Пишeт: Ethan Siegel

И eсли дa, тo кaк с этим спрaвляются тeoрии oтнoситeльнoсти Эйнштeйнa, спeциaльнaя и oбщaя?

Eсли вaм кажется, что всё под контролем – вы едете слишком медленно.

— Марио Андретти

Конец недели означает, что я снова выбираю вопрос из присланных вами, и на этой неделе нам повезло получить вопрос, напрягающий разум и искривляющий пространство и время. Читатель хочет узнать побольше о величайшей загадке расширяющейся Вселенной, относительности и тёмной энергии:

Хорошо известно, что вселенная расширяется с ускорением. Возможно ли, чтобы скорость расширения превысила скорость света? И если да, не будет ли это противоречить теориям Эйнштейна?

Начнём с того, что такое скорость света.

Неважно, где вы находитесь и кто вы, существует жёсткое ограничение на ваше движение в пространстве. Можно было бы решить, что чем больше энергии тратишь, тем быстрее можно двигаться… И хотя это так и есть, но это может продолжаться лишь до определённого предела.

———————-<cut>———————-

Если вы двигаетесь со скоростью несколько метров в секунду, или несколько километров в час, или даже несколько километров в секунду, как двигается Земля по орбите Солнца, вы даже не заметите ограничений на движение с бесконечной скоростью.

https://www.youtube.com/wat…

Но они всё равно существуют. Чем быстрее вы двигаетесь – чем больше ваша скорость движения через пространство – тем медленнее вы двигаетесь сквозь время. Представьте, что вы находитесь в покое на поверхности Земли, а ваш друг взлетел с места вашего нахождения и на реактивном самолёте отправился в кругосветное путешествие. До того, как вы расстались, вы синхронизировали часы с точностью до микросекунд.

Если ваши часы достаточно чувствительные, то когда ваш друг вернётся к вам, вы обнаружите, что часы немного рассинхронизировались. Ваши часы будут показывать время чуть позже, чем часы друга – отличие будет примерно в десятые части микросекунд, но всё-таки будет.

И чем быстрее двигаться, тем больше будет разница во времени.

https://vimeo.com/113839544

Часы космонавтов на МКС, облетающих вокруг Земли за 90 минут, отстают на несколько секунд после возвращения. Эта разница становится заметной даже при помощи обычных часов.

Странность в том, что не только часы идут по-разному на разных скоростях, но и время двигается с разной скоростью.

Факт замедления часов на высоких скоростях будет следствием того, что время и пространство связаны, и что быстрое движение через пространство означает замедление времени. Связь между пространством и временем определяется скоростью света. Чем ближе вы к скорости света, тем больше течение времени асимптотически приближается к нулю.

Поэтому мюон, нестабильная частица со средним временем жизни в пару микросекунд, может быть создан в верхней части атмосферы на скорости, близкой к скорости света, и дойти до поверхности Земли. Это путь в 100 км, и если бы он двигался по нему со скоростью 300 000 км/с в течение 2,2 микросекунд, он бы распался, пройдя лишь 0,6% всего пути. То, что мюон успевает достичь поверхности – и если вы вытянете руку, то через неё каждую секунду будет пролетать примерно по одному мюону – происходит благодаря этому эффекту относительности.

А что же до расширения Вселенной? Вы знаете, что если вы выберете какую-либо галактику, то в среднем получится, что чем дальше она от вас, тем быстрее она будет отдаляться. Галактики в кластере Девы, находящиеся на расстоянии 50-60 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 1200 км/с. Галактики в скоплении Волос Вероники, расположенные на расстоянии 330 миллионов световых лет, двигаются от нас со скоростью 7000 км/с.

Чем дальше мы заглядываем, тем быстрее эти галактики и кластеры удаляются. Конечно, встречаются отклонения на несколько сотен или тысяч км/с из-за местных перемещений и эффектов гравитационного притяжения, но на крупных масштабах – и на больших расстояниях – можно видеть, что чем дальше они от вас, тем быстрее они будут отдаляться. Впервые это наблюдение сделал Эдвин Хаббл в 1920-х годах, и оно привело к закону Хаббла, или закону, определяющему расширение Вселенной. С наилучшими современными средствами наблюдения мы можем подтвердить правильность этого закона на миллиарды световых лет во всех направлениях.

«Секунду»,- я могу практически слышать ваши возражения. «А что насчёт скорости света?».

Действительно, что насчёт скорости света? Конечно же, этот невидимый барьер – препятствующий всем видам материи двигаться быстрее определённого ограничения – вступит в права и помешает галактикам с какого-то момента, не так ли? Время асимптотически стремится к нулю и перестанет двигаться, если вы будете перемещаться с такой скоростью, при этом ему нельзя двигаться обратно, ведь тогда галактики бы двигались назад во времени, не так ли?

Но мы утаили один из кусочков головоломки. Скорость света в качестве ограничения применяется лишь к объектам, двигающимся друг относительно друга в одном и том же месте пространства.

Когда ваш друг улетел на самолёте и вернулся с отстающими от ваших часами, это оттого, что вы встретились на том же месте. Когда космонавты возвращаются на Землю, и их путешествие длилось меньше, чем ваше, на несколько секунд, это оттого, что вы оказались в одном месте. Даже мюон, двигаясь с околосветовой скоростью, двигался относительно вашей системы отсчёта на Земле, и потому вы наблюдали эти эффекты.

Но в дальних частях Вселенной эти галактики вообще не движутся. Это пространство между ними расширяется, а отдельные галактики находятся в покое относительно пространства.

https://www.youtube.com/wat…

Вы можете возразить, «откуда вы это знаете?»

Можно провести тест: посмотреть на удалённые галактики, измерить их красное смещение и расстояние до них. Так можно проверить, что двигаются они с невероятными скоростями против всех предсказаний теории относительности.

ТО бывает двух видов: специальная ТО, работающая в плоском статичном пространстве, где имеют значение только движения объектов через пространство и время. И общая ТО, где само пространство изменяется, и/или сжимается, и где материя и энергия определяют кривизну пространства-времени, а СТО существует поверх этой системы.

И вот как различаются два предсказания:

Сильно, не так ли? Оказывается, что наши наблюдения говорят в пользу ОТО, и исключают вариант статичного пространства.

И что же это значит в итоге? Что это означает для нашей расширяющейся Вселенной, даже если мы добавим сюда тёмную энергию?

Это значит, что с течением времени свет, испущенный далёкими галактиками, очень сильно сместился в красный спектр, что и привело к появлению космологического красного смещения.

Это значит, что существуют настолько удалённые части Вселенной, что свет, испущенный оттуда, никогда до нас не доберётся. В данный момент это все части, находящиеся на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет от нас.

И это значит, что любой объект на расстоянии больше 4,5 гигапарсек (14-15 миллиардов световых лет) останется недосягаемым для нас и для всего, что мы делаем, отныне и навсегда. Все эти объекты, составляющие 97% объёма наблюдаемой Вселенной, находятся вне нашей досягаемости. Даже испущенный прямо сейчас фотон никогда не доберётся до них.

Так что, да, все объекты, подхваченные расширением Вселенной, с ускорением летят от нас, всё быстрее и быстрее. Пройдёт достаточно времени, и все они будут удаляться от нас быстрее скорости света, и станут недостижимыми для нас в принципе, неважно, насколько быструю ракету мы построим или сколько сигналов отправим со скоростью света.

И что мы можем с этим поделать?

Взять себя в руки и начать межгалактические путешествия так быстро, как только сможем, пока не поздно. Сегодняшняя Вселенная исчезает из-за расширения пространства. И хотя ни один объект не двигается сквозь ткань пространства-времени быстрее скорости света, не существует ограничений по расширению ткани пространства. Пространство делает, что хочет.

Так что спасибо за прекрасный вопрос, и, если ответ покажется вам загадочным, вдохновитесь следующим: Вселенная исчезнет из вида человечества, если только мы не сможем что-нибудь сделать с этим, включая полёты к удалённым галактикам, или – если найдётся способ – приближение удалённых галактик к нам. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

Ethan Siegel

https://geektimes.ru/post/2…