Основной вопрос об общей теории относительности?

Я дилетант, который любит физику. Я тоже ужасен в математике. Сказав, что у меня много, много вопросов в отношении физики и общей теории относительности в частности. Я постараюсь, чтобы мой вопрос (ы) был как можно более ясным.

Что касается гравитации, галактик и Вселенной, может кто-нибудь объяснить следующее:

Если сила гравитации внутри данной галактики удерживает эту галактику вместе, а также «притягивает» все объекты в ней ближе (к центру и/или к черной дыре в центре), то как Общая теория относительности объясняет тот факт, что все галактики «убегают» друг от друга и ускоряются при этом все быстрее и быстрее?

Мне кажется (по крайней мере мне), что это какой-то «парадокс». Как могло случиться, что тела внутри данной галактики с течением времени сближаются друг с другом из-за гравитации, и в то же время вся эта галактика удаляется от всех других галактик во Вселенной, которые по законам ОТО должны двигаться друг к другу тоже.

Я немного разбираюсь в расширении, большом взрыве и т. д. Однако этот вопрос/парадокс меня всегда интересовал. Опять же, как неспециалисту, мне трудно понять математическое обоснование всего этого, но, тем не менее, я хорошо концептуализирую эти явления, когда они изложены в более аналогичной или геометрической форме.

«Я также ужасен в математике». Если вы вообще серьезно относитесь к физике, вам придется это исправить.
Я понимаю.. Это долгое время было помехой, мой друг.

Ответы (3)

Земля является центром притяжения по силе тяжести. Все падает вниз к земле, точнее к центру Земли. Так как же мы можем подбросить мяч вверх? Начальная скорость восходящая, и сила тяжести действует, чтобы изменить ее на нисходящую, но только на определенную величину в секунду. 9,8 метра в секунду, в секунду.

То же самое и с космическим расширением - все галактики были в некотором смысле "подброшены вверх" при огромных начальных скоростях вдали друг от друга. Ну, нет, это немного странно. Мы говорим, что само пространство расширяется. Но ничего - на самом деле существует гравитация, притягивающая галактики, но она может действовать лишь столько, сколько километров в секунду на миллион лет.

Большой вопрос среди астрономов десятилетия назад заключался в том, достаточно ли сильна гравитация или достаточно медленны начальные скорости, чтобы все они столкнулись через миллиарды лет, или нет. Это все равно, что спросить, летит ли мяч, брошенный вверх, или ракета, если она окажется у вас под рукой, быстрее, чем скорость убегания. Теперь мы знаем: их уже не сблизить. Мы также знаем о таинственной отталкивающей силе, очевидно действующей в огромных масштабах, о «Темной энергии». (Нам нужно лучшее имя для него!)

Внутри галактики силы гравитации не меняют свою силу (недостаточно, чтобы иметь значение), и звезды весело вращаются друг вокруг друга и вращаются вокруг центральной черной дыры (если она есть), в значительной степени следуя обычной орбитальной механике. Это подобно тому, как молекулы в шаре, подброшенном вверх, слипаются из-за сильных сил на близком расстоянии, не обращая внимания на то, как все это движется в большем царстве.

Я понимаю вашу аналогию с мячом и знаю о темной энергии. Я должен был упомянуть об этом в своем вопросе. Судя по тому, что я читал и наблюдал, темная энергия «отталкивает» галактики со все большей и большей скоростью. Как можно примирить их скорость, увеличивающуюся со временем, с вашим объяснением того, что, согласно некоторым теориям, по прошествии достаточного времени галактики во Вселенной снова соберутся вместе, также известное как «Большой толчок»? Большое спасибо и за то, что ответили на мои вопросы! ;)
@ esp1964 Нет. Либо вечное расширение, либо большой хруст. Не оба. Единственный способ получить большой хруст, учитывая сегодняшние данные, — это если природа темной энергии резко изменится (с отталкивающей на притягательную) когда-нибудь в будущем. Излишне говорить, что это очень спекулятивная идея, и в настоящее время мало оснований воспринимать ее всерьез.

Мне кажется (по крайней мере мне), что это какой-то «парадокс».

По крайней мере, для меня ключевая идея, разрешающая этот «парадокс», заключается в том, что только в действительно огромных масштабах, например, со стороной примерно 3 миллиарда световых лет и больше, Вселенная приблизительно однородна и изотропна .

Когда уравнения ОТО решаются для однородного изотропного пространства-времени, решение представляет собой пространство, которое либо расширяется, либо сжимается, и, конечно же, у нас есть доказательства того, что наша Вселенная расширяется .

Если бы на всех масштабах это однородное и изотропное условие было верным, это решение было бы верным на всех масштабах.

Однако в меньшем масштабе скоплений галактик, галактик, солнечных систем и т. д. однородное и изотропное предположение не выполняется . В этих масштабах материя распределена неравномерно, а «комковато».

В этих меньших масштабах у нас есть гравитационно связанные системы планет и лун, звезд и планет, галактик и звезд, галактик и других галактик и т. д., но это также согласуется с ОТО.

Другими словами, хотя поведение Вселенной в очень большом и меньшем масштабе совершенно различно, парадокса нет.

Я нахожу аналогию @DarenW несколько запутанной, поэтому я предложу немного другой ответ. Отталкивающая «сила», вызывающая расширение, значительна в очень больших масштабах. Галактики (а также звезды, планеты и люди) имеют среднюю плотность, достаточно большую, чтобы ее можно было игнорировать (или, другими словами, они слипаются быстрее, чем расширение Вселенной разъединяет их). Если Вселенная продолжит свое ускоренное расширение, галактики, звезды, планеты и люди (если они есть в этот момент времени) также будут в конечном счете разорваны.

Я также хотел бы привести цитату из цикла лекций « Квантовые вычисления со времен Демокрита » Скотта Аарансона (которые я очень рекомендую). В основном они посвящены вычислительной сложности, но в одной из последних лекций он говорит о космологии:

Что же такое эта космологическая постоянная? В общем, своего рода антигравитация. Это то, что заставляет две заданные точки в пространстве-времени удаляться друг от друга с экспоненциальной скоростью. В чем очевидная проблема? Как сказала ему мать персонажа Вуди Аллена: «Бруклин не расширяется». Если это расширение является такой важной силой во Вселенной, почему оно не имеет значения в пределах нашей собственной планеты или галактики? Потому что в масштабах, в которых мы живем, существуют другие силы, такие как гравитация, которые постоянно противодействуют расширению. Представьте два магнита на поверхности медленно расширяющегося воздушного шара: несмотря на то, что воздушный шар расширяется, магниты все еще держатся вместе. Только в масштабах всей вселенной космологическая постоянная способна победить гравитацию.

Об этом можно говорить с точки зрения масштабного фактора Вселенной. Измерим время t с начала Вселенной в системе покоя космического фонового излучения (обычный прием). Насколько «большой» является Вселенная в зависимости от т ? Или, выражаясь более аккуратно, при наличии двух контрольных точек как изменилось расстояние между ними в зависимости от времени? Гипотеза, стоящая за инфляцией, состоит в том, что в самом начале — при Большом взрыве — происходит этот огромный экспоненциальный рост в несколько планковских периодов. После этого у вас есть некоторое расширение, но также есть гравитация, пытающаяся сплотить вселенную. Там работает, что масштабный коэффициент увеличивается по мере т 2 / 3 . Через десять миллиардов лет после Большого взрыва, когда жизнь на Земле только начинает формироваться, космологическая постоянная начинает побеждать гравитацию. После этого все просто экспоненциально, как и в самом начале, но не так быстро.

Спасибо за ответ Богдан! Так получилось, что я из Бруклина, так что я еще больше понимаю аналогию с Вуди Алленом... ;) Так что, по сути, силы, действующие в нашей галактике, действуют несколько «независимо от сил, которые работают над расширением Вселенной. Упомянутое, Планковское время и т. д. - это вещи, в которых я несколько "образован", но опять же я паршивый в математике. Я ценю ваши примеры с воздушными шарами и т. д. Большое спасибо! Я люблю физику, но у меня нет математической хватки, чтобы действительно понять Это! Я могу визуализировать концепции, однако через некоторое время. Долгое время... ;)
Я полагаю, вот еще один вопрос: движутся ли галактики в пространстве? Или они движутся одновременно с/или, так сказать, «привязаны» к пространству? Имеет ли это смысл? Другими словами, если Вселенная расширяется подобно воздушному шару, будут ли галактики продолжать мчаться наружу, если «воздушный шар/галактика» перестанет расширяться? Представьте шарики, приклеенные к воздушному шару. Когда воздушный шар надувается, шарики движутся вместе с ним. Затем представьте себе огромный, полностью надутый воздушный шар с шариками, теоретически движущимися от центра к внутренней поверхности воздушного шара.Какой из них вы предполагаете?
Извините за мои примитивные примеры. Я также не спрашиваю о «крае» вселенной и во что расширяется вселенная. Это, безусловно, вопрос, который у меня есть для другого дня! Спасибо господа!
«По сути, силы, действующие в нашей галактике, действуют несколько независимо от сил, работающих над расширением Вселенной». - Я бы сказал, что у них просто разные масштабы, где они заметны. Технически электромагнитные силы и гравитация действуют одновременно, но движением планет управляет гравитация, а взаимодействие между атомами определяется ЭМ из-за относительного масштаба их констант.
«Двигаются ли галактики в пространстве? Или они движутся одновременно с пространством или, так сказать, «привязаны» к нему?» - трудно сказать, так как мы не можем определить координату в пространстве и наблюдать за ней. Лучшая доступная нам система отсчета — это фоновое излучение (см. мою цитату, вы можете прочитать всю лекцию, там почти нет математики). По вашей аналогии, наверное, шарики не могут уйти с поверхности: для них нет ничего, кроме этой поверхности, они не могут просто разорваться и улететь.
Я думаю, что лучшим примером «прикрепленного» к пространству примера было бы представить расширяющуюся «губку», и шарики были бы помещены в эту губку с любым заданным расстоянием между ними. Когда губка расширяется, шарики движутся вместе с губкой, или если они теоретически могут двигаться сквозь материал губки, будут ли они продолжать двигаться, если губка перестанет расширяться? смысл?? Я не хотел ранее подразумевать, что шарики были прикреплены к реальному краю Вселенной в моем примере с воздушным шаром, хотя ваш ответ также имел смысл для меня!
Я полагаю, если мы пойдем в противоположном направлении, «притяжение», и воспользуемся примером «Река к водопаду», можно будет сделать вывод, что если бы я ехал в каноэ, направляясь к водопаду, и я ничего не делал, чтобы помочь движению этого водопада. каноэ, я и каноэ были бы «привязаны» к реке (пространству) и двигались вместе с ней. Я понимаю, что могу двигаться независимо от реки, если попытаюсь плыть и в другом направлении. Поэтому я тоже мог двигаться «внутри» реки (пространства). Применимо ли это и к планетарным телам, что объясняет ОТО? Я надеюсь, что я имею смысл здесь! Прости меня, если нет.
Поверхность воздушного шара в этой аналогии (по крайней мере, так она обычно используется) не является краем вселенной ; это вся вселенная. И это подходит к вашему вопросу лучше, чем аналогия с губкой, поскольку расширение воздушного шара не придает галактикам никакого импульса внутри Вселенной (в аналогии импульс ортогонален двумерной поверхности); если он перестанет расширяться, они тоже остановятся. Будьте осторожны с аналогиями, очень легко сделать неверное предположение, основываясь на здравом смысле, к которому они относятся.
Также я думаю, что мы должны перенести это обсуждение в другое место, так как: 1) оно начинает становиться не по теме; 2) есть материал для другого полного вопроса; 3) Двигатель SE не очень подходит для того, что мы делаем.
Спасибо, я здесь новенький, поэтому в протоколах не разбираюсь. Вы очень помогли!
Отталкивающая «сила», вызывающая расширение, значительна в очень больших масштабах. Нет, нам не нужно отталкивание (темная энергия), чтобы вызвать расширение. Нам нужно только отталкивание, чтобы объяснить ускорение расширения.
Основной вопрос об общей теории относительности?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v