Чому спостережуваний Всесвіт більший за його вік?

22

Вік Всесвіту оцінюється в 13,8 мільярда років, і нинішня теорія стверджує, що нічого не може перевищувати швидкість світла, що може призвести до неправильного висновку, що радіус Всесвіту не може мати більше 13,8 мільярда світлових років.

Вікіпедія вирішує цю помилку так:

Це міркування мало б сенс лише в тому випадку, якщо плоскі, статичні уявлення про просторі Міньковського під особливою відносністю були правильними. У реальній Всесвіті просторовий час вигнуто таким чином, що відповідає розширенню простору , про що свідчить закон Хаббла . Відстані, отримані у вигляді швидкості світла, помноженої на космологічний проміжок часу, не мають прямого фізичного значення. → Нед Райт, "Чому в прес-релізах не слід використовувати легку відстань у подорожі"

Це не зрозуміло для мене питання, і не маючи жодної наукової та математичної підготовки поза середньою школою, подальше читання закону Хаббла теж не дуже допомагає.

Пояснення одного мирянина, яке я бачив, пропонує пояснення, що сам Всесвіт не пов'язаний тими ж законами, що і речі всередині нього. Це мало б сенс - наскільки це можливо, - але наведена цитата ( "Відстані, отримані у міру швидкості світла, помноженої на космологічний часовий інтервал, не мають прямого фізичного значення" ) здається більш загальним, ніж це.

Чи може хто-небудь запропонувати (або направити мене) гарне пояснення мирян?

— GDav
джерело

ви можете подивитися коментарі до цього питання? astronomy.stackexchange.com/q/2150/1227

— chris

Дублікат цього питання: Як Всесвіт може розширюватися швидше, ніж швидкість світла?

— Фархан

19

Найпростішим поясненням того, чому максимальна відстань можна побачити, є не просто добуток швидкості світла з віком Всесвіту, тому що Всесвіт нестатичний.

Різні речі (тобто матерія проти темної енергії) по-різному впливають на координати Всесвіту, і їх вплив може змінюватися з часом.

Хорошим вихідним пунктом у всьому цьому є аналіз параметра Хаббла, який дає нам постійну Хаббла в будь-якій точці минулого чи майбутнього, враховуючи, що ми можемо виміряти, з чого складається Всесвіт на даний момент :

де підписники,,інавідносяться до параметрів щільності речовини (темного і баріонічного), випромінювання (фотонів та інших релятивістських частинок), кривизни (це тільки вступає в гру якщо всесвіт у всьому світі відхиляється від просторово плоскої; дані свідчать про те, що він відповідає рівній площині), і нарешті темна енергія (яка, як ви помітите, залишаєтьсяпостійноюнезалежно від того, як розігрується динаміка Всесвіту). Я також повинен зазначити, що позначенняпідпису означає, як вимірюєтьсясьогодні.

H (a) = H_{0} \sqrt{\frac{Ω_{m, 0}}{a^{3}} + \frac{Ω_{γ, 0}}{a^{4}} + \frac{Ω_{k, 0}}{a^{2}} + Ω_{Λ, 0}}

$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$

m

$m$

γ

$\gamma$

k

$k$

Λ

$\Lambda$

Ω

$\Omega$

0

$0$

$a$ $a$ $2^{3}$ $a^{3}$ $a$ $a^{4}$

Оскільки різні компоненти діють по-різному, коли змінюються координати Всесвіту, в історії Всесвіту є відповідні епохи, де кожен компонент домінує над загальною динамікою. Зробити це теж просто. При малому масштабному коефіцієнті (дуже рано) найбільш важливою складовою була радіація. Параметр Хаббла на ранніх термінах може бути дуже наближений наступним виразом:

H (a) = H_{0} \frac{\sqrt{Ω_{γ, 0}}}{a^{2}}

$H(a) = H_{0} \frac{\sqrt{\Omega_{\gamma,0}}}{a^{2}}$

Навколо:

\frac{Ω_{m, 0}}{a^{3}} = \frac{Ω_{γ, 0}}{a^{4}}

$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$

a = \frac{Ω_{γ, 0}}{Ω_{m, 0}}

$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$

Отже, бачите, знайти відстань до космологічного горизонту було б трохи складніше, ніж просто помножити швидкість світла на вік Всесвіту. Насправді, якщо ви хочете знайти цю відстань (формально відомий як відстань до космічного горизонту), вам доведеться виконати наступний інтеграл:

D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{d z}{\sqrt{Ω_{m, 0} (1 + z)^{3} + Ω_{Λ}}}

$D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{\mathrm{d}z}{\sqrt{\Omega_{m,0}(1+z)^{3} + \Omega_{\Lambda}}}$

$z_{e}$ $\sim 1100$

— астромакс
джерело

1

Дякую за таку детальну та розглянутий відповідь. Ви, можливо, не помітили "простого" елемента питання - принаймні, математика проходить далеко за моєю головою, - але я ціную, що, мабуть, існує обмеження, наскільки мирянин може зрозуміти такі речі.

— GDav

Хм - мої вибачення. Я думав, що це буде засвоюваний шматок космології. Я дійсно хотів зазначити, що це невід'ємний, а не простий продукт між епохою Всесвіту та швидкістю світла. Оскільки різні речі діють по-різному з розширенням, ви отримуєте "фази", через які проходить Всесвіт. Швидкість розширення змінюється залежно від того, на якій фазі він перебуває. Сміливо продовжуйте публікувати запитання - я (та інші) із задоволенням намагатимуться зробити так, як це зрозуміло.

— astromax

@astromax +1, хоч для досить симпатичних формул.

— iMerchant

12

Коротше кажучи: речі не можуть рухатись швидше, ніж світло самі по собі, але вони можуть рухатися швидше, ніж світло через загальне розширення. Чим далі, тим швидше вони відходять.

— Запросити
джерело

4

Я просто думав про це, і ось моє миряне пояснення. Уявіть, що ви відслідковуєте дві точки на зім’ятому аркуші паперу, крапки рухаються, але, коли вони рухаються, так як папір стає «розрізненою», фактична відстань між крапками буде більшою, ніж сума відстаней, яку вони мають подорожував.

— Хані
джерело

2

Повністю ненаукове пояснення ...

Уявіть, що Всесвіт - повітряна куля. Два тіла починаються близько один від одного, але на протилежних поверхнях. Розширення повітряної кулі віддаляє їх один від одного з однаковою швидкістю і з такою швидкістю, що світло від одного на його вихідній точці займає майже всю історію Всесвіту, щоб дійти до іншої. Відстань між двома СЕЙЧАСЬ не вдвічі перевищує вік Всесвіту - тому що ви не можете подорожувати «крізь» повітряну кулю - а натомість треба об'їжджати поверхню повітряної кулі ... 13,8 * PI мільярдів світлових років = 43 мільярди світлових років.

Не строго правильно, але, принаймні, уникає занадто сильних хвилювань щодо астрофізики та космології!

— позначка
джерело

π

$\pi$