Является ли опорная рама CMB особенной? Откуда это взялось?

Я нашел этот ответ на странице часто задаваемых вопросов профессора Дугласа Скотта . Он исследует реликтовое излучение и космологию в Университете Британской Колумбии.

Как получается, что мы можем сказать, какое у нас движение относительно реликтового излучения? Не означает ли это, что существует абсолютная система отсчета?

Специальная теория относительности основана на принципе отсутствия предпочтительных систем отсчета. Другими словами, вся теория Эйнштейна основана на предположении, что физика работает одинаково, независимо от скорости и направления движения. Таким образом, тот факт, что существует система отсчета, в которой нет движения через реликтовое излучение, может показаться нарушением специальной теории относительности!

Однако ключевое допущение теории Эйнштейна состоит не в том, что не существует особых систем отсчета, а в том, что не существует особых систем отсчета, в которых законы физики отличаются. Очевидно, что существует система, в которой реликтовое излучение находится в покое, и, таким образом, это в некотором смысле система покоя Вселенной. Но для проведения любого физического эксперимента подойдет любая другая система координат. Таким образом, единственное отличие состоит в том, что в системе покоя реликтового излучения вы не измеряете скорость относительно фотонов реликтового излучения, но это не подразумевает каких-либо фундаментальных различий в законах физики.

"Откуда это взялось?" также отвечает:

Откуда на самом деле взялись фотоны?

Очень хороший вопрос. Мы считаем, что очень ранняя Вселенная была очень горячей и плотной. В достаточно раннее время было так жарко, т.е. вокруг было столько энергии, что пары частиц и античастиц постоянно рождались и снова аннигилировали. Эта аннигиляция производит чистую энергию, а значит частицы света - фотоны. По мере расширения Вселенной и падения температуры частицы и античастицы (кварки и им подобные) аннигилировали друг друга в последний раз, и энергии были настолько низкими, что они не могли быть воссозданы снова. По какой-то причине (которая до сих пор не совсем понятна) в ранней Вселенной было примерно на одну миллиардную часть больше частиц, чем античастиц. Итак, когда все античастицы уничтожили все частицы, на каждую частицу материи осталось около миллиарда фотонов. И это'

Таким образом, фотоны, которые мы наблюдаем в космическом микроволновом фоне, были созданы примерно в первую минуту истории Вселенной. Впоследствии они остыли вместе с расширением Вселенной, и в конечном итоге их можно наблюдать сегодня с температурой около 2,73 Кельвина.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

@starwed указывает в комментариях, что может возникнуть некоторая путаница в отношении того, является ли кто-то в кадре покоя неподвижным по отношению к фотонам в кадре покоя. Я нашел еще пару вопросов на превосходной странице часто задаваемых вопросов по электронной почте профессора Скотта, чтобы прояснить концепцию.

В вашем ответе на вопрос «Как мы можем сказать, какое у нас движение относительно реликтового излучения?» вопрос, есть еще один момент, который можно было бы упомянуть. В расширяющейся Вселенной два удаленных объекта, каждый из которых находится в покое относительно реликтового излучения, обычно будут двигаться относительно друг друга, верно?

Расширение Вселенной, безусловно, доставляет неудобства, когда дело доходит до размышлений о простых картинах того, как все устроено космологически! Обычно мы обходим это, представляя набор наблюдателей, которые все равномерно расширяются друг от друга, т.е. у них нет «особых движений», есть только «хаббловское расширение» (которое напрямую связано с их расстоянием друг от друга). Затем эти наблюдатели определяют расширяющуюся систему отсчета. Существует множество различных таких рамок, и все они движутся с некоторой постоянной скоростью относительно друг друга. Но один из них можно явно выделить как тот, у которого на небе нет дипольной картины реликтового излучения. И это абсолютная (расширяющаяся) рамка покоя!

Предположения: Из большинства точек во Вселенной можно измерить диполь реликтового излучения. Таким образом, нужно было бы ускориться, чтобы достичь системы отсчета «в покое» относительно реликтового излучения. Вопросы: Достигнув этой «системы покоя», не нужно ли постоянно ускоряться, чтобы оставаться в покое (чтобы противостоять притяжению всей массы, рассеянной по вселенной)? [сокращенный]

Я думаю, что предположение неверно, и поэтому вопрос не нужно задавать.

Тот факт, что существует диполь реликтового излучения (одна сторона неба более горячая, а другая холодная, чем в среднем) говорит нам, что мы движемся с определенной скоростью в определенном направлении относительно «предпочтительной» системы отсчета (т.е. в котором нет наблюдаемого диполя). Чтобы попасть в эту свободную от диполей систему отсчета, нам просто нужно двигаться со скоростью, которая уравновешивает скорость, создающую диполь. Нет необходимости ускоряться (конечно, примите быстрое ускорение, которое вам нужно сделать, чтобы изменить скорость).

Наше локальное движение (которое заставляет нас двигаться относительно «рамки реликтового излучения» и, следовательно, дает нам диполь для наблюдения) вызвано близлежащими скоплениями и сверхскоплениями галактик, притягивающими нас. Это правда, что в космологических масштабах времени эти объекты также движутся. И поэтому, если бы мы хотели всегда оставаться в бездипольной системе отсчета, нам пришлось бы вносить небольшие коррективы в нашу скорость по мере того, как мы двигались и притягивались различными объектами. Но эти изменения будут происходить во временном масштабе примерно в миллиард лет. Таким образом, чтобы попасть в кадр без диполя реликтового излучения, в основном требуется выполнить следующие 3 шага: (1) наблюдать за сегодняшним диполем; (2) двигаться в самом холодном направлении с нужной скоростью, чтобы отменить диполь; и (3) поддерживать в основном одну и ту же скорость навсегда.

Лучшая теория, которая у нас есть в настоящее время для решения этого вопроса, — это общая теория относительности Эйнштейна. Его более ранняя специальная теория относительности постулировала эквивалентность всех инерциальных (т.е. неускоряющихся) систем отсчета для формулировки основных законов природы, но игнорировала гравитационные явления. Общая теория включала гравитацию, рассматривая ее как проявление кривизны геометрии пространства-времени, и использовала тензорное исчисление для формулировки законов природы в форме, которая была бы инвариантной при любом изменении системы отсчета или системы координат. Это была также первая теория, которая могла моделировать динамическую эволюцию Вселенной в целом. Последующее открытие как расширения эволюции Вселенной в результате Большого взрыва, так и космического микроволнового фонового излучения (CMB), затем предоставил данные, которые можно было использовать для определения системы координат, относительно которой наиболее просто можно было бы описать самые масштабные объекты Вселенной. Это так называемая сопутствующая система координат, в которой пространственные координаты расширяются вместе с разделяющимися галактическими скоплениями, а реликтовое излучение имеет наиболее сферически-симметричное распределение интенсивности с частотой. Эту систему координат называют определяющей «систему покоя Вселенной», и наше движение относительно нее можно измерить по наблюдаемому нами распределению дипольного момента, наложенному на сферически симметричное реликтовое излучение. Но пока расширение и реликтовое излучение в котором пространственные координаты расширяются с разделяющимися галактическими скоплениями, а реликтовое излучение имеет наиболее сферически симметричное распределение интенсивности с частотой. Эту систему координат называют определяющей «систему покоя Вселенной», и наше движение относительно нее можно измерить по наблюдаемому нами распределению дипольного момента, наложенному на сферически симметричное реликтовое излучение. Но пока расширение и реликтовое излучение в котором пространственные координаты расширяются с разделяющимися галактическими скоплениями, а реликтовое излучение имеет наиболее сферически симметричное распределение интенсивности с частотой. Эту систему координат называют определяющей «систему покоя Вселенной», и наше движение относительно нее можно измерить по наблюдаемому нами распределению дипольного момента, наложенному на сферически симметричное реликтовое излучение. Но пока расширение и реликтовое излучениеявления , выглядящие проще в сопутствующих координатах, законы , управляющие расширением и реликтовым излучением, будучи выражены в тензорной форме, имеют один и тот же вид в любых координатах. Таким образом, сопутствующая система координат, «система покоя Вселенной», является (в настоящее время) только специальной или «предпочтительной» для описания самых масштабных особенностей Вселенной.

Космическое фоновое излучение представляет собой сильно смещенное в красную сторону изображение последней рассеивающей поверхности. Последняя рассеивающая поверхность — это не отдельный объект, это то, как Вселенная выглядела достаточно далеко назад во времени, чтобы полностью состоять из горячей непрозрачной плазмы. Несколько мгновений спустя температура достаточно снизилась, чтобы частицы могли стать электрически нейтральными, и свет не сразу поглощался следующей частицей. Вселенная стала прозрачной, и свет, который вы видите от последней рассеивающей поверхности, только сейчас достигает вас.

Плазма, составлявшая последнюю рассеивающую поверхность, была очень горячей, и ее отдельные частицы имели в себе достаточно большое движение. Система покоя космического фонового излучения является средним значением этих частиц, а не какой-то специальной системой отсчета, уникальной для физики.

Также важно отметить, что это не просто «где-то там мяч», а то, что происходило повсюду, в том числе и там, где вы стоите! Но то, где вы стоите, это было миллиарды лет назад, и с тех пор вы переместились и стали человеком, стоящим на планете вместо плазмы. Когда вы смотрите на миллиарды лет назад, вы видите Вселенную такой, какой она была миллиарды лет назад. Вы видите плазму, у которой еще не было возможности двигаться.

TL;DR: Нет, ничего особенного. Это происходит от того, что мы переехали с тех пор.

Фотоны, формирующие реликтовое излучение, исходят от так называемой последней рассеивающей поверхности. Эта поверхность различна в зависимости от положения наблюдателя в пространстве-времени. Таким образом, у каждого наблюдателя будет своя система отсчета, в которой реликтовое излучение не имеет дипольного члена.

Поскольку расцепление произошло, когда Вселенная была всего лишь одной тысячной своего нынешнего размера, и с тех пор фотоны непрерывно перемещаются, они приходят со значительного расстояния. Действительно, расстояние близко к размеру наблюдаемой Вселенной. Те, что мы видим, возникают на поверхности очень большой сферы с центром в нашем местоположении, показанной на рис. 10.2, называемой поверхностью последнего рассеяния. Его радиус порядка 6000$h^{- 1}$Мпк (см. Задачу к.5). Конечно, в этой конкретной поверхности нет ничего особенного, за исключением того, что она находится как раз на том расстоянии, на котором к сегодняшнему дню достигли нас фотоны. В каждой точке есть фотоны, и наблюдатели в разных частях Вселенной (если они есть!) увидят фотоны, исходящие из разных больших сфер. того же радиуса с центром в их месте.

из « Введения в современную космологию » Эндрю Лиддла. Страница 80