Почему наблюдаемая Вселенная больше, чем можно предположить по ее возрасту?

Самое простое объяснение того, почему максимальное расстояние, которое можно увидеть, не является просто произведением скорости света на возраст Вселенной, заключается в том, что Вселенная не статична.

Различные вещи (т. е. материя и темная энергия) по-разному влияют на координаты Вселенной, и их влияние может меняться со временем.

Хорошей отправной точкой во всем этом является анализ параметра Хаббла, который дает нам постоянную Хаббла в любой момент в прошлом или в будущем, учитывая, что мы можем измерить, из чего в настоящее время состоит Вселенная :

The $a$в приведенном выше параметре Хаббла называется масштабным коэффициентом, который равен 1 сегодня и нулю в начале Вселенной. Почему различные компоненты масштабируются по-разному с$a$? Ну, все зависит от того, что произойдет, если вы увеличите размер коробки, содержащей вещи внутри. Если у вас есть килограмм материи внутри куба со стороной 1 метр, и вы увеличиваете каждую сторону до 2 метров, что произойдет с плотностью материи внутри этого нового куба? уменьшается в 8 раз (или$2^{3}$). Для радиации вы получите аналогичное уменьшение$a^{3}$плотностью частиц в нем, а также дополнительным фактором$a$из-за растяжения его длины волны с размером коробки, что дает нам$a^{4}$. Плотность темной энергии остается постоянной в этом же типе мысленного эксперимента.

Поскольку разные компоненты действуют по-разному при изменении координат Вселенной, в истории Вселенной есть соответствующие эпохи, когда каждый компонент доминирует в общей динамике. Разобраться тоже довольно просто. При малом масштабном факторе (на очень раннем этапе) наиболее важным компонентом было излучение. Параметр Хаббла на раннем этапе мог быть очень точно аппроксимирован следующим выражением:

Около:

Итак, вы видите, было бы немного сложнее найти расстояние до космологического горизонта, чем просто умножить скорость света на возраст Вселенной. На самом деле, если вы хотите найти это расстояние (формально известное как сопутствующее расстояние до космического горизонта), вам придется выполнить следующий интеграл:

где эмиссионное красное смещение$z_{e}$обычно принимается за$\sim 1100$, поверхность последнего рассеяния. Оказывается, это истинный горизонт, который есть у нас как у наблюдателей. Кривизна обычно устанавливается равной нулю, поскольку наша самая удачная модель указывает на плоскую (или почти плоскую) Вселенную, а излучение здесь не имеет значения, поскольку оно преобладает при более высоком красном смещении. Я также хотел бы указать, что это соотношение выводится из метрики Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера , метрики, которая включает кривизну и расширение. Это то, чего не хватает метрике Минковского.

Вкратце: вещи не могут двигаться быстрее скорости света сами по себе, но они могут двигаться быстрее скорости света благодаря всеобщему расширению. Чем дальше, тем быстрее они уходят.

Я как раз думал об этом, и вот мое непрофессиональное объяснение. Представьте, что вы рисуете две точки на смятом листе бумаги, точки двигаются, но по мере их движения бумага становится «несмятой», фактическое расстояние между точками будет больше, чем сумма расстояний, которые они имеют. путешествовал.

Совершенно ненаучное объяснение...

Представьте, что Вселенная — это воздушный шар. Два тела начинают близко друг к другу, но на противоположных поверхностях. Расширение воздушного шара уносит их друг от друга с одинаковой скоростью и с такой скоростью, что свету от одного в его начальной точке требуется почти вся история Вселенной, чтобы достичь другого. Расстояние между двумя СЕЙЧАС не в два раза превышает возраст Вселенной — потому что вы не можете путешествовать «сквозь» воздушный шар — вместо этого вы должны обогнуть поверхность воздушного шара... 13,8 * PI миллиардов световых лет = 43 миллиарда световых лет.

Не совсем верно, но, по крайней мере, позволяет избежать слишком большого беспокойства по поводу астрофизики и космологии!

Мне нравится учебник по космологии Неда Райта, и я очень рекомендую его, но это его заявление, по крайней мере, вводит в заблуждение. Сверхсветовые скорости удаления явно не могут быть связаны с кривизной пространства-времени, потому что они не обращаются в нуль в пределе нулевой кривизны (нулевой плотности энергии или нулевой плотности энергии).$G$).

Настоящая причина того, что расстояния могут быть больше, чем$c$умножить текущее космологическое время на то, что часы, которые мы используем для измерения космологического времени, не находятся в относительном покое, как часы в инерциальных системах координат, а движутся радиально друг от друга, что делает космологические координаты более похожими на полярные координаты. Если у нас есть семейство равномерно распределенных часов, и мы определяем$t$быть чтением на ближайших часах и$x$быть (количество часов между этим и источником) × (расстояние между соседними часами, когда они оба читают одно и то же время), тогда$Δx/Δt\le c$является верным утверждением, если эти часы находятся в относительном покое, но не если они движутся наружу от общей исходной точки. В последнем случае оказывается, что верхней границы нет.$Δx/Δt$, даже в специальной теории относительности.

В специально-релятивистском случае вы можете думать об этом как о замедлении времени. Если вы посмотрите на два часа относительно инерциальных координат центра скорости, они движутся в противоположных направлениях с некоторой скоростью$v$. Через инерционное координатное время$t$, они представляют собой инерциальное координатное расстояние$2vt$друг от друга, но прошедшее время, которое они записали, меньше, чем$t$с коэффициентом$γ=1/\sqrt{1-v^2/c^2}$. С$γ{\to}\infty$как$v{\to}c$, отношение координатного расстояния к прошедшему времени на часах также стремится к бесконечности, поскольку$v{\to}c$.

В специальной теории относительности существует тенденция думать об инерциальных координатах времени как о «реальном» времени, а показания часов как о чем-то искаженном замедлением времени, но на самом деле это просто человеческое предубеждение. Вселенная не заботится о системах координат, и она «заботится» только о системах отсчета, если они действительно созданы физическими объектами. В реальном мире нет естественных инерциальных систем отсчета в больших масштабах, но есть естественные радиальные системы отсчета, задаваемые усредненным движением материи в больших масштабах или точками пересечения волновых фронтов космического микроволнового фона. Самая естественная система координат для Вселенной — и та, которая фактически используется космологами — основана на этой естественной системе отсчета, и, как сказал Нед Райт,$c$не имеет особого значения.

(На самом деле все три предложения Неда Райта верны. Проблема в том, что, если их сложить вместе, они, кажется, подразумевают, что сверхсветовое расширение связано с искривлением пространства-времени, а это неверно.)