Расширение пространства против относительного движения

Во-первых, вспомните, что значит для пространства расширяться — это не значит, что пространство — это какая-то резиновая ткань, которую натягивают, это значит, что метрика пространства расширяется. То есть масштабный коэффициент (который, по сути, представляет собой относительное расстояние объектов) растет со временем. Итак, если бы все галактики были разделены некоторым расстоянием, это расстояние было бы больше в более позднее время.

Итак, как мы можем сказать, что расширение действительно является метрическим расширением, а не относительной скоростью? Итак, первая причина — это закон Хаббла. Поскольку Вселенная подвергается метрическому расширению, кажется, что галактики имеют кажущуюся скорость, определяемую выражением$V=H_{0}D$. Итак, мы видим, что галактики, находящиеся дальше, удаляются с большей скоростью. Это имеет смысл — фотоны, путешествующие из более далеких галактик, должны пересекать более расширяющееся пространство, и, следовательно, их длины волн увеличиваются на большую величину, так что они больше смещаются в красную сторону. Этого не было бы, если бы галактики просто удалялись от нас, поскольку мы увидели бы большое разнообразие красных смещений, а не закономерность.

Вторая причина — общая теория относительности. ОТО предсказывает, что некоторые метрики, содержащие однородное распределение материи (т. е. галактики, составляющие Вселенную), вызовут метрическое расширение. Так как ОТО подтверждается фактами, то и метрическое расширение тоже.

В-третьих, космический микроволновый фон. Мы наблюдаем однородное микроволновое излучение, заполняющее Вселенную, имеющее температуру 2,73 градуса Кельвина. Спутники, изучавшие его ( COBE , WMAP ), определили, что у него есть кривая абсолютно черного тела и что у него есть красное смещение, которое относит его ко времени, очень скорому после Большого взрыва. Теперь мы знаем, что это первое излучение, испущенное через 380 000 лет после Большого взрыва при рекомбинации, когда образовались атомы водорода.

Другая причина заключается в том, что когда спектр квазара показывает линии поглощения из-за облаков нейтрального водорода, красное смещение линий водорода всегда оказывается меньше, чем красное смещение квазара. Кроме того, были найдены примеры, в которых спектр поглощения показывает особенность, называемую впадиной Ганна-Петерсона, которая была предсказана ранее как следствие реионизации водорода в ранней Вселенной.

Однако в вашем примере рассматриваются только две галактики. В этом случае они ничего не могут сделать, чтобы определить, расходятся ли они только из-за скорости или из-за расширения. К счастью, мы не живем в такой вселенной.

Доказательства метрического расширения (и большого взрыва) см. здесь:

http://www.talkorigins.org/faqs/astronomy/bigbang.html

Размышляя над этим вопросом, в конце концов приходишь к мысли о первоначальных попытках сформулировать принцип Маха ; в этой гипотезе, которая предшествовала созданию общей теории относительности, но после того, как была создана специальная теория относительности, Эрнст Мах предположил, что, если бы не было специальной системы отсчета, откуда можно было бы измерять абсолютные скорости, не должно было бы быть и абсолютных ускорений; объекты будут иметь инерционный отклик только тогда, когда их попытаются разогнать относительно «дальнего фона звезд». В некотором смысле, общая теория относительности фиксирует такое поведение в эффекте перетаскивания кадра, подтвержденном Gravity Probe B (хотя данные этого зонда до сих пор неясны относительно того, живем ли мы во Вселенной с ненулевым кручением или нет).

Но я думаю, стоит упомянуть, что дилемма вашего вопроса имеет несколько сходный оттенок с дилеммой Маха, и ответ Марка является тому доказательством; действительно, поскольку все объекты движутся последовательно, мы классифицируем это как пространственное расширение. Даже если движения не являются совершенно однородными, мы бы сказали, что пространственное расширение описывает поведение пространства-времени в больших масштабах, в то время как отдельные галактические движения описывают зернистый масштаб.

Кто знает? может быть, есть какая-то скрытая симметрия, которая все еще ускользает от нас, имеющая отношение к инерции и космологии.

Если относительное движение обусловлено метрическим расширением пространства, то относительное движение является функцией расстояния между объектами, т. е. относительное движение будет изменяться по мере изменения расстояния между объектами.

Если бы вам разрешили проводить повторные измерения через большие промежутки времени, вы могли бы отличить галактику, удаляющуюся из-за хаббловского потока, от объекта, удаляющегося с постоянной скоростью.

Для галактики вы бы заметили, что ее скорость меняется между вашими измерениями, тогда как для объекта, удаляющегося с постоянной скоростью (в остальном статической Вселенной), вы бы измеряли одну и ту же скорость в разное время.

Интересно отметить, что для галактики закон Хаббла соблюдается в отличном приближении, согласно которому

скорость = постоянная Хаббла x расстояние

Однако, если вы выполняете два измерения через некоторое время, и измеренное расстояние удваивается во второй раз, измеренная скорость не обязательно будет удвоена, поскольку постоянная Хаббла на самом деле зависит от времени (на самом деле не постоянна). Его значение зависит от степени расширения и скорости, с которой Вселенная расширяется в данное космологическое время.

http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law

Имея 2 объекта, движущихся с некоторой скоростью v относительно друг друга, можно ли определить, движутся ли они или пространство между ними расширяется?

Нет, различие между двумя интерпретациями в принципе не поддается проверке. Это словесное различие, которое нигде не встречается в реальном математическом формализме ОТО. ОТО не имеет глобальной системы отсчета и, следовательно, не имеет какого-либо осмысленного способа описать скорость объекта А относительно космологически удаленного объекта В. Это означает, что выбор того или иного описания является чисто удобным или педагогика. Банн 2009 и Фрэнсис 2007 дают две противоположные точки зрения.

Это не означает, что космологические наблюдения можно объяснить просто тем, что галактики движутся по инерции в плоском пространстве-времени. Они не могут. Но измеряется кривизна пространства-времени, а не относительные скорости.

Е. Ф. Банн и Д. В. Хогг, «Кинематическое происхождение космологического красного смещения», Американский журнал физики, Vol. 77, № 8, стр. 694, август 2009 г., http://arxiv.org/abs/0808.1081v2

Фрэнсис и др., «Расширяющееся пространство: корень всех зол?», 2007 г., http://arxiv.org/abs/0707.0380v1 .