волны должна быть.
P.S. Но красное смещение связали с эффектами ОТО, а не чистого СТО. И вообще не уверен, что можно СТО применять к ситуации, когда «относительная скорость» движения нашего и другого скопления залактик измеряется с разницей 10 миллиардов световых лет.Sane
22.05.2018 23:10А не может ли красное смещение быть связанным с самим пространством? Например, кванты теряют энергию не из-за расширения пространства, а просто из-за длины пробега?
Victor_koly
22.05.2018 23:30Кванты теряют энергию потому, что хорошо работающий в СТО закон сохранения энергии плохо работает для ОТО и меняющейся со временем метрики.
Факт того, что пространство расширилось (по сравнению с моментом старта фотона) и что фотон за это время потерял энергию — это, ИМХО, следствия совсем разных причин. Первое приписывают «темной энергии», а второе я приписываю прочей материи. Да, фотоны тоже будут «притягивать друг друга», если Вы сможете рассмотреть эволюцию Вселенной от стадии, когда температура фермионов была 100 ГэВ, до такой, когда фотоны уже имели лишь малую долю в общей энергии обычной материи.
Просто наверное так выходит, что в «расширенном» пространстве фотон может улететь в более слабый гравитационный потенциал (более близкий к 0), чем был на момент старта. Условно говоря — пролетает фотон эти 20 млрд. световых лет и теряет много энергии.
P.S. С другой точки зрения, энергия фотона — это такая штука, которую можно преобразовать через метрический тензор. А тензор этот был явно разный в точке старта (r1,0) и в окрестностях Земли (r2,t).
alfalcon
23.05.2018 00:38Существует два красных смещения. На малых расстояниях, для гравитационно-связанных объектов, например в пределах местной группы галактик, преобладает эффект Доплера. Т.е. у удаляющихся объектов красное смещение а у приближающихся синее (фиолетовое) как у Андромеды. А на больших расстояниях уже превалирует космологическое красное смещение, которое объясняется расширением пространства, так как подразумевается скорость на единицу расстояния (объясняется в статье). Чем больше это расстояние тем быстрее объекты удаляются друг от друга и тем больший вклад вносит космологическое красное смещение.
4erdak
23.05.2018 22:51Потому, что ЭД не имеет никакого отношентя к космологическому покраснению, это типичная мантра, которую повторяют в научПОПсе и даже некоторые «ученые», а волны растягиваются потому, что растягивается само пространство, частью которого является волна и расстояние между каждым отдельным фотоном в результате тоже увеличивается за время полета.
wiwrel
22.05.2018 17:47Также прошу прощения за глупый вопрос. Но ведь помимо красного смещения, наверняка есть и синее смещение для галактик приближающихся к нам? Ведь странно было бы если бы Млечный путь был в воображаемом центре Вселенной. Для гипотетического наблюдателя из другой галактики, наша галактика имела бы красное или синее смещение? Или я ничего не понимаю?
Tyusha
22.05.2018 17:54+1Закон Хаббла говорит о средней скорости разбегания. Существует случайная составляющая скорости, как для молекул в газе, но общая тенденция — разбегание. Случайная составляющая невелика, и на больших расстояниях уже нет галактик, приближающихся к нам. Тем не менее вы правы, например, Андромеда летит к нам.
Politura
22.05.2018 18:28Тут стоит уточнить, что Андромеда к нам летит вовсе не потому, что вселенная расширяется. :)
Помимо расширения вселенной, все объекты во вселенной двигаются в основном вокруг центров масс. И пока-что общепринято считать, что так будет многие миллиарды лет до тех пор, пока раширение пространства не станет сильнее гравитации на таких расстояниях, после чего галактики разлетяться в стороны, а потом и распадуться на отдельные звезды.
Politura
22.05.2018 18:22Перечитайте начало статьи еще раз. При расширяющемся пространстве, для наблюдателя в любой точке вселенной все объекты будут разлетаться от него как будто он в центре взрыва. Там приведен пример с поднимающимся хлебом, есть какие-нибудь изюминки, которые движутся навстречу друг другу? Ну или другой пример, возьмите воздушный шарик, надуйте его наполовину, нарисуйте несколько точек на нем и начните опять надувать: расстояние между любыми точками будет всегда увеличиваться, вы не найдете ни одну пару точек, где-бы оно сокращалось. Причем точки, которые близко друг к другу будут раздвигаться медленнее тех, что далеко друг от друга.
wiwrel
22.05.2018 20:09Ясно, то есть получается, что истинно синего смещения не существует? :) Вот так вот, дожил до 30-ти с лишним лет и только сейчас это понял…
gdsmiler
22.05.2018 22:21Если как эффект то существует, да и некоторые галактики двигаются к нам (те что рядом, типа Андромеды), и свет от них тоже подвергается этому же эффекту.
Почему не существует то?
Victor_koly
22.05.2018 19:33На больших расстояниях (скажем за пределами Местной группы) галактики летят от нас в основном.
Но с другой точки зрения отдельные галактики могут выглядеть более «синими» относительно соседних. Это может быть связано с тем, через какой гравитационный потенциал пришлось пройти фотонам от них. Например сначала (на момент испускания света от галактики) в этой области был потенциал меньший, но где-то по пути он вырос.
denisslvr
23.05.2018 06:53Много букв и ничего конкретного. Давно читал о модели части вселенной сделаной в 90-е. Может и враки, но, ото+ классические черные дыры и ещё что- то фундаментальное, предсказали много объектов и т.п. А ещё не могу понять заявление о том что мы ничего не знаем, изучаем маленький кусочек пространства, но мир устроен — вот так!
garryq
23.05.2018 11:11Я вот другого не понимаю (то есть понимаю, но не понимаю, как понимают), и это касается, кстати, и гравитационных волн: если пространство расширяется, то должна расширяться и материя — а в чем разница? То есть изюмины в кексе по идее тоже должны становиться больше по мере распухания кекса, они ведь ничуть не хуже теста.
Может ли Алиса понять, что она выросла, если всё вокруг нее выросло ровно так же, как и она? Не может, если свет не освещать себя фонариком? Но по какому пространству тогда распространяются (любые) волны, в каком пространстве они, поля, существуют? Похоже, простите, на светоносный эфир. Нет?SLY_G Автор
23.05.2018 11:14Изюминки не хуже теста, они просто другие.
Если вернуться к Вселенной, то всё, что сильно удерживается гравитацией или электромагнитными силами, остаётся постоянным. Электроны, протоны и нейтроны не увеличиваются. Атомы не увеличиваются, потому что электрон держит на орбите электромагнетизм. Молекулы, предметы и планеты не увеличиваются по той же причине. Солнечная система и даже вся Галактика не увеличиваются, потому что в данном случае притяжение гравитации сильнее, чем отталкивание тёмной энергии. И даже местное скопление галактик не разлетится, а в итоге сожмётся в одну большую галактику. А вот на больших масштабах гравитация слабее, и там уже всё разлетается.
ShabanovYT
23.05.2018 12:04Интересно:
in-space.ru/nablyudenie-tysyach-dalekih-galaktik-stavit-pod-somnenie-teoriyu-bolshogo-vzryva-i-rasshiryayushhejsya-vselennoj
Получается, что БВ и расширение Вселенной противоречат наблюдениям и основаны только на красном смещении, причиной которого может быть и не эффект Доплера. Ну может еще реликтовое излучение.
Предположим принцип Маха верен, тогда почему для света не должны наблюдаться эффекты взаимодействия со всей массой Вселенной? И как они будут проявляться.
Точные измерения показали, что наша Вселенная плоская.
Victor_koly
23.05.2018 13:22geektimes.com/post/301027/#comment_10800269
Значит так, гипотеза №1. Мы знаем, какие типы звезд светят в этих галактиках. в которых наблюдают слишком большую «массу звезд»?
А по ссылке если смотреть, то несколько триллионов масс Солнца собрать из ТМ и обычного вещества за 780 миллионов лет — это конечно много.
4erdak
23.05.2018 17:52Расширение Вселенной – обязательное следствие наличия материи и энергии, заполняющей пространство-время, подчиняющееся ОТО. Пока есть материя, есть гравитационное притяжение, поэтому либо гравитация выигрывает и всё сжимается, либо гравитация проигрывает и выигрывает расширение
Давно опровергнутая чушь, гравитация всего лишь локальное явление — замедление времени в пространстве с большим скоплением массы. А время является физическим проявлением движения нашего 3-мерного мира(поверхность 4 шара/тора) в 4 измернии со скоростью «с», экстраполяция которого на наш 3-мирок дает космологическую константу — с2?
youtu.be/3OiSoptcEDs
kauri_39
"Тесто – ткань пространства, изюминки – связанные структуры (галактики или группы/скопления галактик), и с точки зрения любой изюминки все остальные двигаются от неё, и чем дальше изюминка, тем быстрее она убегает."
Отсюда шестой вопрос: пространство плотнее материи?
Наверное, их плотности должны быть сравнимы, как сравнимы плотность теста и изюма. Если бы пространство было пустотой, вакуумом, то как его расширение могло бы раздвигать галактики, содержащие в себе плотные тела? Видимо, для решения этого вопроса и проблема космологической постоянной должна решаться в пользу очень большой энергетической плотности пространства.
У кого есть какие мысли по этому поводу? В соседнем посте вроде бы разоблачили EmDrive, отстояли закон сохранения импульса. Однако этот закон давно нарушен космологическим расширением "ткани пространства"! Только прошу учесть, что реальное пространство — физическую среду — не корректно отождествлять с его математической абстракцией в виде пространства-времени. Впрочем, если это поможет прояснить вопрос о плотности пространства и подтвердить закон сохранения импульса, то — пожалуйста...
Tyusha
Материальные объекты (галактики, скопления) «скрепляет» сила гравитации, которая ослабевает с расстоянием. А скорость расширения наоборот растёт с расстоянием. Поэтому, например, галактики расширение вселенной порвать не может, они слишком малы для этого. Но на некотором очень большом масштабе тяготение уже не может противостоять разбеганию. И там наступает однородность, т.е. отсутствуют образования, которые гравитация может скомковать в некие объекты.
kauri_39
Спасибо, это понятно. Не понятно, почему гравитационно связанные объекты разной массы — скопления галактик — разлетаются от нас с одинаковой скоростью, будучи на одинаковом от нас расстоянии. Их движет более плотное пространство?
Вернёмся к тесту — его плотность сравнима с плотностью изюма, поэтому изюминки слушаются плотного расширяющегося теста — движутся вместе с ним. Но почему плотные и массивные скопления должны подчиняться расширению пустоты?
Вот их раскидало Большим Взрывом, иссякла у них инерция движения, и они застыли в нерешительности — то ли коллапсировать, то ли возобновить разлёт. Возобновили, поскольку на полученных расстояниях их стала двигать расширяющаяся между ними среда — тёмная энергия пространства.
Они приобрели немалый импульс, удаляясь друг от друга. Причём без различия их масс, как будто плотность их раздвигающей среды гораздо больше плотности материи любых скоплений. Разве сложно подсчитать её плотность? Или что-то позволяет не замечать импульс скоплений, и продожать считать пространство почти пустотой?
Да, кому нечего сказать по данному вопросу — отметьтесь минусом.
4erdak
Эта фраза ясно подчеркивает ту кашу, которая царит у вас в голове, избавтесь от нее прежде чем задумываться о ввеликом.
Да потому что мухи и котлеты отдельно, изюм НЕ является частью теста и на этом все. Даже ролик вставили в статью, что бы вы быстре соображали: youtu.be/3OiSoptcEDs
А теперь представте, что по этом надувающемся шарике бегает муравей с какой-то своей собственной скоростью и какие выводы из этого вы должны сделать.
Victor_koly
А мне хватает объяснений в том, что эта «энергия среды» создает давление в соответсвии с простеньким уравнением состояния (зависимость давления от плотности энергии):
p = — e
Но закон Хаббла (следствие уравнений эволюции параметров Вселенной) нельзя по идее так просто интерполировать скажем на 10 миллиардов лет в прошлое.
Ведь тогда «плотность теста» (вместе с «изюмом» — обычной и темной материей) была такой большой, что создаваемую её гравитацию в основном компенсировало обычное давление газа, а не давление «темной энергии».
И да, по современным предаставлением ТЭ имеет плотность (в среднем по Вселенной) скажем 74% плотности энергии Вселенной, а ТМ — 22%. То есть это почти в 3.5 раз больше. Значит N миллиардов лет назад их плотность была равна.