Почему наблюдаемая Вселенная такая большая?

Этот вопрос неявно относится к видимой вселенной, но мы должны указать это явно, иначе вопрос не имеет никакого смысла.

Может показаться, что мы не должны видеть дальше, чем на 13,7 миллиардов световых лет (13,7 гигасветовых лет, или глиров), но это рассуждение не учитывает расширение пространства-времени в соответствии с общей теорией относительности. Фотон, испущенный где-то недалеко от начала Вселенной, прошел бы почти 13,7 глира, если бы вы измеряли каждый световой год в тот момент, когда фотон пересекал его, но поскольку эти световые годы, которые вы измерили, увеличились с момента прохождения фотона, то расстояние теперь составляет около 80 глир.

Радиус наблюдаемой Вселенной составляет около 46 миллиардов световых лет, что значительно больше ее возраста, составляющего около 14 миллиардов лет. Поскольку радиус наблюдаемой Вселенной определяется наибольшим расстоянием, с которого свет успел бы достичь нас со времен Большого взрыва, можно подумать, что он будет находиться на расстоянии всего 14 миллиардов световых лет, поскольку$x=ct$для движения с постоянной скоростью$c$. Однако такое отношение, как$x=ct$справедливо только в специальной теории относительности. Когда мы записываем такое отношение, мы представляем себе декартову систему координат$(t,x,y,z)$, который в ньютоновской механике был бы связан с системой отсчета конкретного наблюдателя. В общей теории относительности аналогом этого будет система координат Минковского, но такие системы существуют только локально. Невозможно создать единую систему отсчета, охватывающую как нашу галактику, так и космологически далекую галактику. Общая теория относительности способна описывать космологию с помощью космологических моделей, и это описание успешно согласуется с наблюдениями с высокой степенью точности. В частности, не наблюдается объектов, кажущийся возраст которых не соответствует их удаленности от нас.

Один из способов описать эту разницу между специальной теорией относительности$x=ct$а реальная связь расстояния и времени заключается в том, что мы можем думать о пространстве между галактиками как о расширяющемся. В этом словесном описании мы можем представить себе, что по мере того, как луч света движется из галактики А в галактику В, между А и В создается дополнительное пространство, так что к тому времени, когда доходит свет, расстояние больше, чем$ct$.

Все это не имеет ничего общего с инфляцией. Инфляция делает определенные проверяемые предсказания относительно космологических наблюдений (например, она предсказывает, что Вселенная пространственно плоская), но она не имеет отношения к пониманию того, почему радиус наблюдаемой Вселенной имеет такой размер по сравнению с возрастом Вселенной. Инфляция может быть даже неправильной. Если окажется, что инфляции никогда не было, это не повлияет на этот конкретный вопрос.

Оказывается, мы можем получить удивительно хорошую оценку размера наблюдаемой Вселенной, используя упрощенную космологическую модель FRW, состоящую только из пыли, т.е. нерелятивистской материи. Это приближение является хорошим, потому что во Вселенной большую часть своей истории преобладала материя, и только очень короткий период до этого был преобладающим излучением, а в другую довольно недавнюю эпоху доминировала космологическая постоянная. В соответствии с текущими данными наблюдений мы делаем второе приближение, которое заключается в том, что Вселенная пространственно плоская. В пространственно плоской модели FRW$r-t$часть метрики имеет вид$ds^2=dt^2-a^2dr^2$, где масштабная функция$a$зависит от времени. Для фотона$ds=0$, и тогда мы можем показать, что правильное расстояние, пройденное фотоном вскоре после Большого взрыва, равно$L=a \int dt/a$. Для решения с преобладанием материи$a$пропорциональна$t^{2/3}$, и находим$L=3t$. Это довольно близко к$L/t$соотношение около 3,3, данное наиболее реалистичными моделями. Также имеет смысл, что результат несколько больше 3, потому что сейчас Вселенная вступила в эру, в которой ее расширение ускоряется. В будущем,$L/t$будет становиться все больше и больше.

Вселенная обычно определяется как совокупность всего существующего, включая всю физическую материю и энергию, планеты, звезды, галактики и содержимое межгалактического пространства.

Никто не знает, бесконечно ли велика Вселенная, и даже является ли наша вселенная единственной.

Хотя наш взгляд на вселенную ограничен, наше воображение — нет. У астрономов есть косвенные доказательства того, что вселенная галактик простирается далеко за пределы области, которую мы видим . Но никто не знает, бесконечно ли велика вся Вселенная — безмерно велика .

Согласно ведущим теориям, другие части Вселенной могут сильно отличаться от нашей и даже иметь другие законы природы. Возможно, мы никогда не сможем узнать наверняка. Но возможно, что ключи к разгадке лежат у всех на виду и только и ждут, чтобы их открыли!

Я также должен отметить, что «80 миллиардов световых лет в поперечнике» не считается противоречием. Я не знаю, что вы имеете в виду, но я полагаю, что это касается области, которую мы можем видеть, в этой Вселенной.

Вы можете двигаться со скоростью, близкой к скорости света, но (при условии, что вы сделаны из материи) вы не можете двигаться со скоростью света или быстрее.

Так что нет никаких причин, по которым галактики не могут удаляться друг от друга со скоростью 99,9999% скорости света. Однако это еще не все, поскольку расширение пространства-времени может творить забавные вещи. Вселенная на самом деле не расширяется, как можно было бы ожидать в повседневной жизни, как это сделал бы взрыв, и не было «единой точки», на которую можно было бы указать и сказать «вот где произошел большой взрыв», он произошел там, где ты сидишь, и на обратной стороне луны, и сразу за углом от Альфы Центавра... везде по факту.

Изобразите график - точки на графике не удаляются друг от друга (т.е. точка A идет от (1,1) до (2,2) и точка B идет от (5,5 до 7,7)) - вместо этого растягивается весь график, лист бумаги и все такое.

Это растяжение может происходить быстрее скорости света, поскольку материя фактически не должна менять координаты, чтобы это произошло.

Что касается названия вашего вопроса, лучший ответ — спросить «по сравнению с чем?».

Это не сокращение. Специальная теория относительности не утверждает, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Скорее, это говорит о том, что никакая обычная материя не может двигаться быстрее скорости света. Поэтому вместо того, чтобы думать, что галактики удаляются друг от друга, думайте, что пространство между ними увеличивается. Это означало бы, что само пространство может превзойти скорость света.

Кратко...

Рассмотрим фотон, испущенный 13,8 Гли назад (Гли = миллиард световых лет). По мере того, как он путешествует в пространстве, он не только удаляется от своего источника из-за движения со скоростью света.$c$, но расстояние между фотонами также увеличивается по мере роста Вселенной.

Технически...

Чтобы получить техническую информацию, расширение Вселенной фиксируется масштабным коэффициентом$a(t)$которое определяется уравнением Фридмана:

где постоянная Хаббла$H_0 = 67.8 \frac{\text{km}/\text{s}}{\text{Mpc}} = 0.0693 /\text{Gyr}$, текущее значение плотности излучения$\Omega _{\text{R0}} = 0.0000905$, современное значение плотности вещества$\Omega _{\text{M0}} = 0.308$(которые в основном состоят из темной материи) , текущее значение плотности кривизны$\Omega _{\text{$\kappa $0}} = 1 - (\Omega _{\text{R0}} + \Omega _{\text{M0}} + \Omega _{\text{$\Lambda $0}}) = 1$, а современное значение космологической постоянной$\Omega _{\text{$\Lambda $0}} = 0.692$. Эти значения взяты из Plank Collaboration 2015 . Это уравнение можно решить только численно. На следующем рисунке показан масштабный коэффициент как функция времени:

В космологии расстояние, которое фотон может пройти за заданное время, известно как сопутствующее расстояние или сопутствующий горизонт, обозначаемый как$\eta$:

который снова должен быть оценен численно. Путем численного интегрирования от 13,799 млрд лет назад до настоящего времени получается горизонт частиц в 43,5 млрд лет , что является радиочастотой наблюдаемой Вселенной. К этому значению следует относиться с долей скептицизма, поскольку оно очень чувствительно к$H_0$.

Биологически...

Я хотел бы сосредоточиться на вопросе «Почему наблюдаемая Вселенная такая большая?» с разных точек зрения. В качестве альтернативы мы можем спросить, почему наблюдаемой Вселенной 13,8 млрд лет! Это не такой уж странный вопрос, если мы сформулируем его следующим образом: «Почему мы, как наблюдатели, наблюдаем за Вселенной через 13,8 млрд лет после Большого взрыва?» Учитывая, что для возникновения разумной жизни на Земле потребовалось ~3,5 млрд лет, а условия во Вселенной были слишком суровыми, чтобы допустить эволюцию жизни в течение первых ~10 млрд лет, можно было ожидать, что большинство групп разумных наблюдателей сформируют и изучат Вселенную ~15 Гир после большого взрыва. Однако очень удивительно оказаться на заре становления жизни, учитывая, что жизнь будет процветать еще много гигалет.

Да, это может показаться противоречием, но на самом деле это не так. Это потому, что после Большого взрыва Вселенная быстро расширялась во всех направлениях, а наши наблюдения ограничены скоростью света.

Например, если мы наблюдаем далекий квазар, который кажется удаленным на 10 миллиардов световых лет, возраст света от квазара составляет 10 миллиардов лет (именно поэтому квазары известны как одни из самых древних явлений во Вселенной). За то время, пока этот свет достиг нас, Вселенная расширялась. На самом деле расширение все это ускоряет, поэтому расстояние между нами и этим квазаром в настоящее время значительно превышает 10 миллиардов световых лет.

Если бы у нас были средства наблюдения за удаленными объектами такими, какими они кажутся в данный момент, у нас не только была бы своего рода машина времени, но мы могли бы наблюдать вселенную в 80 миллиардов световых лет в поперечнике, хотя я не могу поручиться за точность Цифра в 80 миллиардов световых лет приведена на странице в Википедии.

Астрономы и физики также бьются над вопросом, «во что расширяется Вселенная». Расширяется ли он в пустое пространство, и если да, то есть ли что-то, что находится за пределами нашей вселенной на каком-то огромном расстоянии? Если это так, Вселенная может быть бесконечной.

Или вселенная складывается сама по себе на какой-то равнине более высокого измерения, то есть если бы у нас было гипотетическое средство путешествовать быстрее, чем скорость расширения вселенной, и двигаться по прямой линии, мы бы в конечном итоге вернулись в то же место? ? В этом сценарии Вселенная будет иметь теоретическую границу в любой момент времени.

Вопрос касается противоположных краев наблюдаемой вселенной, но это частный случай более общего вопроса:

Как могут два объекта, удаляющиеся от общей точки на время$Δt$в итоге больше, чем$2cΔt$отдельно?

Вам не нужно понимать общую теорию относительности, чтобы понять ответ на этот вопрос, так как это может произойти даже в специальной теории относительности. В остальной части моего ответа я предполагаю базовое знакомство со специальной теорией относительности.

Алиса и Боб обнуляют свои секундомеры в одном и том же месте и в одно и то же время, затем удаляются друг от друга на 1 секунду, измеряемую секундомерами (или измеряемую произнесением «одна картофелина»). Как далеко они друг от друга в конце? То есть, каков пространственно-временной интервал между двумя событиями секундомеров, показывающих 1 секунду?

Легко показать *, что если они оба движутся по инерции, то интервал в конце равен$\sqrt{2(γ{-}1)}$световые секунды, где$γ$- гамма-фактор их относительной скорости. С$γ$может быть сколь угодно большим, как и расстояние. Она превышает 2 световые секунды, когда$γ>3$($v \gtrsim 0.94c)$, и превосходит любое конечное значение для достаточно большой (досветовой) относительной скорости.

В пространстве-времени Минковского неравенство треугольника выполняется только тогда, когда все три стороны треугольника пространственноподобны. В других случаях длина третьей стороны вообще не ограничена длинами двух других. Наш мысленный эксперимент представляет собой случай, когда две стороны времениподобны, а третья пространственноподобна. Случай, когда все три стороны времениподобны, представляет собой парадокс близнецов: близнец-домосед может быть сколь угодно старым, когда путешествующий близнец возвращается из своей двухсекундной прогулки.

Мы можем сделать это более похожим на космологию, представив Кэрол, Теда и т. д., которые также удаляются по инерции от одной и той же точки (которую мы назовем Большим взрывом) в течение 1 соответствующей секунды. Они движутся с разной скоростью, но мы потребуем, чтобы относительные скорости ближайших соседей были похожи друг на друга (это предположение об однородности в космологии). Кроме того, вместо измерения прямолинейного пространственно-временного интервала между самыми удаленными движущимися объектами мы будем измерять интервалы между ближайшими соседями и суммировать их.

Если вы начертите мировые линии всех движителей, точки, в которых их секундомеры показывают 1 секунду, будут лежать на гиперболе с уравнением$t^2-x^2 = 1\,\text{s}^2$в инерциальных координатах.** Измеряемые нами расстояния являются полигональными приближениями к расстояниям вдоль этой гиперболы. Вы можете подумать, что эти расстояния будут больше, чем расстояния по прямой; на самом деле они короче, потому что, как обычно, все находится в обратном направлении в пространстве-времени. Но они недостаточно короче, чтобы изменить фундаментальный вывод о том, что возможны сколь угодно большие расстояния. Вы всегда можете увеличить расстояние, увеличив относительную скорость соседних движителей или добавив их в крайних случаях.

Эта игрушечная модель больше, чем просто аналогия. Если вы начнете с модели ΛCDM, описывающей реальный мир (пост-инфляцию), и соответствующим образом непрерывно сведете все плотности к нулю, она постоянно трансформируется в эту игрушечную модель. В каждой промежуточной модели достаточно удаленные объекты находятся дальше друг от друга, чем$2c$умножить на космологическое время, прошедшее с момента Большого взрыва, и нет смысла брать предел, при котором причина этого меняется. Пространство-время реального мира искривлено, но ненулевая кривизна не является причиной того, что такое нелогичное поведение возможно. Настоящая причина — смешанная метрическая сигнатура пространства-времени.

Помимо несостоятельности неравенства треугольника, еще одна причина, по которой люди находят это таким запутанным, вероятно, заключается в том, что при обучении специальной теории относительности уделяется большое внимание декартовым (инерциальным) системам координат. В 1905 году у Эйнштейна была веская причина для построения системы координат такого типа: он пытался установить связь с традиционной ньютоновской картиной пространства и времени на благо своей аудитории, которая все еще верила в эту картину. Сегодня, 115 лет спустя, никто не верит в эту картину, но мы все еще учим ее. Декартовы координаты и связанные с ними формулы (расширение времени, сокращение длины и т. д.) так тщательно изучены, что люди начинают думать, что Вселенная именно так устроена на самом деле. По правде говоря, Вселенной нет дела до наших систем координат. Ближе всего в реальном мире к универсальной сети синхронизированных часов находятся расширяющиеся галактики, и они следуют не декартовой сетке, а своего рода полярной сетке (хотя и на искривленном многообразии). Если вы определяете «расстояние» и «время» со ссылкой на декартову сетку, то вы не можете получить больше, чем$Δx=2cΔt$прочь; но если вы определяете их, ссылаясь на полярную сетку, которая действительно (некоторым образом) существует, тогда вы можете — даже в пределе, когда пространство-время является плоским.

* Выберите единицы, где 1 секунда = 1 световая секунда = 1, и инерциальные координаты, где начальная точка$x=t=0$, Алиса не двигается, а Боб движется по оси x. Тогда конечное положение Алисы$(x,t)=(0,1)$а у Боба$(x,t)=(γβ,γ)$, а расстояние между ними равно$\sqrt{(γβ-0)^2-(γ-1)^2}$знак равно$\sqrt{2γ-2}$.

** Если добавить дополнительные пространственные измерения, получится гиперболоид, который в пространстве Минковского представляет собой поверхность постоянной отрицательной кривизны. Эта модель является пределом нулевой плотности космологии FLRW, и поэтому пространство в этом пределе имеет отрицательную кривизну, а не плоское, как можно было бы ожидать: координаты FLRW аналогичны полярным координатам, а «пространство» — это сфера постоянной радиус (космологическое время). В евклидовом пространстве оно имело бы постоянную положительную кривизну; в пространстве-времени Минковского все наоборот.