Действительно ли пространство расширяется?

Согласно предисловию, «Эйнштейн, относительность и абсолютная одновременность» представляет собой сборник эссе, «посвященный, по большей части, утверждению, что одновременность абсолютна» (как следует из названия). Это не общепринятая физика. Поскольку редакторы книги ( Уильям Лейн Крейг и Квентин Смит ) являются/были философами, а не физиками, ее ценность как учебника по космологии сомнительна.

Итак, да, судя по имеющимся свидетельствам и общему мнению физиков, Смит не прав.

Он ошибается.

То, что наблюдается, представляет собой широкий спектр явлений, а не одно, и все они указывают в одном направлении .

Основные физики не наивны. Такого рода теории тщательно проверяются на данных сотнями способов и экспериментов, а также на других теориях, а затем снова и снова другими командами. Они покупаются не только потому, что они красивы и эзотеричны. А также удаленные объекты удаляются быстрее:

• объекты, удаляющиеся, кажутся удаляющимися одинаково в любом направлении. Явного «центра» нет. Либо мы находимся в каком-то волшебном месте, либо оно выглядит так отовсюду ... что явно указывает на то, что само пространство расширяется.
• то же самое для структуры Вселенной (галактики и пустоты), гамма-всплески, сверхновые звезды, квазары... Одинаковые во всех направлениях, без видимого "центра"
• космический микроволновый фон со временем остыл. Это свободно летящие фотоны с самого начала Вселенной. Фотоны как таковые просто не «охлаждаются». Не так и тем более не постепенно. Нет никаких доказательств того, что фотоны ведут себя по-разному в космическом времени и на космических расстояниях (вернее, при проверке эти идеи не побеждают). Но они постепенно остывают , если пространство расширяется во время их путешествия в миллиарды лет. Это прямое свидетельство, которое напрямую соответствует другим свидетельствам красного смещения.
• другие эксперименты показывают, что пространство чрезвычайно «плоское». Но все началось не так. Опять же, это хорошее доказательство того, что пространство расширилось. Это похоже на надувание воздушного шара со стоящим на нем муравьем, он будет выглядеть для муравья очень морщинистым, когда он маленький, и гораздо более плоским, когда он расширяется. Наша Вселенная кажется нам чрезвычайно плоской.
• некоторые события в очень ранней Вселенной, такие как повторное нагревание и переохлаждение, имеют смысл и подходят математически в контексте расширения больше, чем любой другой известный предполагаемый контекст, который был изучен.
• Уравнения поля Эйнштейна довольно сильно предполагают расширение , до такой степени, что Эйнштейн, который не имел наших нынешних знаний о доказательствах, должен был «подтасовать» свои уравнения, чтобы иметь способ, которым они в конечном итоге не предполагали, что пространство расширяется или заключение контракта. Уравнения поля Эйнштейна были широко проверены всем, от GPS до отклонения света вокруг звезд, до черных дыр, до гравитационных волн и... ну, до огромного количества вещей. Они описывают, как ведет себя само пространство, прежде всего, но не только по отношению к гравитации и массе. Мы очень уверены в них до сих пор. И если вы не измените их, добавив предварительно рассчитанную « космологическую постоянную».Созданные, чтобы преднамеренно противодействовать «нормальному» поведению уравнений, они также показывают, что пространство расширяется или сжимается. Эйнштейну это не нравилось, но, по-видимому, он не видел другого способа избежать такого вывода из своих уравнений… время верило в статичную вселенную, и если это было так, то в его уравнения нужно было добавить «фактический фактор», чтобы они предсказывали то, во что верило господство, а не предсказывали расширение (в наши дни «космологическая постоянная»
  равна немного лучше поняты, и в настоящее время считается, что они связаны с так называемой « темной энергией » — по сути, с одним или несколькими скалярными квантовыми полями, которые, как считается, существуют и ответственны за это расширение. Термин «темная» означает, что мы неу нас пока нет инструментов, которые могут напрямуювоспринимать его энергию или частицы: для существующих инструментов оно «темно», хотя мы считаем, что оно существует, исходя из наблюдений за эффектами, которые соответствуют действию такого поля. Мы думаем, что около 69% всей массы-энергии Вселенной находится в форме этой темной энергии, так что с космологической точки зрения это довольно большой элемент!)
• Эти теории также сделали подробные и чрезвычайно точные предсказания, которые очень трудно объяснить другими способами. Например, модель Большого взрыва объясняет, почему должен существовать космический фон из фотонов и (если мы придумаем способ его обнаружить) также космический фон из нейтрино и некоторые из их ожидаемых свойств. Он предсказывает, что Вселенная должна содержать 75% водорода, 25% гелия и следы других элементов, и почему именно эти проценты (ответ: это связано с соотношением протонов и нейтронов, созданных ранее, и временем, доступным для синтеза), почему некоторое количество дейтерия могло образоваться в результате синтеза, но затем не слилось с гелием (он очень легко сливается с гелием) и так далее. Никакая другая известная теория не объясняет все такие открытия. И модель Большого взрыва включает в себя в качестве основного элемента расширение.

Это примеры. Есть и другие.

• Соответствующая ссылка для получения дополнительной информации:
  https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_of_the_universe

Он в корне неправ. Что именно отступает от того, что зависит от используемой вами системы координат. В GR все кадры физически эквивалентны друг другу.

В сопутствующих координатах, т.е. метрике Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера Вселенная состоит из равномерно расширяющегося газа галактик. В этом случае галактики движутся по геодезическим, связанным с этой метрикой. Однако в сопутствующей системе координат галактики имеют фиксированное положение и их скорость равна$0$. Итак, что меняется: метрика. Пространственная часть метрики имеет масштабный коэффициент, который меняется со временем. Затем это связывают с «расширением пространства».

Мы также можем описать ту же физику, используя локальные системы Минковского. Поскольку система Минковского статична, у нас нет расширения пространственной части. Однако теперь космологическое красное смещение можно объяснить накоплением доплеровских смещений фотонов, отправленных одной галактикой и полученных другой через локальные системы Минковского. В этой системе отсчета скорости галактик не$0$и они отступают друг от друга.

Подводя итог, можно сказать, что решение о том, что такое «расширение», зависит от точки зрения. Первое наблюдательное свидетельство приписывается Эдвину Хабблу.

Что касается Большого Взрыва, то обычно считается, что до того, как произошел Большой Взрыв, не было пространства-времени. Нет ни где, ни когда, потому что не было пространства-времени. Произошел Большой взрыв, и вместе с ним появилось пространство-время.
Конечно, есть и другие теории, такие как циклическая Вселенная.

Три конкретных наблюдательных свидетельства могут быть связаны с переносом света/фотонов через обширное пространство Вселенной. Это просто примеры, а не совокупность доказательств.

• Если принять Большой взрыв и образование излучения черного тела с температурой 3000 К примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, то где сегодня эти фотоны? Если бы «взрыв произошел в пространстве-времени», форма спектра осталась бы прежней сегодня, фотоны были бы только разбавлены. Если «пространство-время взрывается», спектр будет деформирован за счет изменения длины волны (-> размера) фотонов. Текущее излучение черного тела реликтового излучения ~ 2,7 К — это именно то, что вы ожидаете в этом случае.

• Только подумайте: что значит, если астрономы говорят, что «объект имеет красное смещение X»? Красное смещение проявляется в виде очень узких/точных полос излучения и поглощения обычных молекул и атомов, которые имеют очень разные длины волн (намного длиннее), чем их можно было бы наблюдать в лаборатории на Земле, чем дальше объект находится далеко от земли. Если бы «большой взрыв был бы взрывом в пространстве-времени», фотон никогда бы не изменил свою длину волны, он бы только разбавлялся или поглощался (интенсивность). Только при «взрыве пространства-времени» сам фотон (длина волны) тоже будет растягиваться, пока он движется, и его длина волны будет тем длиннее, чем дольше он путешествует в пространстве. Это то, что мы видим.

• Если вы наблюдаете свет очень далеких объектов: на пути к нам (как к наблюдателям) он иногда проходит через области повышенной плотности водорода (вещества), которые оставят типичный и хорошо известный отпечаток нейтральных полос поглощения водорода. Эти полосы смещены в красную сторону в зависимости от расстояния до (темного) водородного облака. Поскольку для очень удаленных объектов это будет происходить много раз, мы наблюдаем серию из многих таких сдвинутых полос поглощения. Это называется «альфа-лесом Лаймана» ( https://en.wikipedia.org/wiki/Lyman-alpha_forest ) и является отличным инструментом для изучения структуры Вселенной. Это можно очень хорошо понять в контексте расширения пространства.

В обсуждении ниже было отмечено, что эти эффекты могут быть просто кинематическими (эффект Доплера). Хотя кинематика всегда имеет значение и, более того, доминирует в нашей локальной среде на Земле, а также в локальной вселенной, в космологических масштабах она становится незначительной поправкой. Наблюдаемые нами красные смещения соответствовали бы высоко- или ультрарелятивистским скоростям. И наблюдаемая изотропия пространства очень согласуется с расширением пространства, в то время как это не естественно в сценарии, управляемом только кинематикой.

Существуют наблюдаемые доказательства расширения пространства, называемого красным смещением : большинство галактик удаляются от нас, и мы можем измерить это по величине их красного смещения. Подробнее здесь . Но в любом случае, это как раз то, что автор как бы отрицает как доказательство.

Хаббл отметил, что далекие галактики имеют большее красное смещение, и сопоставил свои наблюдательные данные со знаменитой линейной зависимостью, теперь известной как закон Хаббла:

где z — красное смещение, c — скорость света, r — расстояние и$H_0$– постоянная Хаббла. Чем дальше галактика, тем быстрее удаляется от нас.

Вопрос в том, почему галактики удаляются от нас по закону Хаббла? Как мы интерпретируем это уравнение?

Раньше существовала «гипотеза усталого света», которая пыталась объяснить зависимость Хаббла, предполагая, что галактики не удаляются от нас, а фотоны просто теряют энергию при движении в пространстве. Эта идея быстро вышла из моды.

Другая гипотеза состоит в том, что Вселенная расширяется, что мы и считаем сегодня фактом .

Ключевым моментом является то, что галактики удаляются не только от нас, но и удаляются друг от друга. Мы знаем это из Космологического Принципа , который утверждает, что Вселенная однородна и изотропна. Мы не живем в каком-то особом месте во Вселенной, вместо этого Вселенная везде примерно одинакова. Существует множество доказательств, подтверждающих космологический принцип, и большая часть признанной космологии основана на его достоверности.

С философской точки зрения, мы не знаем, что Вселенная расширяется, так же как мы не знаем, что Космологический Принцип действителен. Если вы проанализируете любое научное свидетельство философски, ничто не будет считаться доказательством. Да, галактики могут просто удаляться друг от друга по какой-то случайной причине или, может быть, по воле Бога, но научные доказательства очевидны: Вселенная расширяется , и это подтверждается как общей теорией относительности (уравнения Фридмана), так и данными наблюдений ( Красное смещение). То, что мы видим, — это именно то, что вы ожидаете от Вселенной, которая подвергается однородному и изотропному расширению. Если вы отвергаете, что Вселенная расширяется, или что космологический принцип верен, вы можете также отвергнуть всю космологию.

Нет никаких наблюдательных доказательств гипотезы расширения пространства. Наблюдаются сверхскопления скоплений галактик, удаляющихся друг от друга со скоростью, пропорциональной их расстоянию.

Это по сути правильно. Расширение Вселенной — это всего лишь разбегание сверхскоплений галактик. Есть много людей, которые думают, что происходит какое-то дополнительное явление «расширения самого пространства», но это не так. В общей теории относительности нет понятия «расширяющееся пространство» (или «пространство», если на то пошло), и когда кажется, что оно есть, это потому, что вы путаетесь в системах координат. Смотрите этот ответ .

Далее он говорит, что пространство евклидово и бесконечно.

Я полагаю, что это технически верно в текущей стандартной космологической модели. Срезы постоянного космологического времени в модели предполагаются евклидовыми и бесконечными, и на данный момент она соответствует данным. Но Вселенная не является ньютоновской или специальной релятивистской, потому что пространство- время искривлено в модели, хотя пространственные срезы не искривлены.

Не означает ли это, что Большой взрыв был взрывом в пространстве-времени, а не расширением пространства-времени, как часто говорят?

Это не означает, нет. Космос, который мы видим, можно встроить в какое-то большее пространство-время, и тогда в некотором смысле он будет «расширяться» в этом большем пространстве-времени. Но нет никаких доказательств в поддержку какой-либо конкретной модели такого рода. Не нужно ничего снаружи, чтобы Вселенная могла расширяться, а в стандартной космологической модели этого нет.

Смит просто неправ.

Он прав, говоря, что нет прямых наблюдательных свидетельств (в наивном смысле) того, что пространство расширяется, а не фиксируется, в то время как галактики расходятся в нем. Они оба просто выглядят как галактики, удаляющиеся друг от друга.

Но есть много наблюдательных доказательств того, что специальная и общая теория относительности верны. И если эти теории верны, единственный способ понять наблюдения — это сказать, что само пространство расширяется.

Это как стоять на шоссе и видеть, как машина становится все больше и больше, и говорить, что нет никаких доказательств того, что она приближается, потому что, возможно, она просто увеличивается в размерах. Мы знаем, что машины так не делают.

Проблема в том, что при небольших масштабах и скоростях модель, которую Смит хочет поддерживать, действительно работает хорошо, в отличие от модели «растущей машины». Так что не глупо думать, что галактики просто разлетаются в неизменном пространстве. Но когда вы понимаете, как все работает на околосветовых скоростях, становится ясно, что это просто не может быть правильным.

О «растяжении пространства», похожем на эластичную ткань, написано много прозы. Я бы скорее просто сказал: дела расходятся . На техническом языке я имею в виду тензор расширения$\Theta_{\mu\nu}$(одна часть «кинематического разложения») для мировых линий галактик в рамках модели Вселенной Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера. В каждой точке эта величина говорит вам об относительном движении ближайших галактик. Акцент на этом количестве позволяет избежать необоснованных поэтических интерпретаций, которые, несомненно, мотивировали «Диатрибу» Павлина.

Другая причина, я думаю, это системы отсчета. В ньютоновской физике вы можете взять единую систему отсчета для всей вселенной. Предположим, что его центром был Млечный Путь. Тогда далекие галактики будут удаляться на$2\times$,$3\times$,$4\times$и т. д. скорость света относительно этой системы отсчета. Однако в теории относительности системы отсчета лучше всего рассматривать как локальные. Ничто не движется быстрее света в любой (локальной, времениподобной) системе отсчета. Отсюда Дэвис и Лайнуивер (2004) заключают, что «скорость обусловлена ​​​​скоростью расширения пространства, а не движением в пространстве».

Некоторые комментарии предполагают, что физики лучше подготовлены, чем философы, для решения этой темы. Я не согласен. Это касается интерпретации физики, и поэтому философы физикив принципе был бы самым авторитетным. (Хотя на практике, насколько мне известно, именно физики являются авторами соответствующих статей, в том числе упомянутых выше; а также Люк Барнс и Герайнт Льюис и их сотрудники; Джордж Эллис и т. д.). Говоря более подробно, это пересечение различных областей. . Какое красное смещение имеют галактики? Давайте спросим астрофизиков, техников телескопов, статистиков и т. д. Какие уравнения выводит общая теория относительности? Спросим релятивистов. В чем смысл и интерпретация? Это больше из области философии. (Конечно, я не утверждаю, что каждый должен придерживаться своего домена.)