Astronomiya

Kainatın genişlənməsi sayəsində zaman genişlənməsi

Kainatın genişlənməsi sayəsində zaman genişlənməsi

Bu ev tapşırığı sualı deyil. Kainatın genişlənməsini və nəticələrini aydın şəkildə dərk edə bilmək üçün bir az kömək istəyirəm.

Kainatın sürətlənmiş şəkildə genişləndiyini bilirik. Mənim anlayışım budur ki, yalnız yerli vaxta təsir etmədən məkan genişlənə bilməz. Beləliklə, GTR-yə görə, yer-zaman əyriliyindən və enerji sıxlığından asılı olaraq, zaman da dəyişən fəzaya görə dəyişəcəkdir.

İki A və B qalaktikaları arasında yer-zaman əyriliyi və bir boşluqda (boş yerin sıfır nöqtə enerjisini sıfır kimi qəbul etməklə) heç bir kütlə və ya enerji olmadığını düşünsək, yerli vaxtın bir nöqtədə olduğunu deyək. Bu boşluqdakı P kimi gedir $ t_0 $. Əgər biz Yer üzündə bir şəkildə bu nöqtəni müşahidə edə və P-dəki vaxtı ölçə bilsəydik $ t $,

  1. Məsələn, Hubble Qanunundakı kimi genişlənmə sürətindən danışarkən, əmələ gələn koordinatları və ya uyğun koordinatları izləyirikmi?

  2. Necə olardı $ t $$ t_0 $ genişlənmə sürəti müvafiq olaraq vahid və sürətlənərsə bir-biri ilə əlaqəli?

  3. İnflyasiya dövründə yaşayan müşahidəçi üçün 1s indi Yerdəki adi 1s baxımından nə qədərdir?


  1. Hubble qanunu $$ v = H_0 d, $$ tənəzzül sürətinə aiddir $ v $ ona uzaq bir obyekt fiziki məsafə $ d $. Bu gün fiziki məsafə müəyyən məsafəyə yaxın məsafəyə təsadüf edir $ chi equiv d / (1 + z) $, ancaq iki qalaktikanın sürüşmə sürətində nə qədər sürətli olduğunu bilmək istəyirsənsə, $ z = 1 $, o zaman fiziki məsafələrini bağlamalısınız (və istifadə edin) $ H (z) $, o vaxt Hubble parametri əvəzinə $ H_0 $). Onların qarşılıqlı məsafəsini necə ölçdüyünüzə görə, bunu hesablamaq üçün müxtəlif yollar var.

  2. Qırmızı göydə qalaktikanı müşahidə etdiyimiz zaman $ z $, ümumi nisbilik zamanın bir amil ilə genişləndiyini görməyimizi proqnozlaşdırır $ 1 + z $. Yəni uyğun bir vaxt tələb edən bəzi fiziki proses $ t_0 $, bir müddət alacağı müşahidə ediləcək $$ boxed {t = t_0 (1 + z),} $$ arxasınca gələn düstur.
    Bunun yaxşı bir nümunəsi, bir supernovanın parlaqlığının azalması üçün lazım olan vaxtdır; bir supernova $ z = 1 $ bir yerli qədər yarı qədər azalır (yəni. $ z = 0 $) supernova (bax: məsələn Goldhaber et al. 2001).
    Bu supernovaya olan məsafəni və ya müşahidə olunduğu zaman Kainatın yaşını hesablamaq, Kainatın genişlənmə sürətinin bir modelini əhatə edən bir az daha mürəkkəbdir (məsələn, Friedmann modeli ilə bağlı bu suala baxın).

  3. Kainat olduğu zaman inflyasiyanın sona çatması $ t sim10 ^ {- 32} , mathrm {s} $ köhnə, müvafiq redshift sifariş idi$ ^ xəncər $ $ z sim4 times10 ^ {25} $, buna görə fiziki prosesləri orada müşahidə edə bilsəydik, onlar bir faktorla genişlənərdi $ sim4 times10 ^ {25} $beləliklə, bu genişlənmə zamanı 1 saniyə 3 milyard il çəkəcəkdir. Ancaq inflyasiyadan 1 saniyə sonra Kainatın genişlənmə sürəti artıq o qədər yavaşlamışdı ki, müvafiq qırmızı sürüşmə və dolayısı ilə genişlənmə faktoru "ədalətli" idi $ sim4 times10 ^ 9 $. Beləliklə, növbəti saniyə yalnız bizim nöqteyi-nəzərimizdən görünür $ sim140 $ il.

Qeyd edək ki, bu mülahizələrin həqiqətən ilə heç bir əlaqəsi yoxdur sürətləndi genişlənmə, ancaq genişlənmənin bir nəticəsidir.

Buna da diqqət yetirin xüsusi nisbilik eyni vaxt genişlənməsini proqnozlaşdırır; yəni, qalaktikalar genişlənən məkanla birlikdə daşımaqdansa, kosmosdan uçsaydı, qırmızı sürüşmə ilə zamanın genişlənməsi arasında eyni əlaqəni müşahidə edərdik. Bununla birlikdə, qırmızıya sürüşmələrin xüsusi relyativist təfsiri qırmızı sürüşmələr ilə münasibətlə uyğun gəlmir böyüklüklər supernovadan və istisna edilə bilər $ 23 sigma $ (Davis & Lineweaver 2004).


$ ^ xəncər $Bunu belə hesablamaq olar: Kainat qədər $ t_ mathrm {eq} sim50 , 000 , mathrm {yr} $ köhnə, bir sürüşməyə uyğun gəlir $ z_ mathrm {eq} simeq3400 $ (Planck Collaboration et al. 2018) dinamikasında radiasiyanın enerji sıxlığı üstünlük təşkil edərək ölçüyə səbəb oldu (miqyaslı amil $ a = 1 / (1 + z) $kimi zamanla inkişaf etmək $ a propto t ^ {1/2} $. -Dən geri hesablanır $ t_ mathrm {eq} $ məhsul verir $ a sim10 ^ {- 26} $ at $ t sim10 ^ {- 32} , mathrm {s} $, uyğun $ z sim10 ^ {26} $.


Kainatın genişlənməsi sayəsində zaman genişlənməsi - Astronomiya

Böyük partlayışın hələ də davam etdiyini deyə bilərikmi? Yəni Kainatın müşahidə olunan genişlənmə hərəkəti Böyük Partlayış deyilmi? Başqa sözlə desək, bir kağız üzərində planetləri, ulduzları, qalaktikaları, ulduz sistemlərini çəksək və sonra təbəqəni bir topa əzib tərk etsək, yavaş-yavaş açılmağa başlayacaq və bu bir müddət olacaq. Kifayət qədər səbirli olsaq, ilk anda olduğu kimi yenidən vərəq açıldığını görə bilərik.

Böyük partlayış baş verəndən bəri kainatımız genişlənir. Əslində kainatın geniş miqyaslı genişlənməsinin davam etməsi, kainatımızın çox kiçik bir vəziyyətdən başladığını bildiyimizin ən yaxşı dəlillərindən biridir.

Ancaq başqa qalaktikaların bizdən daha sürətli və daha sürətli uçduğunu görməyə davam edərkən öz süd yollu qalaktikamız və içindəki bütün ulduzlar, planetlər, insanlar və içərisindəki kağız topları daha güclü olan yerli qüvvələrlə bağlıdır. Ulduzlarımız və planetlərimiz cazibə qüvvəsi ilə birləşir, buna görə geniş kainat böyük miqyasda böyüməyə davam edərkən Günəş sistemimiz eyni ölçüdə qalacaq. Eynilə, insanlar və kağızlar elektromaqnit qüvvələr tərəfindən bir yerdə tutulur. Buna görə sualınıza cavab vermək üçün: yer üzündə bir kağız zamanla genişlənmir, böyük partlayışın təsirlərini görmək üçün uzaq qalaktikaları müşahidə etməliyik.

Ən böyük sualınız üçün təşəkkür edirəm, kainatın genişlənməsi gündəlik həyatımızdan çox fərqli olduğundan düşünmək üçün cazibədar bir şeydir.


Zaman dilatasiyası nədir?

Elm sahəsindəki ən maraqlı mövzulardan biri də Ümumi Nisbilik anlayışıdır. Bilirsiniz, qəribə şeylərin işıq sürətinə yaxınlaşdıqca baş verməsi fikri. Şeylərin uzunluğunda qəribə dəyişikliklər, dalğa uzunluğunun qəribə dəyişməsi var. Həm də ən başlıcası, dilatasiya anlayışı var: başqasına nisbətən səyahət etdiyiniz sürətə əsasən sözün əsl mənasında az və ya çox vaxt keçirə biləcəyiniz bir şey var.

Və bundan da qəribə? Interstellar filmində də gördüyümüz kimi, yalnız bir qara dəlik kimi çox böyük bir obyektin yanında vaxt keçirmək eyni relyativistik təsirlərə səbəb ola bilər. Kütlə və sürət bir növ eyni şey olduğundan?

Düzü, sizə böyük bir baş ağrısı vermək kifayətdir.

Ancaq konsepsiyanı təəccübləndirdiyini gördüyüm üçün yenə də bu mövzuda daha çox şey anlamağa və beyninizi də qucaqlamağınıza kömək etməyə çalışacağam. Mənim xeyrimə, sənin xeyrinə, amma daha çox mənim xeyrimə.

Fizika tarixində möhtəşəm bir lətifə var və yəqin ki, əslində baş verən deyil, amma yenə də sevirəm.

20-ci əsrin ən məşhur astronomlarından biri, 2008-ci ildə Einstein və Eddington-da cəsarətli David Tennantın canlandırdığı Sir Arthur Eddington idi. Hansı ki, hələ görməmisinizsə, həqiqətən görməlisiniz.

Buna görə də, Doktor Kim, Eddingtonu nəzərdə tuturam, ulduzların enerjini necə yaratdığını (qaynaşma yolu ilə) işlətmiş və Eynşteynin 1919-cu ildə ümumi Günəş Tutulmasını müşahidə edərkən Ümumi Nisbətlilik proqnozlarının doğru olduğunu şəxsən təsdiqləmişdi.

Arthur Eddington

Görünür Sir Arthur Eddingtonun mühazirəsi zamanı birisi “Professor Eddington, siz dünyada ümumi nisbiliyi anlayan üç insandan biri olmalısınız” deyə soruşdu. Bir anlıq dayandı və sonra “bəli, amma üçüncü şəxsin kim olduğunu düşünməyə çalışıram” dedi.

Bu qətiliklə mən deyiləm, amma Ümumi Nisbiliklə əlaqəli birisini tanıyıram və bu, Rochester Texnologiya İnstitutunun astrofizika professoru Dr. Brian Koberlein. Briankoberlein.com saytında tamamilə ziyarət etməli və oxumalı olduğunuz One Universe A A Time adlı blogunda hər zaman bu mövzunu əhatə edir.

Əslində, bunun necə işlədiyini göstərmək üçün Brian rahat şəkildə RIT ofisini azca sürətə sövq etdi və bu anda bizə yaxınlaşır.

Dr. Brian Koberlein:
Salam Fraser, mənimlə olduğuna görə təşəkkür edirəm. Bir saniyə asa bilsən, yavaşlamalıyam.

Fraser Cain:
Orada nə baş verdi? Niyə hamınızı ləngitdiniz?

Brian:
Əslində zaman dilatasiyası kimi tanınan maraqlı bir təsirdir. İşıqla əlaqəli cəhətlərdən biri budur ki, hansı istinad çərçivəsinə girməyinizdən, Kainat boyunca necə hərəkət etməyinizdən asılı olmayaraq, vakuumdakı işıq sürətini həmişə eyni olacağınızdır. Saniyədə təxminən 300.000 kilometr.

Bunu etmək üçün, əgər mənə nisbətən hərəkət edirsinizsə və ya mən sizə nisbətən hərəkət edərəmsə, zaman və məkan istinadlarımız işıq sürətini sabit saxlamaq üçün dəyişməlidir. Səndən daha sürətli uzaqlaşdıqca sənə görə vaxtımın yavaşladığı görünür. Eyni zamanda, vaxtınız mənə nisbətən yavaşlayacaq kimi görünəcək.

Və işığın sürətini sabit saxlamaq üçün vaxt genişləndirmə təsiri lazımdır.

Fraser:
Bu yalnız hərəkət edərkən olur?

Yerin ətrafındakı əyri məkanın koordinat sisteminin bir nümayişi. Kredit: NASA

Brian:
Vaxt genişlənməsi yalnız nisbi hərəkət sayəsində baş vermir, cazibə qüvvəsi səbəbindən də baş verə bilər. Einşteynin nisbilik nəzəriyyəsi cazibə qüvvəsinin məkan və zaman əyilməsinin bir xüsusiyyəti olduğunu söyləyir. Beləliklə, Dünya kimi bir kütləyə sahib olduğunuzda, o, əslində məkanı və zamanı əyir.

Yer üzündə durursunuzsa, cazibə fərqinə görə vaxtınız kosmosdakı birinə nisbətən bir az daha yavaş hərəkət edir.

İndi Dünya üçün bunun əslində o qədər də əhəmiyyəti yoxdur, amma qara dəlik kimi bir şey üçün çox şey ola bilər. Qara dəliyə yaxınlaşdıqca, vaxtınız getdikcə yavaşladığı görünür.

Fraser:
Bu kosmik səyahət üçün nə deməkdir?

Brian:
Elmi fantastikada bir çox dəfə işıq sürətinə çox yaxın bir raket düşündüyünü və uzaq ulduzlara səyahət etmək üçün vaxt genişləndirməsindən istifadə etdiyini görəcəksiniz.

Ancaq həqiqətən eyni şeyi cazibə qüvvəsi ilə edə bilərsən. Başqa bir ulduza və ya başqa bir qalaktikaya gedən bir qara dəliyiniz olsaydı, əslində uzay geminizi götürüb oranı qara dəliyə çox yaxın bir dövr edə bilərsiniz. Və vaxtınız yavaşlayacaq kimi görünür. Qara dəlik ətrafında dövrə vurarkən, qara dəlik başqa bir ulduza və ya başqa bir qalaktikaya getmək üçün vaxt ayıracaqdı və sizin üçün çox sürətli görünürdü.

Hərəkətli bir qara dəliyin yaxınlığında dövrə vurmaq ən təhlükəsiz nəqliyyat növü kimi görünmür, ancaq vaxtın genişlənməsi riskə səbəb ola bilər. Kredit: NAOJ

Yəni bu, ən azı elmi fantastikada ulduzlara səyahət etmək üçün vaxt genişləndirməsindən istifadə etməyin başqa bir yolu.

Fraser:
Yaxşı Brian, sənin üçün son bir sualım var. İşıq sürətinə yaxınlaşdıqca daha çox kütlə əldə etsəniz, qara dəliyə çevriləcək qədər kütlə əldə edə bilərsinizmi? Bu sualı briankoberlein.com saytındakı bir blog yazısı şəklində və burada bağlayacağımız Google+ postunda cavablandırmanızı istərdim.

Brian:
Təşəkkür Fraser, bu cavabı veb saytımdan alacağam.

Bir daha, vaxt dilatasiyası ilə qarışıq olan ərazini ziyarət etdik və nisbətən zədələnmədən qayıtdıq. Bu daha yaxşı başa düşdüyüm demək deyil, amma inşallah hər halda başa düşəcəksən. Bir daha, suallarımızı cavablandırmaq üçün nisbi səyahətindən bir neçə dəqiqə ayırdığı üçün Dr. Koberlein-ə böyük təşəkkürlər. Blogunu ziyarət etdiyinizə və sualımın cavabını oxuduğuna əmin olun.


Cazibə vaxtının genişlənməsi

İndi iki saat cazibə potensialındakı fərqlə ayrılmış iki yerdə yerləşsə, eyni fenomen meydana gələcək. Keçən zamanın fərqi, iki kütlə və ya fərqli bir kütlənin çəkici cisimlərinin yanında yerləşmiş iki müşahidəçiyə və ya sistemə görədir. Beləliklə, kütləvi bir cismə daha yaxın bir saat (aşağı cazibə potensialı) daha uzaqdakı bir saatdan (daha böyük cazibə potensialı) daha yavaş işləyəcəkdir.

Sürət vaxtının genişlənməsinin eksperimental təsdiqi

Cazibə vaxtı genişlənməsinin fərziyyələri iki atom saatı (elektron keçid tezliyinə əsaslanan son dərəcə dəqiq bir zamanlama cihazı) arasında yüksəklikdə və beləliklə cazibə potensialında sadə bir fərq qoyaraq təsdiqlənmişdir. Bu prosedurun nəticəsi, gözlənildiyi kimi, keçən müddətdə bir az fərq oldu. Təcrübələr Yerlə əlaqəli olduqda nəticələr əhəmiyyətsiz qalır, çünki daha böyük uyğunsuzluqları müşahidə etmək üçün daha böyük məsafələr tələb olunur.

Xüsusi nisbilik postulatı ilə birlikdə bu, qara dəliklərdə zaman anlayışını izah edir. Qeyd edildiyi kimi, cisim təklikdə nəzəri cəhətdən sonsuz kütləyə sahib olan qara dəliyə yaxınlaşdıqca, cazibə güclənir və güclənir. Beləliklə, təklikdəki zamanın parçalanması təklikdəki cazibə potensialının praktik olaraq sıfıra bərabər olması ilə izah olunur. Lakin hadisə üfüqündən kənarda baş verən hadisələr kənar müşahidəçilər tərəfindən hiss olunmadığı üçün bu proqnozlar nəzəri olaraq qalır.


Ep. 606: Zaman Dilatasyonu & Zamanı Atlama

Heç vaxt səyyahı olmaq istəmisinizmi? Yaxşı xəbər! Şu anda səyahət etmək üçün vaxtınız var. Saniyədə bir saniyədə gələcəyə. Çox uzun? Gözləmək istəmirsiniz? Xoş xəbər, Einstein & # 8217s səni əhatə etdi. Bu gün, zamanın genişlənməsinin qəribə dünyasından danışaq.

Qeydləri göstərin

Transkript

Fraser Cain: Astronomiya Oyuncu Episode 606: Zaman Dilatasyonu. Həftəlik həqiqətlərə əsaslanan kosmos səyahətimiz olan Astronomiya Cast-a xoş gəlmisiniz. Yalnız bildiklərimizi deyil, bildiklərimizi necə bildiyimizi anlamağınıza kömək etdiyimiz yerlər.

Mən Fraser Cain, Universe Today-in yayımcısıyam. Həmişə olduğu kimi yanımda Dr. Pamela Gay var. Planet Elmləri İnstitutunun baş elmi işçisi və CosmoQuest direktoru. Hey, Pamela, necəsən?

Dr. Pamela Gay: Yaxşı işləyirəm. Şanlı bir bahar günüdür. Ulduzlar hər gecə saatlarca parlamasa da, Məryəmin üfüqdə olması çox yaxşıdır. Hələ baxmağa getmisən?

Fraser Cain: Düşünürdüm ki, bundan keçdik. Mən Merkuri görə bilmirəm. Mənim Şərqə və Qərbə baxışım yoxdur. Merkuri - Mən yalnız Mercery'in mövcud olduğuna inamla yanaşmalıyam.

Dr. Pamela Gay: Yaxşı. Mən başa düşürəm. Bir yerə bir tarlaya getməli olacağam.

Dr. Pamela Gay: Çünki mənim də üfüqüm yoxdur. Ancaq hələ çox qarğıdalı olmayan qarğıdalı tarlalarına girişim var.

Fraser Cain: Mercery-i gördüyüm tək vaxt Avstraliyada idim. Bu belədir. Ekliptik yüksəliş növünün Avstraliyada birbaşa yük olmasından faydalanırsınız. Beləliklə, bilirsiniz ki, buradakı şeylərin üfüqdə çox aşağı olması.

Fraser Cain: Bəli. Beləliklə, kimsə “Oh, bəli. Və Mərhəmət var. ” Və mən də “Merhameti ilk dəfədir görürəm” kimi idim. Çox böyük.

Dr. Pamela Gay: Düşünürəm ki, bunu Harvarddakı bir binanın damından gördüm. Harvard Yard-dakı Elm Mərkəzinin - ya da Harvard Yard-dan kənarda - damında əvvəllər işlədiyim kiçik bir teleskop var. Və yüngül çirklənmə, əslində nəyə baxdığınızı bilirsinizsə, həmişə şübhə doğurur. Çünki kifayət qədər ulduz yoxdur. Ancaq düşündüm ki, görmüşəm, amma indi bir yerdə qaranlıq yaşadığım üçün yenidən cəhd edəcəyəm.

Fraser Cain: Yaxşı. Beləliklə, insanlar Mərhəməti görmək istəyirlərsə və onda bir üfüq var ... hara və nə vaxt baxmalıdırlar?

Dr. Pamela Gay: Beləliklə, əgər indi çıxsanız, çox parlaq Venera ilə super incə hilal ayı arasındadır. Ay getdikcə yüksəlir və hər gün qalınlaşır. Ancaq Qərbdə / Şimal-qərbdə Veneranın üstündə qalır. Beləliklə, çıxın -

Fraser Cain: Gün batandan dərhal sonra.

Dr. Pamela Gay: Venera ən parlaq görünəcək və sonra yuxarıya baxacaq.

Fraser Cain: Heç vaxt səyyahı olmaq istəmisinizmi? Yaxşı, yaxşı xəbər. Saniyədə bir saniyədə gələcəyə doğru səyahət etmək üçün vaxt tapmısınız. Çox uzun çəkirsiniz? Gözləmək istəmirəm? Yaxşı xəbər. Einşteyn səni örtdü. Bu gün qəribə vaxt genişləndirmə dünyasından danışaq. Yaxşı, Pamela. Vaxt genişlənməsi. Nə?

Dr. Pamela Gay: Beləliklə, mənim üçün nisbi ilə bu qədər irəliləyiş anlayışına bənzəyən ən sevdiyim şeylərdən biri. Kim olduğunuzdan və işığın sürətini nə etdiyinizdən asılı olmayaraq tamamilə eyni görünəcəyini anlamaq idimi. Bunun reallaşması üçün vaxtı necə qəbul etdiyiniz dəyişməlidir.

Beləliklə, bu barədə düşünməyin yolu gündəlik həyatda alışdığımız şeydir ... evimin qarşısında yolun kənarında dursam. Bir avtomobil fermuarla hərəkət edir, qanuna riayət etsələr saatda 30 mil sürətlə hərəkət edər. İndi yoldan saatda 30 mil sürətlə gedirəmsə, qarşımdakı maşın - nəzəri olaraq, qanuna riayət edirlərsə - mənə nisbətən saatda sıfır mil hərəkət edirmiş kimi görünməlidir.

Dr. Pamela Gay: Beləliklə, hər şeyi nisbi sürətlə görməyə öyrəşmişik. Nə qədər sürətlə gedirəmsə, yolun kənarındakı insanların əks tərəfə getdiyini görün. Ətrafımdakı insanlar, hərəkətlərini öz hərəkətlərimə nisbətən görürəm. Beləliklə, o insan təcrübəsindən istifadə etmək kimi görünür ki, nə qədər sürətlənsəm, nəticədə bu fotonları tuta bilməli və onları özümlə yan-yana hərəkət edən kimi qəbul etməliyəm.

Ancaq gerçəklik budur ki, bəzi kənar müşahidəçilər məni və həmin işıq hissəciklərinin demək olar ki, eyni sürətlə getdiyini bir şəkildə qəbul edə bilirlər. Mən heç vaxt işıq qədər sürətli getməyəcəyəm. Bunu heç vaxt görməyəcəm. Mən həmişə işıq görəcəyəm. Mənə nisbətən eyni sürətlə.

Fraser Cain: Elə də budur - Einşteynin dünyanı heyranedici bir şəkildə qəbul etmə qabiliyyəti barədə düşündüyünüz zaman. Bu düşüncə təcrübəsinə sahib olmaq üçün demək olar ki, işıq sürətində səyahət edirsiniz. Sonra bir fənər yandırırsan və fənəri seyr edirsən. Düşüncənizdə “Şey, fotonların sürətlə getdiyini görürəmmi -

Fraser Cain: - məndən biraz daha sürətli və ya fotonların işıq sürəti ilə uzaqlaşdığını görürəm? ” Və yeganə yol - onları işıq sürətində görürsənsə - zamanın özü dəyişirsə.

Dr. Pamela Gay: Beləliklə, bu, 21. əsrdə Buck Rogers-in əslində kifayət qədər yüksək bir sürətlə dönən birinin mümkün nəticəsi olduğu qəribə bir gerçəyi ortaya qoyur. İndi, orbital mexanikanın planetimizi o qədər sürətli ziplamağınıza imkan verməməsi. Deyək ki, bunun əvəzinə özlərini bu yüksək orbitdə super yüksək sürətdə qoydular.

Dr. Pamela Gay: Bu daha realdır. Bunun əvəzinə günəş ətrafında dönün. Amma ... yaxşı, yaxşı ole Buck Rogers-in zaman qavrayışı yavaşlayacaq.

Fraser Cain: Yaxşı. Beləliklə, bu sürət fikrindən danışarsınız. Beləliklə, vaxt genişlənməsini parçalayaq. Yəni soruşmaq istərdim ki, vaxtın genişlənməsi niyə? Ancaq cavabını bilirəm. Cavab belədir. Hə? Nisbilik. Çünki kainat belə işləyir. Beləliklə, 'niyə' keçmişdən davam edək və birbaşa 'necə' yoluna gedək. Vaxt necə genişlənir? Və bir sıra iki amil var. Vaxt genişlənməsini əldə edə biləcəyiniz iki yol. Biri də sürətdir.

Beləliklə, bəzi nümunələrdə bunu bölüşək. İndi də bu nümunəni təqdim edirsən. İkiz paradoks klassikdir, elə deyilmi?

Fraser Cain: İki nəfərimiz var. Yer üzündə biri. Biri kosmik gəmiyə minir. Sonra nə olacaq?

Dr. Pamela Gay: Yaxşı, buna görə Kelly əkizləri ilə bunu görməliyik. Və həqiqət budur ki, Beynəlxalq Kosmik Stansiyadakı astronavtlar vaxtı bu qədər yavaş yaşayır. Zamanın dəyişməsini kimin yaşadığını anlamağın yolu, gücü kimin yaşadığını görməkdir. Onları daha sürətli bir sürətə qovuşduran sürətlənməni kim yaşadı.

Beləliklə, bu vəziyyətdə özünüzü Beynəlxalq Kosmik Stansiyaya və geriyə düşmək əvəzinə planetin ətrafında dövr etmənizi təmin edən bir sürətə qədər sürətləndirirsiniz. Və zaman yavaşlayır.

Fraser Cain: Düzdür. Və bu şəkildə çox az -

Fraser Cain: Əlbətdə Beynəlxalq Kosmik Stansiya və yerdə olan əkiz bir cazibə quyusundadır, çünki bu daha mürəkkəbdir. Ancaq deyək ki, işığın sürətinə yaxınlaşan sürətləndirən var. 10 il uçur və sonra qayıdır. Və sonra əkizlər görüşür. Demək, sürət deyil.

Fraser Cain: Özünüzü bu sürətə çatdırmaq üçün yaşadığınız sürətlənmədir.

Dr. Pamela Gay: Bu zaman dəyişikliyini yaşayan kimin kim olduğunu təyin edir.

Dr. Pamela Gay: Sürətləndirdiyiniz sürət, zamanın nə qədər yavaşladığını müəyyənləşdirir.

Fraser Cain: Düzdür. Beləliklə, 1 nömrəli əkiz yer üzündə oturur. Twin No. 2 bir kosmik gəmiyə minir. İşığın sürətinə yaxınlaşmaq üçün sürətlənir və bu da əsasdır. Yalnız planetdə oturan əkiz ilə müqayisədə.

Fraser Cain: Sonra qayıdırlar - 10 il çəkərlər. Və ya səyahət edən insanın 10 il yaşadığını və dünyadakı əkizin yaşadığını görmək üçün dünyaya qayıdır.

Fraser Cain: - daha çox vaxt.

Dr. Pamela Gay: İnsanlar yalnız o qədər uzun yaşayırlar. Yer üzündə insan -

Dr. Pamela Gay: - Ölüm yaşadı.

Fraser Cain: Düzdür. Beləliklə, əkiz - buna görə, sadəcə bunu aydınlaşdırdığımdan əmin olmaq istəyirəm. Beləliklə, kosmik gəmidə uçan əkiz 10 il yaşayır. Yer üzündə qalan əkiz yüzlərlə, bəlkə də minlərlə, bəlkə də milyonlarla il yaşayır.

Dr. Pamela Gay: Əslində, işıq sürətinə yaxınlaşdıqda. Yer üzündə olanlar üçün vaxt keçərkən özünüz üçün vaxtı dayandırmağa nə qədər yaxınlaşırsınız.

Fraser Cain: Düzdür. Çünki sürətlənmə yaşanır.

Dr. Pamela Gay: Yaxşı, bəs açarı kimin vaxtı dayanan kimdir?

Dr. Pamela Gay: Hər zaman istinad nöqtəmizdə hər şeyi görürük. Və bu avtomobil fikrinin düşünmək üçün vacib olduğu yerdir. Beləliklə, səkidə dayanan mənə və küçədə fermuar vuran Uber sürücüsünə görə. Uber sürücüsü, özlərini hərəkət etməyən kimi qəbul etsələr. 30 yaşımda hərəkət etdiyimi görəcəksən -

Dr. Pamela Gay: - saatda mil. Beləliklə, kosmosda iki uzay gəminiz varsa, yer üzündə olduğundan daha çox hərəkət edənin kim olduğunu müəyyənləşdirmək daha çətindir.

Dr. Pamela Gay: Aydındır ki, ağaclarla, torpağa və başqa hər şeyə nisbətən mən hərəkət etmirəm. Ancaq kosmosun genişliyində iki kosmik aparatı yapışdırıb raketləri birinin üstünə atırsınız və gəmidəki insanlara kimin raket atdığını demirsiniz. Bunu hiss edə bilərsən. Bununla yanaşı, "Hey, yalnız kosmik aparatını fırladıq ki, yerin cazibəsini hiss etdin." Beləliklə, ikisi eyni şeyi yaşaya bilər.

Fraser Cain: Yaxşı. Beləliklə, sürət / sürətdən biri kimi danışdıq. Mən də diqqətli olmalıyam? Çünki sürəti / sürəti bir-birinin əvəzinə istifadə edirəm. Və bu pis fizika, Fraser. Pis. Beləliklə, sürət. Hə? Sürət sürət və istiqamətdir.

Dr. Pamela Gay: Beləliklə, tənliklərdə bunu anlamaq üçün skalar sürətdən istifadə edirlər. Hansı sürətdir.

Dr. Pamela Gay: Beləliklə, vaxtın nə qədər dəyişdiyini tapmaq üçün yalnız sürət deyə bilərsiniz.

Fraser Cain: Yaxşı. Tamam Yaxşı. Beləliklə, sürətdən danışdıq.

Fraser Cain: Başqa yol da bir cazibə quyusunun yanında olmaqdır.

Dr. Pamela Gay: Doğrudur. Bu doğrudur.

Fraser Cain: Düşünürəm ki, hamımız həqiqətən şanslıyıq, çünki Interstellar bir neçə il əvvəl çıxdı. Və bunlar oldu. Beləliklə, nə etdiyini görməliyik. Yəni bununla nə baş verir.

Dr. Pamela Gay: Deməli, kütləvi bir obyektə yaxınlaşdıqda. Burada düşünməyin yolu yer planetində normal bir vəziyyətdədir, bir az top atsam, bir sürətlə hərəkət etdiyini görürəm. Əgər həqiqətən atsam, başqa bir sürətlə hərəkət etdiyini görürəm. Və sonra Yupiterə getsəm və eyni miqdarda top atmaq üçün eyni gücdə istifadə edərəmsə. Çox yavaş hərəkət edəcəklər. Çünki daha çox -

Dr. Pamela Gay: - cazibə qüvvəsi. İndi süper yüksək kütləli cisimdən qaçmağa çalışan zavallı bir günahsız kiçik işıq hissəciyi üçün o işıq hissəciyi bütün cazibəni yaşayır. Və bu işıq hissəciyinin daim eyni işıq sürətində hərəkət etməsinə davam etmək üçün zaman müxtəlif cazibə quyularından qaçarkən dəyişməli olacaq.

Fraser Cain: Düzdür. Tamam Gördüyümüz kimi - bilirsən Interstellar filmini izləmək fikrindən danışırdım. İnterstellar-da bu super-böyük qara dəliyin ətrafında dövr edən bu planetin səthinə necə endiyini gördük. Bir gündür orada. Geri qayıdır və kainatın qalan hissəsi - ailəsinin qalan hissəsi - 80 il yaşadı. Və ya bir qədər gülünc bir vaxt.

Fraser Cain: Beləliklə, qurd deliğindən keçmək üçün etdikləri sürətə görə deyildi və bla bla bla. Bu vaxtı cazibə quyusundakı qara dəliyə yaxın yerdə keçirdikləri üçün idi. Beləliklə, düşünürəm ki, sürətlənmə ilə bağlı söhbətimizə qayıtmaq açardır.

Fraser Cain: Bir cazibə gücündə olduğunuzda, sürətlənmə yaşayırsınız.

Dr. Pamela Gay: Bəli. Məkan və zaman içərisində hərəkətinizi əsaslı şəkildə dəyişdirən budur. Və bu cazibə quyusu sizi ona bağlı qalmaq üçün ən çətini edir.

Dr. Pamela Gay: Və bu işığın ona bağlı qalması üçün.

Dr. Pamela Gay: Cazibə qüvvəsi sizi və işığı nə qədər çox çəksə, işığın həmişə eyni gənə ilə getməsi kimi qəbul edilməsi üçün daha çox vaxt yavaşlamalı olur.

Fraser Cain: Düzdür. Düzdü. Tamam Beləliklə, indi bunları bir araya gətirək. Bir cazibə quyusundasınızsa nə olar? Qara bir çuxur ətrafında döndüyünüzü söyləyin. Həm də gedən kimsə ilə müqayisədə çox sürətlə gedəcəksiniz - zənnimcə qara dəlik pis bir fikirdir, çünki duracaqsınız - amma deyək ki, yerdəsiniz. Hə? Yəni demək istəyirəm, amma bu, həqiqətən edə biləcəyimiz praktik bir nümunədir.

Fraser Cain: Yer üzündə olduğunuz yer.

Fraser Cain: Beləliklə, bir cazibə quyusunun hüzurundasınız.

Fraser Cain: Yoxsa Beynəlxalq Kosmik Stansiyasında kosmosda uçan əkiziniz var. Daha yüksək bir orbitdə olduqları üçün bir cazibə quyusundadırlar. Ancaq daha sürətli hərəkət edirlər.

Dr. Pamela Gay: Bəli. Və ədalətli olaraq, bu hesablamaları əsrlər boyu dəyişdirməmişəm.

Fraser Cain: Bəli, mən də yoxam və üzr istəyirəm. Çünki bu mənim başımda deyil.

Dr. Pamela Gay: Beləliklə, son dəfə bu hesablamaları düzgün etdiyimi fərz edərək bu hesablamaları etdim - və həqiqətən ümid edirəm. Fikirləşdiyim şey astronavt üçün daha yavaş gedir, çünki yerdə qalma ilə müqayisədə vaxt genişləndirmə təsiri onlar üçün daha böyükdür. Onları olduqları yerə çatan sürətlənmə miqdarı səbəbindən. Halbuki onları kosmosda saxlasaydınız, bu onların yerə düşməsinə səbəb olardı. Beləliklə, bunu etmə.

Dr. Pamela Gay: Və yerin mərkəzindən daha az çəkildikləri üçün zaman genişlənməsini müqayisə etdilər. Ancaq bunlar hələ daha az çəkilir.

Dr. Pamela Gay: Ancaq planetin səthinə nisbətən hündürlükdə daha az çəkilmənin səbəb olduğu genişlənmə - cazibə qüvvəsi səbəbiylə zaman genişlənməsi sürətlənmələr səbəbiylə düşməmələri üçün zaman dilatasyonundan daha kiçik bir təsirdir.

Fraser Cain: Mükəmməl bir tarazlıq kimi bir şey var.

Fraser Cain: Planetin səthində olan şəxslə müqayisədə zaman baxımından heç bir fərq hiss etmədiyiniz yer. Çünki hərəkət sürətiniz mükəmməl şəkildə tarazlaşır. Daha böyük bir cazibə içində olduqları. Sən də -

Dr. Pamela Gay: Və bu böyük bir ev tapşırığı problemi olardı.

Fraser Cain: Bəli, sən get.

Dr. Pamela Gay: Və hazırda hamı çox şadam ki, mən hələ hesablama alan mühəndislər üçün fizika öyrətmirəm.

Fraser Cain: Siz təyin edərdiniz.

Dr. Pamela Gay: Çünki bəli ...

Dr. Pamela Gay: Hansı sıxlıq planetinə ehtiyacınız olduğunu tamamilə hesablamalı olmalısınız? Beləliklə, səthdə olan birinin və orbitdə təhlükəsiz birinin saatın tam eyni vuruşuna sahib olması. Baxmayaraq ki, bu saatları heç vaxt sinxronizasiya edə bilməzsiniz. Çünki işığın iki nöqtə arasında olması üçün vaxt lazımdır. Ancaq gənələr eyni müddət gənəsidir.

Fraser Cain: Tamam, buna görə indi insanların zehinlərinə zərbə vurmaq istəyirəm. Və -

Dr. Pamela Gay: Zaman dilatasyonunu sevirəm. Mən bunu demək istəyirəm -

Fraser Cain: Bəli. Bəli. Bəli.

Dr. Pamela Gay: - Bu konsepsiyanı tamamilə sevirəm.

Fraser Cain: Bəli. Tamamilə. Beləliklə, son bir zamanda ortaya çıxan çox populyar bir elmi fantastika şousu Genişlənmədir. Və bu həqiqətən güclü füzyon raketinə - Epstein raketlərinə sahibdirlər ki, kosmik gəminizi həqiqətən çox sürətli ala bilirlər. Beləliklə, mühərrikdə sıxışa bilsəydiniz və birtəhər məhdudiyyətsiz yanacaq tədarükünüz varsa. Və yalnız sürətlənməyə, sürətlənməyə, sürətlənməyə davam etdiniz ... sizin və kainatın qalan hissəsi üçün zaman nə olacaq?

Dr. Pamela Gay: Zamanınız, algınızla, ürəyiniz eyni şəkildə döyünməyə davam edəcək. Amma -

Fraser Cain: 1g-də oturacağınıza basmağa davam edərdiniz.

Dr. Pamela Gay: Bəli. Ancaq sürətiniz nə qədər artarsa ​​... və bunun mütləq dəyəri, sürət, qeyri-vektor, skaler hissəsidir. Hər bir sürətlənmə anı ilə kənar bir müşahidəçinin yaşadığınız anlar getdikcə azalır.

Dr. Pamela Gay: Zaman keçdikcə qocalmağı dayandıracaqsınız. İzləyən insana nəfəs almağı dayandıracaqsınız, çünki hər şey çox yavaşladı. Və digər elmi fantastik seriallarda - burada Hyperion haqqında düşünürəm. Gələcəkdə günəş sistemləri arasında yüksək sürətli səyahətin praktik olmasına dair bu gözəl nümunə var. İmkanlı insanlar pullarını yatırıb yaxşı şeylərə investisiya qoya bilərlər. Və sonra vaxtı keçib daha zəngin və zəngin olun. Və getdikcə daha az yaşanır.

Yəni kosmik səyahətlərdən çıxmaq və baş verən bütün heyrətamiz texnoloji dəyişiklikləri görmək bir tərəfdən nə qədər çətin olacağını təsəvvür edin. Ancaq eyni zamanda "Və mən indi varlıyam" kimi olun.

Fraser Cain: Ancaq çox dəli olan şey, sürətlənməyə davam edə biləcəyiniz və perspektivinizdən heç vaxt işıq sürətinə çatmayacağınızdır. Çünki bu mümkün deyil. Ancaq yenə də günlər, aylar, illər, onilliklər ərzində 1 q sürətlənmə yaşayacaqsınız.

Fraser Cain: Bununla belə, riyaziyyatla məşğul olsaydınız və "işığın sürətindən daha sürətli olmalıydım" kimi olursunuz. Gəzəcəyiniz məsafələr və kainatın qalan hissəsinin yaşayacağı vaxt artmayacaq.

Fraser Cain: Bu işi davam etdirə bildiyiniz müddətə qədər.

Dr. Pamela Gay: Və illər əvvəl başqa epizodlarda müzakirə etdiyimiz dəli şeylər baş verməyə başlayır. Beləliklə, arxivləri qazmağa gedin. Nisbilik tənliklərinin işləmə sürəti kütlənizlə tamamilə xətti olmayan şəkildə artmaqdadır. Və bu artım sürətinin təsiri, daha sürətli və daha sürətli getməyiniz, getdikcə daha çox kütlə qazandığınızdır.

Artıq gerçəklik, bioloji şeylər meydana gəlmədikcə vücudunuzdakı atomların sayının dəyişməyəcəyidir. Ancaq şeyləri vurduğunuz təqdirdə məhv etmək qabiliyyətiniz, impulsunuzdakı nisbi təsirlərdən qaynaqlanan kütlədəki bu açıq dəyişiklik səbəbindən artır.

Və bu, bir fiziki pozduğum və əsla yaxşı cavab ala bilmədiyim bir suala səbəb oldu. Bir növ mızıldanaraq uzaqlaşdılar. And the question was if a body of mass goes fast enough so that its equivalent mass via momentum is such that it would be a black hole is it actually a black hole?

Dr. Pamela Gay: And the answer I’ve gotten from other theorists was no –

Dr. Pamela Gay: – that’s crazy talk.

Dr. Pamela Gay: But I did break one physicist –

Dr. Pamela Gay: – this way. I was proud of myself.

Fraser Cain: So, the part that’s crazy is that if you could keep this acceleration up, you could be going to the point that in like a decade you would cross the Milky Way. In two decades you would go to Andromeda. In three decades you would be billions of lightyears away. And in about less than a human lifetime you would travel more than the distance to the edge of the observable universe.

Dr. Pamela Gay: But the problem is the amount of energy that it takes –

Dr. Pamela Gay: – to keep accelerating your –

Dr. Pamela Gay: – increasing effective mass. Not your actual mass increasing.

Dr. Pamela Gay: Your effective mass increasing.

Dr. Pamela Gay: You would exceed the mass-energy of the universe before you exceeded the speed of light. Which is part of how we never actually go faster than the speed of light.

Fraser Cain: Yeah. And so for someone watching you. You would just be very close to the speed of light. And you’d be doing that for billions of years.

Fraser Cain: From your experience because you’re continuing to accelerate you would be like .999999% the speed of light. And so, it would take you two and a half million years to get to Andromeda. It would take you –

Fraser Cain: – 46 billion years to get to the edge of the –

Dr. Pamela Gay: But you wouldn’t experience it.

Fraser Cain: But you wouldn’t experience it. And yet the rest of the universe would. And so you would be – you would have to wait. You know, we’d have to wait 50 billion years for you to reach what was the edge of the observable universe. It’s absolutely mind-bending.

Fraser Cain: And awesome. And it’s like this one hope that we can travel vast distances in a single human lifetime. Although, you have to say goodbye to everyone and everything you know.

Dr. Pamela Gay: Well, just travel with your friends. Travel with your friends.

Fraser Cain: That’s a good way to do it. All right. Thanks, Pamela.

Fraser Cain: Do you have some names for us this week?

Dr. Pamela Gay: I do. I need to find the right window. I have so many monitors. I love my monitor fort.

Fraser Cain: Your monitor fort.

Dr. Pamela Gay: I have a monitor fort.

Fraser Cain: Yeah. That’s awesome.

Dr. Pamela Gay: This is what one should build – monitor forts.

Fraser Cain: Yeah. Yeah. I love it. I’ve never heard it said that way, and I think it’s great.

Dr. Pamela Gay: So, as always, we are here thanks to you. You out there, thank you. Thank you for supporting us and making everything we do possible. For allowing us to pay Rich, Allie, Beth, Nancy. All the people that keep Fraser and I on the straight and narrow. Because Lord knows we need herded. So, thank you for making this possible. Thank you for paying our server bills …our everything else. Çox sağ ol.

And this week in particular I would like to thank Kevin Parker, David Truog, Bill Nash, Helge Bjørkhaug, Richard Hendricks, Janelle Duncan. And it turns out that because it’s the end of the month, those are the only names I’ve got.

Dr. Pamela Gay: So, thank you.

Fraser Cain: Thanks, everybody. And thank you, Pamela. And we’ll see you next week.


Does the expansion of the universe cause time dilation?

If space and time are part of the same thing, does the expansion of the universe make time expand to? If so, does it make time slow down, similar to the time dilation around a black hole?

See the sidebar of r/math to render equations.

Does the expansion of the universe cause time dilation?

Time dilation is really just difference in elapsed times according to different observers. It should be understood as ultimately arising from the different coordinate systems of the two observers. Time, just like space, is really just a coordinate. In this earlier post I give much more detail about how to find time dilation factors for general metrics. In the case of cosmological expansion (say, for a flat universe), the metric has the form

To understand how time is measured by different observers, we should first understand what the coordinates in this metric even mean. The coordinates [ (t,x,y,z) ] are so-called co-moving coordinates, or cosmological coordinates. This graph shows what's going on. There is a fixed spatial grid which simply expands along with the universe as time increases. If an observer remains at a fixed grid point for all time, then that observer is a so-called co-moving observer or isotropic observer. According to this type of observer, the universe looks spatially homogeneous and isotropic. That is, no matter what direction he looks and no matter which grid point he is at, the universe looks the same (on large scales). Cosmological time is, in fact, defined by those two properties. All co-moving observers, no matter their location in the universe, have synchronized clocks.

Okay, what if you are not a co-moving observer? Then you have coordinates that are not the same as the co-moving coordinates. In particular, you have a different time coordinate. A fortiori, some elapsed time acoording to a co-moving observer is not the same elapsed time for you. In that sense, cosmic expansion of space does cause time dilation (but that's nothing special really).

Let's look at the time dilation factor now. Suppose we are a co-moving observer and, in our coordinates, another observer moves along the path in spacetime given by

So the time dilation factor is

where [ v(t) ] is the speed of the second observer. Note very carefully that we are describing the second observer in terms of our co-moving coordinates. For instance, a speed of [ v(t) = 0 ] does not mean that the second observer does not görünür to move. What that means is that the second observer's spatial coordinates (in our cosmological coordinates) do not change. In other words, [ v(t) = 0 ] means that the second observer is həmçinin a co-moving observer. Also note that the local speed of light is not [ v_ = 1 ] , but rather [ v_ = 1/a(t) ] , which can be greater than or less than 1.

To describe the apparent change of distance between co-moving observers, we use a different spatial coordinate system based on proper distance. The co-moving distance [ chi ] and the proper distance [ d ] are related by

The time derivative of the proper distance is

The first summand on the right-side is sometimes called the recessional velocity (as described by Hubble's law) and the second summand is sometimes called the peculiar velocity. The peculiar velocity is the apparent velocity of an object as measured by a local co-moving observer. That is, if we want to measure the peculiar velocity of some object, the co-moving observer who happens to be right next to that object has to measure its speed. (We cannot measure the velocity of distant objects.)

Note that [ chi'(t) ] , being the time derivative of the co-moving coordinate, is bounded above by [ v_(t) = 1/a(t) ] , the local speed of light in co-moving coordinates. Hence the peculiar velocity [ V_(t) = a(t)chi'(t) ] is bounded above by 1. That is, a local observer always measures objects right next to him to move at less than 1 (or c in dimensional units). (This is what is meant when we say that in GR we have to modify the rule that light always has the same speed. It is only true that objects right next to us cannot travel faster than light and that light rays right next to us have speed 1.)

Anyway. back to time dilation. The time dilation factor is written above in terms of [ v(t) = chi'(t) ] , which is the time derivative of the co-moving coordinate. It is more natural to write the time dilation in terms of the peculiar velocity since that is what we can measure directly. We then have that

which looks an awfully lot like the usual time dilation formula from SR. As an example, suppose we are a co-moving observer that sees some other observer with a constant peculiar velocity [ V ] . Then if we measure a time interval of t between two events, that other observer will measure the time interval

The second observer measures a smaller time interval. So whereas all co-moving observers agree that the universe is about 13.8 billion years old, a non-co-moving observer measures the age of the universe to be younger, how young depending on how fast he moves with respect to the co-moving observers.

Let's consider a fun example. We operationally define the co-moving observers to consist of the frame in which the CMB is homogeneous and isotropic. We see the CMB with a prominent dipole anisotropy, which occurs because we are not co-moving observers. Our peculiar velocity through the CMB causes some of the CMB to appear redshifted and some of the CMB to appear blueshifted. The peculiar velocity of Earth through the CMB is about 600 km/sec. A time period of t for the co-moving observers is, for us, a time period of

[ au = tsqrt<1-V^2>approx tleft(1- frac<1><2>V^2 ight) approx tleft(1-2 imes 10^<-6> ight) ]

So if the age of the universe is about 13.8 billion years for co-moving observers, then the age of the universe for us is about the same, minus 28,000 years.

Now I can quickly answer your remaining questions.

If space and time are part of the same thing, does the expansion of the universe make time expand to?

The FLRW metric in cosmological coordinates (and for a flat universe) has the form

In these coordinates, the timelike coordinate is left undistorted. Only space is affected by the expansion factor. However, we can easily change to a different coordinate system in which the timelike components of the metric are not trivial. If we use so-called conformal time, then the metric has the form

So it appears in these coordinates that time does get distorted, but that the entire metric is really just a scaled version of the Minkowski metric from SR. But be careful! The coordinate [ eta ] is not the same as cosmological t or Minkowski t. So to say that [ eta ] is distorted by the metric doesn't really say much. Indeed, [ eta ] has the interpretation of the time as measured by a clock whose ticking rate decelerates along with the expansion of the universe. So [ eta ] is, in a sense, already measuring a time coordinate that gets "distorted". The lesson here is that in GR, the coordinates are rather arbitrary, and in the absence of preferred coordinates, there really is no definitive way to answer the question of whether cosmological expansion also affects time. It depends on your coordinates.

If so, does it make time slow down, similar to the time dilation around a black hole?

Again, it's important to be precise about what we mean by "time slowing down". As I explained above, all co-moving observers have synchronized clocks that tick at the same rate. An observer that has a non-zero peculiar velocity with respect to the co-moving observers does, in fact, measure a smaller time interval, given a fixed time interval as measured by the co-moving observers. In this sense, the time dilation should remind you more of time dilation in SR, where it arises only as a result of relative motion. The co-moving observers are somewhat analogous to a set of inertial observers of SR. A set of observers that are moving at some constant peculiar velocity with respect to the co-moving observers are somewhat analogous to a second set of inertial observers of SR. (The analogy breaks down, however, for several reasons. For one, time dilation, length contraction, and all that is not symmetric between different sets of observers. The co-moving observers, for instance, really have experienced the most proper time since the big bang.)


Cosmological time dilation using type Ia supernovae as clocks **

Alhough there is little doubt at present that the redshift of distant galaxies is due to an expansion of the universe, we present in this paper a direct confirmation for the cosmological expansion. This work is based on the first results from a systematic search for high redshift Type Ia supernovae. We discovered over twenty seven SNe, before or at maximum light. In this paper we report on the first seven of these, with redshift z = 0.35 – 0.46. Type Ia SNe are known to be a homogeneous group of SNe, to first order, with very similar light curves, spectra and peak luminosities. In this paper we report that the light curves we observe are all broadened (time dilated) as expected from the expanding universe hypothesis. Small variations from the expected 1 + z broadening of the light curve widths can be attributed to a width-brightness correlation that has been observed for nearby SNe (z < 0.1). We show in this paper the first clear observation of the cosmological time dilation for macroscopic objects.


A "Whodunit" of Cosmic Proportions

By: J. Kelly Beatty November 14, 2011 11

Bu kimi məqalələri gələnlər qutunuza göndərin

In a few months I'll be teaching my high-school students about cosmology and, in particular, how Edwin Hubble discovered that the universe is expanding. That's how most of us learned it, anyway, but it's not the whole story. In fact, it's not even correct.

During the 1920s, astronomers Edwin Hubble (left) and Georges Lemaître both came o the realization that the universe is expanding.

Carnegie Inst. of Washington / Catholic Univ. Louvain

Two takes on the expansion-rate of distant galaxies, plotted as their distance versus their recession velocity, as deduced independently by Edwin Hubble and Georges Lemaître. Click on the image for a larger view.

E. Hubble / D. Block / H. Duerbeck

November 14, 2011 at 2:53 pm

I read years ago in New Scientist about the Big Rip theory to explain a quickening red shift. If the speed of light slows with time since the Big Bang in proportion to the mass of the electron increasing this would stabilize increasingly heavy metals with time as an obvious red shift is produced. Sound waves are conducted by whole atoms and cannot be conducted in a vacuum, is like light 22 billion years from now.

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 15, 2011 at 6:30 am

Thanks for promoting this historical wrong. However, it clearly states in both the Physics Today and the arXiv articles that Michael Way and Harry Nussbaumer are in once case a "research scientist" and the other an "Astronomer" -- Dr. Nussbaumer has also published an entire book on this subject. Best Wishes.

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 15, 2011 at 1:48 pm

Lemaître deserves to be mentioned, but Hubble made a better job of it and deserves most of the credit. Kind of like Leif Ericson and Christopher Columbus. Sure, Ericson was first to North America, but what did he do about it, who did he tell? Columbus was 500 years late, but he followed up.

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 18, 2011 at 5:57 pm

In Cosmos 30 years ago, Carl Sagan had a whole section devoted to red shift and Milton Humason's contribution. Neither Hubble nor Lemaitre got a mention.

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 18, 2011 at 6:22 pm

While Hubble did observe a relation between the distance of a star and its redshift, he never claimed that the redshift was due to the expansion of the universe.

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 20, 2011 at 4:32 pm

Neither Hubble nor Lemaitre were the first to discover that the universe is expanding. The Bible talks about the expansion of the universe 9 times in Job 9:8, Psalm 104:2, Isaiah 40:22, 42:5, 44:24, 45:12, 51:13, Jeremiah 10:12, and Zechariah 12:1.
I also recently read a book (The Grand Tour: A Traveler's Guide to the Solar System, page 199) that claims that the earth was not discovered until 500 (yes, FIVE HUNDRED) BC! Yet, Job talked about the earth floating in space in 2000 BC (Job 26:7).
The Bible is a very unique book it records the true account of origins (which is not the big bang), many scientific facts which have all been confirmed, and has no contradictions (even though it was written by 40 different authors over 1,600 years) but most of all, it tells us how we can be reconciled to the very Creator and upholder of the universe.

I hope that this will be a call to other astronomers to study what the Bible says for themselves I know that this is greatly needed!

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 21, 2011 at 2:09 pm

There is allways a christian fanatic from the USA to comment off topic.

We still have a long way to go for undesrtanding the Universe, the "who is who wars" are slowing Science down. If scholars are so ego prone, real investigation is delayed.

My opinion only, not puting down any one in particular. YanLu

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 22, 2011 at 8:38 pm

Since the article's topic is who first reported the expansion of the universe, Janessa's comment is not "off topic" at all. Moses wrote the Bible book of Job around 1473 B.C.E. Job 9:8 and the other verses Janessa references even fit with the remarkable finding that the rate of universal expansion is accelerating. The Grand Designer is even now "stretching out the heavens," as the more humble than Hubble priest Lemaitre would no doubt agree.

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 22, 2011 at 8:41 pm

Janessa, interesting comments. The expanding universe is not 100% solid ground despite what S&T posts. Reports like
'Quasars again defy a big bang explanation' JOC 24(2):8-9, 2010 don't make the press releases. Marcus Chown in New Scientist reported that QSOs closer to earth (6 billion LY distant) should have light variation effects that may take a month to change and the more distant QSOs (10 billion LY distant or more) should show about a two month time dilation effect due to big bang expansion of the universe. None of this time dilation effect has been observed. This raises the question that the QSOs observed are much closer to earth so their redshift numbers or z numbers cannot be related to cosmological expansion of the universe. As John Hartnett reports in JOC, QSOs offer no support to the big bang model because of the time dilation effect that is missing in their light records. This is just one of many problems with the expanding universe interpretation.

Şərh yazmaq üçün daxil olmalısınız.

November 24, 2011 at 9:47 am

Attributing scientific merit to an English translation of a Hebrew adaptation of a creation myth passed on orally from generation to generation seems shaky ground to say the least. There are many interpretations of the &ldquooriginal&rdquo Hebrew text, but a scientifically accurate description of the universe (let alone the suggestion that it prophesies the big bang theory) is not one proposed by many scholars. May I therefore suggest that in future we concentrate on the science and leave the interpretation of creation myths for different fora. Do the &ldquotheologians&rdquo not understand how offensive this evangelising is to followers of other faiths?


As The Universe Expands, Does Space Actually Stretch?

The fabric of expanding space as illustrated over cosmic time. One of the consequences of the . [+] expansion is that the farther away a galaxy is, the faster it appears to recede from us, and that the farther away a light source is, the greater the redshift of the light's wavelength by the time we receive it.

NASA, Goddard Space Flight Center

It’s been almost 100 years since humanity first reached a revolutionary conclusion about our Universe: space itself doesn’t remain static, but rather evolves with time. One of the most unsettling predictions of Einstein’s General Relativity is that any Universe — so long as it’s evenly filled with one or more type of energy — cannot remain unchanging over time. Instead, it must either expand or contract, something initially derived independently by three separate people: Alexander Friedmann (1922), Georges Lemaitre (1927), Howard Robertson (1929), and then generalized by Arthur Walker (1936).

Concurrently, observations began to show that the spirals and ellipticals in our sky were galaxies. With these new, more powerful measurements, we could determine that the farther away a galaxy was from us, the greater the amounts its light arrived at our eyes redshifted, or at longer wavelengths, compared to when that light was emitted.

But what, exactly, is happening to the fabric of space itself while this process occurs? Is the space itself stretching, as though it’s getting thinner and thinner? Is more space constantly being created, as though it were “filling in the gaps” that the expansion creates? This is one of the toughest things to understand in modern astrophysics, but if we think hard about it, we can wrap our heads around it. Let’s explore what’s going on.

An animated look at how spacetime responds as a mass moves through it helps showcase exactly how, . [+] qualitatively, it isn't merely a sheet of fabric. Instead all of 3D space itself gets curved by the presence and properties of the matter and energy within the Universe. Multiple masses in orbit around one another will cause the emission of gravitational waves.

The first thing you have to understand is what General Relativity does, and doesn’t, tell us about the Universe. General Relativity, at its core, is a framework that relates two things that might not obviously be related:

Elm adamları deyirlər ki, Qalaktikamızda Yer kürəsinə bənzəyən başqa bir Planet var

Elm adamları deyirlər ki, 29 Ağıllı Əcnəbi Sivilizasiyalar Onsuz da Bizi Görmüş ola bilər

İzah edildi: Niyə bu həftənin ‘çiyələk ayı’ bu qədər aşağı, bu qədər gec və bu qədər işıqlı olacaq

  • the amount, distribution, and types of energy — including matter, antimatter, dark matter, radiation, neutrinos, and anything else you can imagine — that are present all throughout the Universe,
  • and the geometry of the underlying spacetime, including whether and how it’s curved and whether and how it will evolve.

If your Universe has nothing in it at all, no matter or energy of any form, you get the flat, unchanging, Newtonian space you’re intuitively used to: static, uncurved, and unchanging.

If instead you put down a point mass in the Universe, you get space that’s curved: Schwarzschild space. Any “test particle” you put into your Universe will be compelled to flow towards that mass along a particular trajectory.

And if you make it a little more complicated, by putting down a point mass that also rotates, you’ll get space that’s curved in a more complex way: according to the rules of the Kerr metric. It will have an event horizon, but instead of a point-like singularity, the singularity will get stretched out into a circular, one-dimensional ring. Again, any “test particle” you put down will follow the trajectory laid out by the underlying curvature of space.

In the vicinity of a black hole, space flows like either a moving walkway or a waterfall, depending . [+] on how you want to visualize it. At the event horizon, even if you ran (or swam) at the speed of light, there would be no overcoming the flow of spacetime, which drags you into the singularity at the center. Outside the event horizon, though, other forces (like electromagnetism) can frequently overcome the pull of gravity, causing even infalling matter to escape.

Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

These spacetimes, however, are static in the sense that any distance scales you might include — like the size of the event horizon — don’t change over time. If you stepped out of a Universe with this spacetime and came back later, whether a second, an hour, or a billion years later, its structure would be identical irrespective of time. In spacetimes like these, however, there’s no expansion. There’s no change in the distance or the light-travel-time between any points within this spacetime. With just one (or fewer) sources inside, and no other forms of energy, these “model Universes” really are static.

But it’s a very different game when you don’t put down isolated sources of mass or energy, but rather when your Universe is filled with “stuff” everywhere. In fact, the two criteria we normally assume, and which is strongly validated by large-scale observations, are called isotropy and homogeneity. Isotropy tells us that the Universe is the same in all directions: everywhere we look on cosmic scales, no “direction” looks particularly different or preferred from any other. Homogeneity, on the other hand, tells us that the Universe is the same in all locations: the same density, temperature, and expansion rate exist to better than 99.99% precision on the largest scales.

Our view of a small region of the Universe near the northern galactic cap, where each pixel in the . [+] image represents a mapped galaxy. On the largest scales, the Universe is the same in all directions and at all measurable locations, with the major difference being that distant galaxies appear smaller, younger, denser, and less evolved than the ones we find nearby: evidence for cosmic evolution with time, but no changes in isotropy or homogeneity.

In this case, where your Universe is uniformly filled with some sort of energy (or multiple different types of energy), the rules of General Relativity tell us how that Universe will evolve. In fact, the equations that govern it are known as the Friedmann equations: derived by Alexander Friedmann all the way back in 1922, a year before we discovered that those spirals in the sky are actually galaxies outside of and beyond the Milky Way!

Your Universe must expand or contract according to these equations, and that’s what the mathematics tells us must occur.

But what, exactly, does that mean?

You see, space itself is not something that’s directly measurable. It’s not like you can go out and take some space and just perform an experiment on it. Instead, what we can do is observe the effects of space on observable things — like matter, antimatter, and light — and then use that information to figure out what the underlying space itself is doing.

When a star passes close to a supermassive black hole, it enters a region where space is more . [+] severely curved, and hence the light emitted from it has a greater potential well to climb out of. The loss of energy results in a gravitational redshift, independent of and superimposed atop any doppler (velocity) redshifts we'd observe.

For example, if we go back to the black hole example (although it applies to any mass), we can calculate how severely space is curved in the vicinity of a black hole. If the black hole is spinning, we can can calculate how significantly space is “dragged” along with the black hole due to the effects of angular momentum. If we then measure what happens to objects in the vicinity of those objects, we can compare what we see with the predictions of General Relativity. In other words, we can see if space curves the way Einstein’s theory tells us it ought to.

And oh, does it do so to an incredible level of precision. Light blueshifts when it enters an area of extreme curvature and redshifts when it leaves. This gravitational redshift has been measured for stars orbiting black holes, for light traveling vertically in Earth’s gravitational field, from the light coming from the Sun, and even for light passing through growing galaxy clusters.

Similarly, gravitational time dilation, the bending of light by large masses, and the precession of everything from planetary orbits to rotating spheres sent up to space has demonstrated spectacular agreement with Einstein’s predictions.

A photon source, like a radioactive atom, will have a chance of being absorbed by the same material . [+] if the wavelength of the photon doesn't change from its source to its destination. If you cause the photon to travel up or down in a gravitational field, you have to change the relative speeds of the source and receiver (such as driving it with a speaker cone) in order to compensate. This was the setup of the Pound-Rebka experiment from 1959.

E. Siegel / Beyond the Galaxy

But what about the Universe’s expansion? When you think about an expanding Universe, the question you should be asking is: “what, observably, changes about the measurable things in the Universe?” After all, that’s what we can predict, that’s what’s physically observable, and that’s what will inform us as to what’s going on.

Well, the simplest thing we can look at is density. If our Universe is filled with “stuff,” then as the Universe expands, its volume increases.

We normally think about matter as the “stuff” we’re thinking about. Matter is, at its simplest level, a fixed amount of massive “stuff” that lives within space. As the Universe expands, the total amount of stuff remains the same, but the total amount of space for the “stuff” to live within increases. For matter, density is just mass divided by volume, and so if your mass stays the same (or, for things like atoms, the number of particles stays the same) while your volume grows, your density should go down. When we do the General Relativity calculation, that’s exactly what we find for matter.

While matter and radiation become less dense as the Universe expands owing to its increasing volume, . [+] dark energy is a form of energy inherent to space itself. As new space gets created in the expanding Universe, the dark energy density remains constant.

E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

But even though we have multiple types of matter in the Universe — normal matter, black holes, dark matter, neutrinos, etc. — not everything in the Universe is matter.

For example, we also have radiation: quantized into individual particles, like matter, but massless, and with its energy defined by its wavelength. As the Universe expands, and as light travels through the expanding Universe, not only does the volume increase while the number of particles remains the same, but each quantum of radiation experiences a shift in its wavelength towards the redder end of the spectrum: longer wavelengths.

Meanwhile, our Universe also possesses dark energy, which is a form of energy that isn’t in the form of particles at all, but rather appears to be inherent to the fabric of space itself. While we cannot measure dark energy directly the same way we can measure the wavelength and/or energy of photons, there is a way to infer its value and properties: by looking at precisely how the light from distant objects redshifts. Remember that there’s a relationship between the different forms of energy in the Universe and the expansion rate. When we measure the distance and redshift of various objects throughout cosmic time, they can inform us as to how much dark energy there is, as well as what its properties are. What we find is that the Universe is about ⅔ dark energy today, and that the energy density of dark energy doesn’t change: as the Universe expands, the energy density remains constant.

When we plot out all the different objects we've measured at large distances versus their redshifts, . [+] we find that the Universe cannot be made of matter-and-radiation only, but must include a form of dark energy: consistent with a cosmological constant, or an energy inherent to the fabric of space itself.

NED WRIGHT'S COSMOLOGY TUTORIAL

When we put the full picture together from all the different sources of data that we have, a single, consistent picture emerges. Our Universe today is expanding at somewhere around 70 km/s/Mpc, which means that for every megaparsec (about 3.26 million light-years) of distance an object is separated from another object, the expanding Universe contributes a redshift that’s equivalent to a recessional motion of 70 km/s.

That’s what it’s doing today, mind you. But by looking to greater and greater distances and measuring the redshifts there, we can learn how the expansion rate differed in the past, and hence, what the Universe is made of: not just today, but at any point in history. Today, our Universe is made of the following forms of energy:

  • about 0.008% radiation in the form of photons, or electromagnetic radiation,
  • about 0.1% neutrinos, which now behave like matter but behaved like radiation early on, when their mass was very small compared to the amount of (kinetic) energy they possessed,
  • about 4.9% normal matter, which includes atoms, plasmas, black holes, and everything that was once made of protons, neutrons, or electrons,
  • about 27% dark matter, whose nature is still unknown but which must be massive and clumps, clusters, and gravitates like matter,
  • and about 68% dark energy, which behaves as though it’s energy inherent to space itself.

If we extrapolate backwards, based on what we infer about today, we can learn what type of energy dominated the expanding Universe at various epochs in cosmic history.

The relative importance of dark matter, dark energy, normal matter, and neutrinos and radiation in . [+] the expanding Universe are illustrated here. While dark energy dominates today, it was negligible early on. Dark matter has been largely important for extremely long cosmic times, and we can see its signatures in even the Universe's earliest signals. Meanwhile, radiation was dominant for the first

10,000 years of the Universe after the Big Bang.

Notice, very importantly, that the Universe responds in a fundamentally different way to these differing forms of energy. When we ask, “what is space doing while it’s expanding?” we’re actually asking which description of space makes sense for the phenomenon we’re considering. If you consider a Universe filled with radiation, because the wavelength lengthens as the Universe expands, the “space stretches” analogy works very well. If the Universe were to contract instead, “space compresses” would explain how the wavelength shortens (and energy increases) equally well.

On the other hand, when something stretches, it thins out, just like when something compresses, it thickens up. This is a reasonable thought for radiation, but not for dark energy, or any form of energy intrinsic to the fabric of space itself. When we consider dark energy, the energy density always remains constant. As the Universe expands, its volume is increasing while the energy density doesn’t change, and therefore the total energy increases. It’s as though new space is getting created due to the Universe’s expansion.

Neither explanation works universally well: it’s that one works to explain what happens to radiation (and other energetic particles) and one works to explain what happens to dark energy (and anything else that’s an intrinsic property of space, or a quantum field coupled directly to space).

An illustration of how spacetime expands when it’s dominated by Matter, Radiation or energy inherent . [+] to space itself, such as dark energy. All three of these solutions are derivable from the Friedmann equations. Note that visualizing the expansion as either 'stretching' or 'creating new space' won't suffice in all instances.

Space, contrary to what you might think, isn’t some physical substance that you can treat the same way you’d treat particles or some other form of energy. Instead, space is simply the backdrop — a stage, if you will — against or upon which the Universe itself unfolds. We can measure what the properties of space are, and under the rules of General Relativity, if we can know what’s present within that space, we can predict how space will curve and evolve. That curvature and that evolution will then determine the future trajectory of every quantum of energy that exists.

The radiation within our Universe behaves as though space is stretching, although space itself isn’t getting any thinner. The dark energy within our Universe behaves as though new space is getting created, although there’s nothing we can measure to detect this creation. In reality, General Relativity can only tell us how space behaves, evolves, and affects the energy within it it cannot fundamentally tell us what space actually is. In our attempts to make sense of the Universe, we cannot justify adding extraneous structures atop what is measurable. Space neither stretches nor gets created, but simply is. At least, with General Relativity, we can accurately learn “how” it is, even if we can’t know precisely “what” it is.


Videoya baxın: Milyon Baxış - Erdem ÇetinkayaMeta ilə Möcüzələr; Elmi dəlillərlə (Sentyabr 2021).