Есть ли объективная разница между расширением пространства и уменьшением скорости света

В физике «скорость» чего-либо зависит от выбранной вами системы координат, поскольку скорость измеряется как изменение положения координат в некотором интервале координатного времени. Даже в специальной теории относительности , которая не принимает во внимание гравитацию и, следовательно, не предполагает искривления пространства-времени, представление о том, что скорость света всегда равна одной и той же константе (обозначенной$c$в физике и астрономии) будет верным только в особом классе систем координат, известных как инерциальные системы отсчета , вполне возможно определить «неинерциальную» систему координат в специальной теории относительности, такую ​​как координаты Риндлера , в которых скорость света не имеет то же значение$c$. В общей теории относительности , которая моделирует гравитацию с точки зрения массы/энергии, искривляющей пространство-время, вы можете иметь только «локальные инерциальные системы отсчета», определенные на очень маленьких участках пространства-времени (в частности, предел, когда размер приближается к нулю) — см. статья о «принципе эквивалентности» для концептуальных деталей того, как локальные инерциальные системы отсчета могут быть определены наблюдателями при свободном падении, измеряющими события в их непосредственной близости (например, наблюдатель, наблюдающий за событиями в лифте при свободном падении). Такие наблюдатели всегда будут измерять локальную скорость света в вакууме в своей локальной области, чтобы она была равна$c$, независимо от крупномасштабных свойств пространства-времени, в которое они встроены, таких как «расширение пространства».

Но если вы попытаетесь определить глобальную систему координат на большой области искривленного пространства-времени, эта система координат всегда будет неинерциальной, поэтому нет гарантии, что координатная скорость света в этой системе координат будет равна$c$, и действительно, координатная скорость света может варьироваться от одной области пространства-времени к другой в зависимости от того, какую систему координат вы выберете (уравнения общей теории относительности работают во всех гладких системах координат, если вы правильно определяете метрику относительно выбранной вами координаты ). система). В базовой модели искривленного пространства-времени в космологии ( модель FLRW ) делается упрощающее предположение, что материя представляет собой своего рода однородную жидкость, заполняющую все пространство, поэтому, если вы выберете правильное определение одновременности (всегда возможны несколько определений в относительность из-за относительности одновременности), вы обнаружите, что плотность этой жидкости одинакова в каждой точке пространства в любой данный момент космического времени. Это, очевидно, не совсем верно для жизни, но ожидается, что в больших масштабах плотность материи близка к однородной в любое заданное космическое время, так что это рассматривается как разумное приближение. Расширение пространства в основном означает, что плотность жидкости уменьшается с течением времени, и что если два объекта находятся в покое относительно локальной жидкости в их непосредственной близости, то правильное расстояние между ними будет расти со временем ( надлежащее расстояние соответствует к тому, что вы бы измерили, если бы положили связку коротких линеек встык между двумя объектами в определенный момент времени, а затем сложили расстояния).

Как оказалось, у этой космологической модели есть еще одна приятная особенность (как обсуждалось в приведенной выше ссылке «правильное расстояние», основанной на этой статье , см. стр. 99 ссылки «Полный рецензируемый журнал»). Наиболее «естественной» системой координат для использования в этой модели является та, в которой временная координата соответствует собственному времени, измеренному группой наблюдателей, которые находились в состоянии покоя относительно космической жидкости с момента Большого взрыва, а пространственная координата равна так что координатное расстояние между любыми такими наблюдателями в данный момент времени соответствует их собственному расстоянию в это время. Если вы используете такую ​​систему, получается, что общую координатную скорость любого объекта можно разбить на сумму двух скоростей:

1. «Скорость удаления» в любом заданном пространстве, которая представляет собой скорость, с которой наблюдатель, находящийся в состоянии покоя относительно космической жидкости , будет двигаться (скорость, с которой их собственное расстояние от начала системы координат растет как функция времени, где мы можем предположить, что начало координат соответствует нашему местоположению в пространстве).

2. «Свойственная скорость» любого объекта, который не находится в состоянии покоя относительно космической жидкости, которая точно такая же, как скорость этого объекта, измеренная в локальной инерциальной системе отсчета наблюдателя в том же месте, который находится в покое относительно космической жидкости. космическая жидкость. Итак, удельная скорость светового луча всегда должна быть$c$.

Итак, если мы знаем скорость рецессии$v_{rec}$в каком-то удаленном месте в космосе, то световой луч, испускаемый прямо к нам из этого места, будет иметь общую скорость$v_{rec} - c$в этой системе координат, и луч света, испущенный прямо от нас, будет иметь общую скорость$v_{rec} + c$. Таким образом, с точки зрения этой системы координат, имеет смысл сказать, что свет сам по себе всегда движется со скоростью$c$, но пространство также расширяется от нас, и это объясняет, почему свет смещается в красную сторону, а также почему свет первоначально излучался на расстоянии$d$не обязательно займет время$d/c$чтобы добраться до нашего собственного местоположения. Но этот аккуратный способ описания вещей специфичен как для предполагаемой космологической модели, так и для используемой системы координат, все может не работать так четко в другом выборе пространства-времени или других систем координат. Единственное действительно общее утверждение, которое вы можете сделать о скорости света, это то, что я упоминал ранее: независимо от того, какую глобальную систему координат вы используете и какова скорость светового луча в этой системе, всегда верно, что в локальная инерциальная система отсчета, определенная на небольшом участке пространства-времени, свет, проходящий через этот участок, всегда имеет скорость$c$как измерено в этой локальной системе отсчета.

Сказать, что «скорость света» (в основном) связана со светом, — это распространенное неправильное понимание этой скорости. На самом деле это скорость причинно-следственной связи, и она имеет гораздо большее значение, чем просто скорость распространения фотонов. Это также коэффициент преобразования массы в энергию. (Е = мк^2)

Когда пространство расширяется, фотоны внутри него не ускоряются внезапно, чтобы компенсировать расширение. Подумайте об этом так. Допустим, у вас есть жук, ползающий по резиновому листу, и вы растягиваете этот резиновый лист, чтобы удвоить его первоначальный размер. Жук вдруг начинает ползти в два раза быстрее? Нет, жук по-прежнему бредет с той же скоростью. Так же, как свет, пересекающий вселенную. Вселенная расширяется, и свету требуется больше времени.