Как пространство может двигаться быстрее скорости света?

26 Февраля 2015 в 10:30, Илья Хель 22 093 просмотра 28

Космос

Космологи в душе путешественники во времени. Оглядываясь назад на миллиарды лет, эти ученые способны проследить эволюцию нашей Вселенной в удивительных деталях. 13,8 миллиарда лет назад произошел Большой Взрыв. Спустя доли секунды экспоненциально расширилась Вселенная — за короткий период времени под названием инфляция. В течение последующих эпох космос вырос до огромных размеров, мы даже не видим его краев.

Но как это может быть возможно? Если скорость света знаменует космическое ограничение скорости, как могут существовать регионы пространства-времени, фотоны которых находятся вне нашей досягаемости? А если они и существуют, как нам узнать об их существовании? На этот вопрос ответила Ванесса Янек с UniverseToday.

Расширяющаяся Вселенная

Как и все остальное в физике, наша Вселенная стремится существовать в низшем энергетическом состоянии из возможных. Но спустя 10^-36 секунд после Большого Взрыва, как считают инфляционные космологи, космос пребывал в энергии ложного вакуума — низшей точке, которая на самом деле не была низшей. В поисках истинного надира энергии вакуума, спустя долю секунды, Вселенная раздулась с коэффициентом 1050.

С тех пор Вселенная продолжает расширяться, но с меньшей скоростью. Мы видим свидетельства этого расширения в свете далеких объектов. По мере того как фотоны, выпущенные звездой или галактикой, распространяются по Вселенной, растяжение пространства заставляет их терять энергию. Когда фотоны достигают нас, их длины волн демонстрируют красное смещение в соответствии с дистанцией, которую они прошли.

Вот почему космологи говорят о красном смещении как о функции расстоянии в пространстве и времени. Свет от удаленных объектов путешествует так долго, что когда мы, наконец, видим его, мы наблюдаем объекты такими, какими они были миллиарды лет назад.

Объем Хаббла

Красное смещение света позволяет нам видеть объекты вроде галактик такими, какими они существовали в далеком прошлом, но мы не можем наблюдать все события, которые происходили в нашей Вселенной на протяжении ее истории. Поскольку наш космос расширяется, свет некоторых объектов оказывается попросту слишком далек от нас, чтобы его заметить.

Физика этой границы опирается, в частности, на кусок окружающего нас пространства-времени под названием объем Хаббла. Здесь, на Земле, мы определяем объем Хаббла путем измерения так называемого параметра Хаббла (H0), величины, которая связывает скорость разбегания далеких объектов с их красным смещением. Впервые ее вычислил Эдвин Хаббл в 1929 году, обнаружив, что далекие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной красному смещению их света.

Космос

Два источника красного смещения: Доплер и космологическое расширение. Снизу: детекторы улавливают свет, испущенный центральной звездой. Этот свет растянут, или смещен, вместе с расширением пространства

Разделив скорость света на H0, мы получим объем Хаббла. Этот сферический пузырек охватывает область, в которой все объекты удаляются от центрального наблюдателя со скоростью, меньшей скорости света. Соответственно, все объекты за пределами объема Хаббла удаляются от центра быстрее скорости света.

Да, «быстрее скорости света». Как это возможно?

Магия относительности

Ответ на этот вопрос связан с различием между специальной теорией относительности и общей теорией относительности. Специальная теория относительности требует так называемой «инерциальной системы отсчета», или, если проще, фона. Согласно этой теории, скорость света одинакова во всех инерциальных системах. Если наблюдатель сидит на скамье в парке планеты Земля или взлетает с Нептуна с головокружительной скоростью, для него скорость света всегда будет одинаковой. Фотон всегда удаляется от наблюдателя со скоростью 300 000 000 метров в секунду.

Общая теория относительности, однако, описывает ткань самого пространства-времени. В этой теории инерциальных систем отсчета нет. Пространство не расширяется относительно чему-либо за его пределами, поэтому предел скорости света относительно наблюдателя не работает. Да, галактики за пределами сферы Хаббла удаляются от нас быстрее скорости света. Но галактики сами по себе не преодолевают космические ограничения. Для наблюдателя в одной из таких галактик ничто не нарушает специальную теорию относительности. Это пространство между нами и эти галактики ускоряются и растягиваются экспоненциально.

Наблюдаемая Вселенная

Возможно, следующее вас немного удивит: объем Хаббла — это не то же самое, что и наблюдаемая Вселенная.

Чтобы понять это, рассмотрим, что когда Вселенная становится старше, удаленному свету требуется больше времени, чтобы достичь наших детекторов здесь, на Земле. Мы можем видеть объекты, которые ускорились за пределы нашего нынешнего объема Хаббла, потому что свет, который мы видим сегодня, был выпущен ими, когда они были внутри сферы.

Строго говоря, наша наблюдаемая Вселенная совпадает с чем-то под названием горизонт частиц. Горизонт частиц отмечает расстояние до самого дальнего света, который мы можем наблюдать в этот момент времени — у фотонов было достаточно времени, чтобы либо остаться в пределах, либо догнать мягко расширяющуюся сферу Хаббла.

Космос

Наблюдаемая Вселенная. Технически известна как горизонт частиц

Что с расстоянием? Чуть больше 46 миллиардов световых лет в любом направлении — и наша наблюдаемая Вселенная в диаметре составляет приблизительно 93 миллиарда световых лет, или более 500 миллиардов триллионов километров.

(Небольшая заметка: горизонт частиц — это не то же самое, что космологический горизонт событий. Горизонт частиц охватывает все события в прошлом, которые мы можем видеть в настоящее время. Космологический горизонт событий, с другой стороны, определяет расстояние, на котором будущий наблюдатель сможет увидеть на тот момент древний свет, который излучается нашим небольшим уголком пространства-времени сегодня.

Другими словами, горизонт частиц имеет дело с расстоянием до объектов в прошлом, древний свет которых мы можем наблюдать сегодня; а космологический горизонт событий имеет дело с расстоянием, которое сможет пройти наш современный свет, по мере того как дальние уголки Вселенной будут ускоряться от нас).

Темная энергия

Благодаря расширению Вселенной, есть регионы космоса, которые мы никогда не увидим, даже если будем ждать бесконечное время, пока их свет не достигнет нас. Но как насчет тех зон, которые лежат сразу за пределами нашего современного объема Хаббла? Если эта сфера тоже расширяется, сможем ли мы увидеть эти приграничные объекты?

Это зависит от того, какой регион расширяется быстрее — объем Хаббла или части Вселенной в непосредственной близости от него снаружи. И ответ на этот вопрос зависит от двух вещей: 1) увеличивается или уменьшается H0; 2) ускоряется или замедляется Вселенная. Эти два темпа тесно связаны между собой, но не являются одним и тем же.

По сути, космологи считают, что мы живем во время, когда H0 уменьшается; но из-за темной энергии скорость расширения Вселенной растет.

Может показаться нелогичным, но пока H0 уменьшается более медленными темпами, чем растет скорость расширения Вселенной, общее движение галактик от нас по-прежнему происходит с ускорением. И в этот момент времени, как считают космологи, расширение Вселенной будет опережать более скромный рост объема Хаббла.

Поэтому даже при том, что объем Хаббла расширяется, влияние темной энергии устанавливает жесткий лимит на разрастание наблюдаемой Вселенной.

Космологи ломают голову над глубокими вопросами вроде того, как будет выглядеть наблюдаемая Вселенная в один прекрасный день и как изменится расширение космоса. Но в конечном счете ученые могут только предполагать ответы на вопросы о будущем, основываясь на сегодняшнем понимании Вселенной. Космологические временные рамки настолько невообразимо велики, что невозможно сказать что-то конкретное о поведении Вселенной в будущем. Современные модели на удивление хорошо отвечают современным данным, но правда в том, что никто из нас не проживет достаточно долго, чтобы увидеть, сбудутся ли прогнозы.

Как пространство может двигаться быстрее скорости света?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

28 комментариев

  1. alexxxandr

    Что с расстоянием? Чуть больше 46 миллиардов световых лет в любом направлении

    Земля - центр мира?) (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Sam777

      Меня это тоже всегда смущало. Я объясняю это тем, что все-таки наблюдатель формирует Вселенную вокруг себя, для меня это звучит более логично, чем то что Земля - точка Большого взрыва :)
      Также смущает разная скорость расширения в наблюдаемой и ненаблюдаемой части Вселенной, получается все зависит от наблюдателя опять?
      И про красное смещение - вроде недавно установили среду котороя может изменять постоянную скорость света (типа призму какую-то), возможно если скорость света не константа, то все расчеты с красным смещением не верны.
      Ну а про темную-претемную материю и говорить лишний раз не хочется, заранее придуманная среда с заданными свойствами для оправдания своей теории - это наука уже проходила в прошлом не раз :) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

      • dawson.white

        Так большой взрыв это всего лишь гипотеза. Да, поддерживаемая многими учеными, но гипотеза. Так что может и не было никакого взрыва. Без темной энергии и материи она не состоятельна, а эти два понятия, как вы сказали, просто ввели для оправдания и подгонки результата. Так что не стоит быть таким уверенным в большом взрыве)

      • vinstlow

        Вообще-то это абсурд обращать внимания на центральную точку объема Хаббла, даже не буду пояснять почему. И потом ученые давным-давно перешагнули барьер обычной философии, поймите вы наконец.

    • SuperStarSieve

      Ну, смотрите: то, что мы видим, называется наблюдаемой Вселенной, но это не значит, что там, за ее границами, ничего нет, просто мы находимся в центре этого "обозрения". Представьте, что стоите на земле, в долине, где нет гор, и видите все в радиусе 4.7 километров (допустим, ваши глаза на высоте 1.75 м). Не видите дальше, потому что Земля круглая, но не значит, что за пределами радиуса обозрения ничего нет. Тем не менее, вы находитесь именно в центре круга, являющегося вашей обозримой частью Земли. Понятное дело, что вы можете пойти в сторону, скажем, на 100 метров, но и центр того "обозрения" сместится на 100 метров, потому что вы не сможете расплющить Землю и видеть дальше линии горизонта. То же самое и во Вселенной: если мы видим в радиусе 14.1033629 парсек (46 млрд. св. лет), не значит, что это есть все, что есть (простите за каламбур). Возвратимся на Землю и землю: вот вы решили подняться на 10 метров выше (глаза на уровне 11.75 м над землей) - теперь ваш радиус обзора увеличился на 7.537 км и составил 12.237 километров. Получается, что изменяя ваше положение относительно земли по оси Y вы получаете возможность видеть больше. В случае со Вселенной, такой трюк провернуть не получится. Она не плоская, и двигаясь в каком-либо направлении, как уже ранее упомянул, изменим лишь положение центра окружности-обзора. Поэтому, видимо, нам нужны либо намного более мощные телескопы, либо возможность преодоливать скорость света. ИМХО

      • akos

        "В случае со Вселенной, такой трюк провернуть не получится. Поэтому, нам нужны либо намного более мощные телескопы, либо возможность преодоливать скорость света. Для того, что бы увидеть Вселенную дальше нужно так же "подняться" над Вселенной

  2. alexxxandr

    Что с расстоянием? Чуть больше 46 миллиардов световых лет в любом направлении — Земля в центре мира?)) (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Thir133nth

      Когда вы стоите в поле и смотрите вокруг, то вы видите горизонт вокруг себя на одном фиксированном расстоянии от вас. Относительно вас вы центр обозреваемой вами земли. Так же и с космосом - относительно нас мы в центре космоса. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. scherbachek

    Админы,сделайте на базе сайта отдельный раздел,где будут публиковаться различные изобретения российских учёных, наподобие кикстартера. Где учёные будут собирать деньги для реализации своих изобретений. будем двигать российскую науку. Благо умных и смекалистых людей в нашей стране ещё хватает.

    • Thir133nth

      Спасибо, не надо. Перестал читать другой подобный ресурс только потому что там каждая вторая новость была не про реально интересные мировые научные открытия, а про "мегаразработки" сколково и ко... Видели уже ваших "роботов-квадроциклистов" на операторской тяге, спасибо, нынешний формат ресурса просто шикарный. Этот ресурс потому и читает все СНГ, что он пронаучный а не проплаченный псевдонаучный. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  4. lazil

    1050? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  5. sairon

    Ну это уже абсурд, -мы в центре вселенной. Если так посмотреть на это все зрелище "горизонт частиц" то выводы напрашивается такой, что пространство существует постоянно и бесконечно (что не укладывается у нас в голове) а длинна волны света ограничена в 46 миллиардов световых лет (дальше постепенное угосание или барьер), то есть по сути за горизонтом частиц то же самое что мы сейчас и наблюдаем в горизонте видемого! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  6. ukw@ya.ru

    Если был большой взрыв то мы и есть в центре вселенной, потому что в момент взрыва вселенная была такой маленькой, что центр получается был в любой точке (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  7. zveruga

    Где находится центр вселенной?
    Где случился большой взрыв?
    Если мы наблюдаем красное смещение во все стороны, значит большой взрыв случился на месте нашей планеты?
    Если мы не в центре вселенной, значит в какой то стороне мы должны увидеть синее ( или какое там ) смещение?
    Вселенная расширяется быстрее скорости света за пределами нашей видимости, только из за того что не можем ее наблюдать? А если появятся более совершенные инструменты наблюдения, мы зафиксируем новую скорость или это опять будет обычная скорость света?
    Я тупой!!! (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • SuperStarSieve

      Большой взрыв произошел на Новой Земле в 1961 г. Вот там-то был взрыв что надо!

    • akos

      Искать центр Вселенной - равносильно поискам центра поверхности Земли.
      Где бы Вы не находились , вы можете считать, что находитесь в центре, т.к. расстояние до противоположной точки сферы (земли) во все стороны одинаковое.

  8. ukw@ya.ru

    Бум бара бум!!!!! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  9. sham95

    Бред. Быстрее всего двигается Флеш ))) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  10. sham95

    Бред! Быстрее всего двигается Флэш ))) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  11. bolscho1

    День добрый , хотелось бы поделится своим пониманием описанного , я не силен в красном смещении , и в гипотезе большого взрыва , но с логикой у меня все в порядке , и так как могу ошибаться во многом , просьба строго не судить ,предположим что скопления галактик находятся не в пустоте , а в ранее упомянутом "пространстве" , которое не является ничем , а определенно является "чем то" , куда помещены все эти звезды , галактики и их скопления , как в пространство вашей квартиры помещены мебель и бытовая техника , если вы идете из комнаты на кухню то вы определенно перемещаетесь в пространстве квартиры , тут я бы хотел ввести термин "зацентровано" , пространство квартиры зацентровано и ограничено ее стенами , а следовательно неподвижно относительно ее стен.
    теперь пара вопросов:
    1. если скопления галактик отдаляются друг от друга в процессе расширения вселенной то какие из скоплений неподвижны относительно пространства а какие движутся с огромной скоростью относительно этого пространства.
    2. а что если пространство каждого скопления зацентровано на нем же?
    Если ответ на второй вопрос "да", то что получается - свет испускаемый одним скоплением достигая другого скопления галактик переходит в пространство зацентрованное на этом "другом" скоплении , которое удалялось от первого с некой скоростью , в результате свет должен увеличить свою скорость (скорость света в пространстве первого скопления галактик + скорость второго , удаляещегося скопления галактик) ,ведь скорость света= const , возможно именно в этом переходе между разной центровкой пространств свет и теряет часть своей энергии и смещается к красному спектру(насколько мне известно в фиолетовом спектре радиоволны обладают большей частотой и энергией чем в красном спектре) , если это так то можно предположить что в определенный момент, при множественном переходе через центровки пространства белый свет многократно теряя энергию и многократно смещаясь в сторону меньшей частоты становится просто невидим глазу так как уходит в инфракрасный диапазон.
    вот такие мысли, спасибо за внимание.

  12. glawnui

    может пространство и может двигатся выше скорости света, но мы в нашем видимом мире врядле. если представить себя движащимся вперед на огромной скорости с направленым вперед включеным фонариком, то приближая свою скорость к скорости света излучаемым фонариком, то расстояние до горизонта воспринимаемого нами мира будет сокращатся. например если скорость света в вакууме 300 000 км за секунду, а мы со своим фонариком разгонимся до скорости 299 999, 999 999 км за секунду, то свет будет иметь скорость быстрее нашего движения на 1 мм за секунду, то есть если на своей скорости мы включим фонарик, то увидим как луч света удаляется от отражателя со скоростью 1 мм за секунду, и на второй секунде времени мы будем находится в двух световых секундах от горизонта всех происходящих событий в нашем мире. то есть теоретически, если мы ускоримся еще на 2 целых и одну десятимиллиардную секунды, то выйдем за пределы всех счислительных систем нашего мира, возможно и за пределы времени в том числе, так как и время является неотьемлемой его частью. и фиг его знает что за этим порогом. возможно так мы смогли бы увидеть вселенную с другого ракурса, где уже правит не скорость света, а совсем другие законы и правила. а что если мы на своей огромной скорости развернем наш фонарик в обратную сторону, что тогда? выходит чем ближе будет наша скорость к скорости света, тем длиннее будет становится длина волны излучаемого света из фонарика. ну это уже нужно рисовать) то если приблизиться к скорости света, излучаемая частота упадет относительно статических обьектов до такой степени, что при дальнейшем увеличении скорости нашего движения, для статических обьектов наблюдающих за нами, излучение из фонарика просто прекратится, и мы станем невидимыми для остальных. будем мы оставатся в таком смысле в нашем мире или нет, не ясно. и при том при всем во преки всем логическим мышлениям, эйнштейн на своих формулах обьяснил, что чем ближе мы будем приближатся к скорости света, тем больше енергии должны затратить на наше движение, и с колосальным брибавлением энергии к движению, растояние к световому барьеру не уменьшится пропорционально, а просто будет делится-делится-делится каждый раз на какое-то меньшее за себя число, таким образом бесконечно приближаясь, но ни когда не переступая световой барьер. вот и получается, что вырватся за пределы мира где правит свет, по эйнштейну, не возможно, даже если приложить к нашему движению всю энергию существующую в нашем мире. И все это выглядит как детский манеж в котором мы все находимся, где мир существует даже за пределами дома, но выйти даже за пределы своего манежа мы не можем по определенным законам его прочности. Получается время остановить мы тоже не можем относительно себя, но при изменении скоростей в космосе мы можем замедлять или ускорять свои процессы относительно друг друга, так при определенных условиях время будет протекать для разных обьектов с одной скоростью, но эти процессы будут протекать совершенно с разными скоростями относительно друг друга. и если бы эйнштейн не родился, мы бы и этого не знали, а пока родится следующий, нужно ждать еще несколько тысяч лет.

    • hunterdeep

      не все так просто как вы думаете )) если вы двигаетесь с такой скоростью и вкл фонарь то ваша скорость прибавиться к нему. ка пример это движение на авто свет как шел от отражателя 300к в сек так и идет . ваш фонарь неподвижный объект для света а значит свет относительно него будет иди с такой скоростью а к обочине будет иди ваша скорость плюс его то есть 299к+300к. по другому это работать не будет.

    • hunterdeep

      а то про что вы говорите это грубо говоря два фотона на такой скорости идут параллельно друг другу.

  13. Ramesid

    Интересно, когда релятивистам надоест лепить заплатки на свой бред? Зачем вообще такое публиковать? А если дети прочитают?

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.