Dlaczego obserwowalny Wszechświat jest większy niż sugerowałby jego wiek?

Wiek Wszechświata jest szacowany na 13,8 miliarda lat, a obecna teoria mówi, że nic nie może przekroczyć prędkości światła, co może prowadzić do błędnego wniosku, że wszechświat nie może mieć promienia większego niż 13,8 miliarda lat świetlnych.

Wikipedia radzi sobie z tym błędnym przekonaniem w następujący sposób:

Takie rozumowanie miałoby sens tylko wtedy, gdyby płaska, statyczna koncepcja czasoprzestrzeni Minkowskiego pod szczególną względnością była poprawna. W prawdziwym Wszechświecie czasoprzestrzeń jest zakrzywiona w sposób, który odpowiada rozszerzeniu przestrzeni , o czym świadczy prawo Hubble'a . Odległości otrzymane jako prędkość światła pomnożona przez kosmologiczny przedział czasu nie mają bezpośredniego znaczenia fizycznego. → Ned Wright, „Dlaczego nie należy stosować lekkiej odległości podróży w komunikatach prasowych”

To nie wyjaśnia mi sprawy, a ponieważ nie mam wykształcenia matematycznego poza liceum, dalsze czytanie prawa Hubble'a też niewiele pomaga.

Wyjaśnienie jednego laika oferuje wyjaśnienie, że sam Wszechświat nie jest związany tymi samymi prawami, co rzeczy w nim zawarte. Miałoby to sens - o ile te rzeczy mogą - ale powyższy cytat ( „Odległości uzyskane jako prędkość światła pomnożona przez kosmologiczny przedział czasu nie mają bezpośredniego znaczenia fizycznego” ) wydaje się bardziej ogólny.

Czy ktoś może zaoferować (lub skierować mnie) dobre wyjaśnienie laika?

Najłatwiejszym wyjaśnieniem, dlaczego maksymalna odległość, jaką można zobaczyć, nie jest po prostu iloczynem prędkości światła wraz z wiekiem wszechświata, ponieważ wszechświat jest niestatyczny.

Różne rzeczy (tj. Materia vs. ciemna energia) wywierają różny wpływ na współrzędne wszechświata, a ich wpływ może zmieniać się z czasem.

Dobrym punktem wyjścia do tego wszystkiego jest analiza parametru Hubble'a, który daje nam stałą Hubble'a w dowolnym momencie w przeszłości lub w przyszłości, biorąc pod uwagę, że możemy zmierzyć, z czego obecnie zbudowany jest wszechświat :

$$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$$ gdzie indeksy , , i na odnoszą się do parametrów gęstości materii (ciemnej i barionowej), promieniowania (fotonów i innych cząstek relatywistycznych), krzywizny (dzieje się to tylko wtedy, gdy wszechświat globalnie odbiega od płaskiej przestrzeni; dowody wskazują, że jest zgodny z płaskością), a na koniec ciemna energia (co, jak zauważysz, pozostaje stałe, niezależnie od tego, jak gra się dynamika wszechświata). Powinienem również zauważyć, żeγ k Λ Ω $m$$\gamma$$k$$\Lambda$$\Omega$$0$notacja indeksu dolnego mierzona dzisiaj .

W powyższym Hubble'a parametr nazywany jest współczynnik skali, która jest równa 1 dziś i zera na początku wszechświata. Dlaczego różne elementy skalują się inaczej przy ? Cóż, wszystko zależy od tego, co się stanie, gdy zwiększysz rozmiar pudełka zawierającego rzeczy w środku. Jeśli masz kilogram materii wewnątrz sześcianu 1 metr na boku i zwiększasz każdą stronę do 2 metrów, co stanie się z gęstością materii wewnątrz tego nowego sześcianu? Zmniejsza się 8-krotnie (lub ). Dla promieniowania, można uzyskać podobny spadek gęstości liczba cząstek wewnątrz niej, a także dodatkowy czynnik powodu rozciągania jej długości fali z wielkością okna, dając nam$a$2 3 a 3 a a $a$$2^{3}$$a^{3}$$a$$a^{4}$ . Gęstość ciemnej energii pozostaje stała w tym samym rodzaju eksperymentu myślowego.

Ponieważ różne składniki działają inaczej, gdy zmieniają się współrzędne wszechświata, istnieją odpowiednie epoki w historii wszechświata, w których każdy element dominuje w ogólnej dynamice. Dość łatwo to rozgryźć. Przy współczynniku małej skali (bardzo wcześnie) najważniejszym składnikiem było promieniowanie. Wcześniej parametr Hubble'a można bardzo dokładnie przybliżyć w następujący sposób:

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

Około:

a=Ωγ,

$$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$$ $$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$$ mamy równość promieniowanie materii i od tego momentu mamy materię dominującą w dynamice wszechświata. Można to zrobić jeszcze raz dla energii ciemnej materii, w której można by stwierdzić, że żyjemy teraz w fazie wszechświata zdominowanej przez ciemną energię. Jedną z prognoz życia w takiej fazie jest przyspieszenie współrzędnych wszechświata - coś, co zostało potwierdzone (patrz: Nagroda Nobla z fizyki 2011 ).

Widzicie więc, znalezienie odległości do kosmologicznego horyzontu byłoby nieco bardziej skomplikowane niż pomnożenie prędkości światła przez wiek wszechświata. W rzeczywistości, jeśli chcesz znaleźć tę odległość (formalnie nazywaną odległością zbliżającą się do kosmicznego horyzontu), musiałbyś wykonać następującą całkę:

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

$z_{e}$$\sim 1100$

Krótko mówiąc: rzeczy same nie mogą poruszać się szybciej niż to światło, ale mogą poruszać się szybciej niż światło z powodu uniwersalnej ekspansji. Im dalej, tym szybciej odejdą.

Właśnie o tym myślałem i oto wyjaśnienie mojego laika. Wyobraź sobie, że śledzisz dwie kropki na zmiętym kawałku papieru, kropki się poruszają, ale gdy się poruszają, papier staje się „nieskręcony”, faktyczna odległość między kropkami będzie większa niż suma odległości, które mają podróżował.

Całkowicie nienaukowe wyjaśnienie ...

Wyobraź sobie, że wszechświat jest balonem. Dwa ciała zaczynają się blisko siebie, ale na przeciwległych powierzchniach. Rozszerzanie się balonu zabiera je od siebie z równą prędkością i z taką prędkością, że światło z jednego punktu początkowego zajmuje prawie całą historię wszechświata, by dotrzeć do drugiego. Odległość między nimi TERAZ nie jest dwa razy większa niż wiek wszechświata - ponieważ nie można podróżować „przez” balon, ale zamiast tego musi on okrążyć powierzchnię balonu ... 13,8 * PI miliardów lat świetlnych = 43 miliardów lat świetlnych.

Nie do końca poprawne, ale przynajmniej unika zbytniego martwienia się o astrofizykę i kosmologię!