Почему расширение пространства влияет на материю?

Если само пространство расширяется, то почему оно должно влиять на материю (разделять далекие галактики)?

  • Пространство — это «ничто», и если «ничто» становится больше «ничего», то это все равно «ничто», которое никак не должно взаимодействовать с материей (у него нет массы, энергии и т. д.).

  • Гравитация на самом деле не имеет предельного расстояния, поэтому даже самые далекие галактики должны притягиваться друг к другу. Сила гравитации была бы очень-очень маленькой, но она все равно доминировала бы над «ничто» из-за расширения пространства.

  • Учтем инерцию от Большого Взрыва. Инерция была бы основной силой, которая отдаляет галактики по сравнению с их крошечной гравитацией и еще более крошечной силой нашего «ничто», которое все еще расширяется между ними. Разве расширение не замедлилось бы, если бы оно двигалось в основном по инерции?

Inertia would be the primary force. Я могу сказать, что вы знаете, о чем говорите, и вы не имеете в виду ньютоновскую силу в этом предложении, но я предлагаю вам заменить силу чем-то вроде фактора, потому что новые студенты действительно склонны думать, что инерция на самом деле является силой.

Ответы (3)

  • У космоса на самом деле есть энергия , энергия вакуума. Это было показано различными экспериментами и может быть объяснено квантовой механикой. Таким образом, больше места означает больше энергии. Хотя его, вероятно, нельзя использовать для выполнения работы, он действует для увеличения расширения. Посетите страницу википедии для получения дополнительной информации.

  • Хотя галактики массивны, они находятся далеко, и поэтому их ускорение относительно друг друга слабое. Если пространство между галактиками расширяется быстрее, чем их взаимное притяжение; галактики разойдутся.

    Представьте себе футболиста, который бежит от одной конечной зоны к другой так быстро, как только может. Однако расстояние между их конечными зонами удваивается каждые 4 секунды. Конечные зоны не двигаются; пространство между ними увеличивается. Игрок не может надеяться достичь своей цели. Через короткое время он не сможет увидеть другой конец.

    Страшно то, что это касается не только поля, но и всего. Сам игрок будет разорван на части, поскольку его собственные части тела будут двигаться все дальше и дальше друг от друга. Если бы пространство расширялось достаточно быстро, сил притяжения, удерживающих вместе черные дыры или даже атомы, было бы недостаточно. Это то, что обычно называют Большим разрывом.

    К счастью, расширение происходит достаточно медленно, чтобы только «далекие» галактики удалялись друг от друга. Гравитационных сил в солнечной системе или галактике более чем достаточно, чтобы противостоять расширению. Чем больше масштаб системы, тем большее расширение приходится играть.

  • Когда мы говорим о расширении, мы не имеем в виду объекты, удаляющиеся из-за их больших скоростей на статичном фоне.

    То, что вы описываете, похоже на шарики на сетке. Шарики уходят дальше из-за того, что их скорости относительно сетки указывают в противоположных направлениях.

    Вместо этого расширение похоже на рост сетки в масштабе. Это влияет на расстояния между шариками независимо от их скоростей; вот почему мы наблюдаем, как все далекие объекты удаляются от нас. Если бы не расширение, можно было бы ожидать более случайного распределения. Только в меньших масштабах, где расширение не так важно, мы можем видеть движущиеся к нам объекты, такие как Галактика Андромеды.

    Мы ни в коем случае не удаляемся от центра Вселенной. Идея Большого Взрыва и Инфляции состоит в том, что не только всякая вещь, материя и энергия; но везде содержалось в Большом Взрыве.

В вашем последнем пункте списка, я думаю, вы должны указать, что под «скоростью» (шариков) вы имеете в виду движение относительно сетки. (Можно также определить скорость как изменение относительного положения, и в этом смысле шарики будут иметь скорость отдельно друг от друга, даже если они не движутся относительно сетки.)
@Zaslavsky Как бы вы посоветовали мне перефразировать утверждение, чтобы сделать его более очевидным? Я хотел бы, чтобы это было как можно лучше, но я вижу, как это может ввести в заблуждение. Я попытался улучшить его. Я думаю, что это могло бы быть сформулировано лучше.
Что ж, правка, которую вы сделали, выглядит нормально. Я думаю, вы могли бы также сказать «... скорости через само пространство» или что-то в этом роде. Я не могу придумать особенно хороший способ сформулировать это с головы до ног.
Аналогия с футбольным полем не имеет (общепринятого) смысла. Как можно расширить пространство между конечными зонами без перемещения конечных зон?

Космос - это "ничто"

Не совсем. Общая теория относительности говорит нам, что пространство-время — это настоящее живое существо, которое реагирует на то, что делает материя, а материя реагирует на то, как искривляется пространство-время. Или, как выразился Джон Уилер : «Материя говорит Пространству-времени, как искривляться, а Пространство-время говорит материи, как двигаться». Для введения в общую теорию относительности вы можете начать с этой статьи в Википедии .

Гравитация не имеет предельного расстояния

Вы говорите о классической ньютоновской гравитации. Но это не то, как гравитация работает в больших масштабах. В больших масштабах гравитация — это всего лишь видимость, вызванная тем, что пространство-время искривлено. Если она изогнута определенным образом, создается впечатление, что объекты притягиваются друг к другу. Как это:

альтернативный текст

Но в огромных масштабах эти локальные, притягивающие деформации совершенно ничтожны. Когда вы принимаете во внимание все пространство-время, оно искривляется по-другому (подробнее об этом в последнем разделе). И важно то, что пространство-время расширяется (как когда вы надуваете воздушный шар). Поскольку он расширяется, расстояния между любыми двумя точками становятся больше, и кажется, что все удаляется от вас. Так что гравитация на самом деле является отталкивающей силой в больших масштабах (или, по крайней мере, может быть; снова см. последний раздел для уточнения).

Не замедлится ли расширение?

Есть много решений уравнений Эйнштейна. Некоторые из них стационарны, некоторые расширяются (с ускоренной или замедленной скоростью), некоторые из них возвращаются от расширения к втягиванию. Теперь, какое из этих решений правильное, зависит от точных условий во время (или, точнее, вскоре после) большого взрыва.

Важной частью нынешнего теоретического понимания пространственно-временного расширения является то, что космологическая постоянная отлична от нуля, и именно это ускоряет расширение. Полная картина содержания материи в нашей Вселенной и ее связи с расширением Вселенной называется Lambda-CDM (Lambda — это псевдоним космологической постоянной, а CDM — это холодная темная материя, которая составляет большую часть материи в космосе). вселенная). Теперь космологическую постоянную также называют темной энергией . Но в настоящее время мало что известно об этих вопросах, и основные концептуальные проблемы современной теоретической физики и космологии связаны с природой космологической постоянной.

Фраза Дж. Уилера: «Материя говорит пространству-времени, как искривляться, а пространство-время говорит материи, как двигаться», подразумевает, что материя сама говорит себе, как двигаться — что же нам теперь делать с этим?
@ Джерард: как насчет этого? Он должен быть полностью естественным. Просто возьмем ньютоновскую гравитацию: одна часть материи (Земля) сообщает другой части материи (Луне), как двигаться. GR просто добавляет посредника этого действия.
Конечно, ничего нового. Когда ОТО вводит посредника, возможно, его можно сравнить с концепцией «эфира». Это тоже был посредник, а после отказа от него в СТО ввели новый посредник в ОТО?
@ Джерард: да, в каком-то смысле пространство-время можно рассматривать как своего рода «эфир». Хотя это гораздо изощреннее той наивной концепции эфирных людей, которую предлагали до СТО.

Я действительно думаю, что вас ввели в заблуждение. Обычно (по моему опыту), когда люди говорят, что пространство расширяется, они имеют в виду, что расширяется Вселенная , но это просто означает, что объекты во Вселенной удаляются друг от друга (или, в случае непрерывной массы/энергии). распределения, что плотность уменьшается со временем). Это то, что космологический масштабный фактор а ( т ) предназначен для: он описывает изменение расстояния между двумя объектами (например, галактиками), движение которых подвержено только крупномасштабным взаимодействиям.

р ( т 1 ) знак равно а ( т 1 ) а ( т 2 ) р ( т 2 )

Теперь, потому что а ( т ) является частью метрики, определяющей искажение (или «кривизну») пространства-времени, легко подумать, что этот масштабный коэффициент будет характеризовать расширение самого пространства. Но я думаю, что это неправильная интерпретация или, по крайней мере, запутанная интерпретация. Масштабный коэффициент на самом деле относится только к измеримым расстояниям между объектами. Поэтому вместо того, чтобы пытаться понять, что означает расширение пространства, просто подумайте о том, что вещи расходятся дальше друг от друга.

Двигаясь дальше, вы правы, говоря, что если вещи ведут себя так, как мы интуитивно ожидаем, расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного притяжения. Но лучшие экспериментальные наблюдения, которые я знаю, показывают, что верно обратное: расширение ускоряется. Если вы не готовы утверждать, что эксперименты проводились или интерпретировались неправильно, это означает, что должно происходить что-то неинтуитивное.

До сих пор ведутся споры о том, что именно может ускорить расширение Вселенной. Что бы это ни было, космологи называют ее темной энергией (еще во времена Эйнштейна они называли ее «космологической постоянной»), но ни у кого нет удовлетворительного объяснения того, почему эта темная энергия существует или какими могут быть ее свойства, кроме того факта, что это ускоряет расширение Вселенной. Это один из самых больших открытых вопросов в современной космологии.

То есть вы имеете в виду, что объекты просто разлетаются под действием неизвестной силы в статичном пространстве, а не потому, что само пространство расширяется и растягивает объекты? У меня всегда было впечатление, что создается ткань пространства, поэтому объекты раздвигаются, потому что между объектами создается больше «пустоты», а объекты на самом деле не двигаются.
@serg: Все как ты сказал. «Пространство создается», вернее, «пространство-время расширяется», а то, что вещи раздвигаются, — всего лишь иллюзия. Так что я не согласен с Дэвидом в том, что неправильно думать о расширении пространства-времени с точки зрения а ( т ) . Согласно GR, именно это и происходит. Например, если бы наша Вселенная была 3-сферой, то вы могли бы (в принципе) фактически измерить ее диаметр вдоль главной окружности, и он действительно увеличивался бы со временем.
@Marek: я думаю, вы неправильно истолковали мой ответ. Я не говорил, что неправильно думать о расширении пространства-времени с точки зрения а ( т ) , но ошибочно думать о а ( т ) как характеристику самого пространства. Я просто имел в виду, что его лучше ассоциировать с измеримыми расстояниями, а не с каким-то абстрактным понятием «пространство». Если бы Вселенная была 3-сферой, ее окружность была бы одним из этих измеримых расстояний; нет никаких причин, по которым вы не могли бы связать это с а ( т ) .
(продолжение) И я должен не согласиться с вашим комментарием в одном: я бы сказал, что вещи раздвигаются, и идея о том, что «пространство создается» — это ерунда, если только вы не выработаете точное определение того, что значит создавать пространство.
@serg: Похоже, у вас есть представление о том, что пространство — это некая сущность, отдельная от материи и энергии, то есть что оно может расширяться, в то время как объекты в нем остаются неподвижными, или оно может оставаться статичным, пока объекты в нем расходятся. Сделайте все возможное, чтобы забыть об этом. Вся аналогия с «тканью пространства-времени» ужасно вводит в заблуждение, если вы толкаете ее дальше того, что она должна была объяснить, как, я думаю, вы делаете здесь.
Описать эти вещи словами сложно. Возьмите плоскую метрику Роберстона-Уокера и выполните преобразование координат р знак равно а ( т ) р . Тогда метрика становится г с 2 знак равно − ( 1 − ( а ˙ р а ) 2 ) г т 2 + 2 г т г р ( г о т а р а ) + г р 2 + р 2 г Ом 2 . Теперь буквально кажется, что есть эффект перетаскивания кадра ( грамм т р термин), описывающий расширение пространства, и что расстояния фиксированы. Какая формулировка правильная? Оба из них. Это вопрос интерпретации.
@ Дэвид: а, тогда ладно. Но если я правильно помню метрику FRLW, а ( т ) имеет очень четкую связь с реальным размером Вселенной (по крайней мере, для компактного случая).
@ Дэвид: это зависит. Оба утверждения «они расходятся» и «они не расходятся» верны в зависимости от того, как вы их интерпретируете. Это правда, что эффективное движение возникает из-за расширения, но оно не происходит из-за движения самих объектов.
@David: почему у тебя проблемы с "пространством создается"? Конечно, это просто популярное мнение, но это совершенно верно. Возьмем снова 3-сферу. Он имеет некоторый объем. Вы можете измерить это. Этот объем увеличивается во времени. Так что действительно, пространство должно было быть создано.
@Marek: ну, вот у вас есть точное определение того, что значит создавать пространство: увеличивать окружность (и, следовательно, объем) вселенной. Это прекрасно. С чем у меня действительно проблемы, так это с попытками провести техническую дискуссию, используя слова, значения которых неясны. Также re: 2 комментария вверх, как вы определяете движение самих объектов, кроме как изменением их относительного положения?
@David: я не пытаюсь вести техническую дискуссию. Я думал, что мы пытаемся объяснить что-то неспециалисту ;-)
@David: что касается движения ... ты действительно знаешь, как получить FRLW? Вы начинаете со стационарных наблюдателей (что вы можете сделать благодаря предположению об однородности), которые стационарны относительно жидкости, заполняющей пространство. Так что да, вы можете определить абсолютное движение для этих видов (очень специфических) пространств-времен.
@Marek: ну, в ответах, я полагаю, мы пытались объяснить непрофессионалам, но сейчас мы находимся в середине технической дискуссии ;-) В любом случае, я думаю, что вся эта дискуссия является результатом противоположных определений. Я определяю «движение» как изменение измеренного относительного положения, тогда как, если я правильно понял вас, вы определяете его как нечто более похожее на изменение сопутствующей координаты — что, конечно, хорошо; извините за шумиху по этому поводу! Я просто думаю, что последнее, вероятно, будет гораздо более запутанным для тех, кто не знаком с ОТО на математическом уровне.
@David: достаточно честно. Относительно движения: точно. Есть два независимых определения, и ни одно из них не является более правильным. Но я думаю, что у @serg уже было довольно хорошее представление об этом (о чем я также упоминал). А именно, что вы можете представить вселенную в виде воздушного шара. Когда вы дуете в него, он становится больше, а расстояния увеличиваются, но фактические молекулы резины никуда не денутся (во втором смысле движения). Просто увеличиваются межмолекулярные расстояния (что соответствует расширению пространства и уменьшению плотности галактической жидкости).
@David @Marek: Вот почему я обычно отношусь к этим вещам так: «вычислите соответствующее физическое свойство, используя правила дифференциальной геометрии и ОТО», и только затем предоставьте простой набор слов на английском языке для интерпретации результата. В противном случае вы просто будете говорить кругами о вещах, которые могут быть эквивалентны в разных координатах. Собственные расстояния между галактиками увеличиваются в пространстве-времени FRLW. <b>Почему</b> это происходит, зависит от того, какую систему координат/схему интерпретации вы используете, и разные схемы проясняют одни вещи и затемняют другие.
@ Джерри: хорошо сказано. Я тоже согласен с этим (что реальные результаты получаются из расчетов), я думаю, слишком легко увлечься спорами об интерпретациях.
@ Джерри Ширмер: действительно хорошо сказано.
Почему расширение пространства влияет на материю?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v