Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться?

в 10:43, , рубрики: астрономия, Вселенная, Научно-популярное, расширение вселенной, спросите итана, тёмная энергия, физика

image
Показанные здесь звёзды, галактики и скопления связаны гравитацией и не будут расширяться вместе со Вселенной

У расширения Вселенной длинная и поразительная история. Когда Хаббл впервые заметил взаимосвязь между расстоянием от нас до галактики и красным смещением её света, он сразу же понял, что это – последствия общей теории относительности Эйнштейна. Когда Хаббл объявил о своём открытии, Эйнштейн сразу же отрёкся от своей космологической константы – «дурацкого фактора», призванного держать Вселенную статичной – и назвал его своим величайшим промахом. Но в то время, как пространство между галактиками расширяется, атомы, люди и планеты сохраняют свой размер. Чем же это определяется? Наш читатель хочет выяснить:

Каков имеется в виду масштаб размеров, когда идёт речь о расширении Вселенной? Значит ли это, что планковская длина непостоянна? Растут ли орбиты атомов вместе с этим растяжением пространства или этому препятствует сильное взаимодействие?

Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться? - 2
Модель растущей Вселенной «хлеб с изюмом», где относительные расстояния увеличиваются с расширением пространства (теста)

Расширение Вселенной сложно себе представить – ведь оно совсем не интуитивно. Лучшей аналогией, возможно, будет представить себе ткань пространства в виде комка теста, подвешенного в печке при нулевой гравитации. При выпекании хлеб подходит на дрожжах и равномерно расширяется во всех направлениях. Но это аналогия для пустого пространства. Что, если бы вы хотели представить пространство, в котором есть материя: протоны, атомы, люди, планеты, галактики, скопления? Есть два способа того, как представить себе это расширение.

Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться? - 3

Один – поверхность шарика с приклеенными к ней монетками. Монетки не меняются, а шар надувается. Вселенная становится всё больше, и всё пространство между отдельными частицами – или отдельными галактиками – также растёт. Кажется, что монетка удаляется от своих соседей с определённой скоростью, а монетка, расположенная в два раза дальше, будет удаляться в два раза быстрее. И каждой монетке будет видеться то же самое: воспринимаемая скорость и красное смещение (растяжение) света будет зависеть исключительно от расстояния до монеты, на которую вы смотрите. Именно это у нас и происходит, и это было известно с 1920-х. Именно такое взаимоотношение и существует во Вселенной, что продемонстрировал нам закон Хаббла.

Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться? - 4

Ещё один способ представить себе расширение – это взять шарик, на котором объекты нарисованы. При надувании шарика и растяжении поверхности расширяются и отметки краской. Конечно, удалённые объекты будут отодвигаться в соответствии с законом Хаббла, но в нашем случае они и сами будут раздуваться вместе с тканью пространства.

Так что же происходит во Вселенной? На каких масштабах расширяется пространство? Мы можем, во-первых, изучить саму Вселенную. Наблюдая за отдалёнными галактиками, мы должны зарегистрировать красное смещение и уменьшение их массы, поскольку чем дальше галактика, тем раньше она появилась.

Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться? - 5

Это мы видим, но также вы видим и другие важные особенности:

• У галактик с большим красным смещением есть те же самые линии спектра – а это значит, что свойства и размеры атомов, существовавших миллиарды лет назад, не отличаются от сегодняшних.
• Физический размер галактик определяется исключительно их массой. У галактик одной массы, как у старых, так и у новых, одинаковый размер.
• Принцип формирования космических сетей (крупномасштабных структур) зависит только от количества имеющейся массы в определённом участке пространства.

Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться? - 6

Получается, что нам ближе будет аналогия с монетками, чем с краской. Наблюдая за Вселенной, мы видим, что ткань пространства расширяется всегда, если только ей не мешает другая сила, стягивающая объекты вместе. Это полностью укладывается в теоретическую базу, поскольку, несмотря на распространённое мнение, расширение – это не сила, а скорость. Когда что-то связывается вместе, то становится неважным, какая сила его связывает, будь то ядерная сила в протонах и ядрах атомов, электромагнитная сила в атомах, клетках и людях, или это гравитация в случае планет, звёзд, галактик и скоплений.

Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться? - 7
Скопление Волос Вероники

Хотя ткань пространства расширяется сама по себе, она расширяется с определённой скоростью на единицу длины. (По сути, это величина с размерностью обратного времени). Приблизительно выходит, что если сила между двумя объектами заставляет их притягиваться быстрее, чем пространство между ними увеличивается из-за расширения Вселенной, но они уже превращаются не в «краску», а в «монетки». Наши тела связаны вместе, каждый атом связан вместе, локальная группа галактик уже связана вместе, и даже всё скопление Волос Вероники связано вместе. Но важно помнить, что всё относительно. Расширение Вселенной не влияет на нашу локальную группу и на всё внутри неё, потому что наша локальная группа слишком крепко связана – но выйдите за её пределы, и пространство будет продолжать расширяться. Именно поэтому удалённые галактики и другие связанные структуры отдаляются от нас, хотя все они локально привязаны к своему участку космоса.

Спросите Итана: насколько большим должен быть участок Вселенной, чтобы расширяться? - 8

Но мы можем отправиться на поиски сколь угодно малых регионов пространства там, где такой связи нет, где нет материи, и обнаружим, что регион любого размера – несколько световых лет, километров, микронов, диаметров протона или длин Планка (или ещё меньше) – расширяется по закону Хаббла. Скорость расширения пространства в ОТО позволяет рассматривать ткань пространства так, будто она полностью непрерывна, и её не надо квантовать, как в квантовой физике. Это остаётся верным для расширения Вселенной ровно до тех пор, пока вы не поместите в неё связанную структуру! Не существует какого-то фундаментального ограничения на то, каким малым может быть участок пространства, расширяясь при этом, но для этого он должен быть либо пустым, либо достаточно большим для того, чтобы существующая структура не смогла перебороть расширение.

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля