الفلك

إذا استمر الكون في التوسع ، فهل يمكننا السفر إلى حافة الكون؟

إذا استمر الكون في التوسع ، فهل يمكننا السفر إلى حافة الكون؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

إذا استمر الكون في التوسع ، فهل من الممكن السفر إلى حافة الكون؟


عندما نتحدث عن الكون ، فإننا نتحدث حقًا عن أحد أمرين:

  • الكون المرئي ، وهو كل ما يمكننا رؤيته.
  • الكون ، وهو كل ما كان موجودًا في أي وقت مضى ، موجود حاليًا وسيظل موجودًا.

الكون المرئي له مركزه الخاص ، وعادة ما يكون الأرض. إنها منطقة كروية من كل شيء يمكننا رؤيته ، بشكل أساسي أي شيء يصل إلينا ضوءه. عادة نشير إلى هذا عندما نقول أشياء مثل "هناك $ 10 ^ {86} $ ذرة في الكون."

في الواقع ، لكل شخص كونه الذي يمكن ملاحظته ، ويمكن أن يتغير اعتمادًا على مكان وجودك. كوكب خارج المجموعة الشمسية بعيدًا له كونه يمكن ملاحظته ، ويمكنه استقبال الضوء من أماكن مختلفة. بشكل أساسي ، أنت مركز كونك الذي يمكن ملاحظته. مع وصول المزيد من الضوء إلينا ، سينمو كوننا المرئي (أو يتمدد ، إذا صح التعبير). إذا كان هذا هو ما تشير إليه ، فإن إجابتك هنا.

إذا كنت تشير إلى الأخير ، فهناك إجابة مختلفة تمامًا و "التوسع" يشير إلى شيء مختلف تمامًا. الكون (لاحظ الحرف الكبير "U") هو كل المكان والزمان ومحتوياته. كل ما كان موجودًا ، سيكون موجودًا ، وموجود حاليًا هو جزء منه.

يُعتقد أن الكون كبير بشكل لا نهائي ، لذا لا يمكن أن يكون له مركز. مركز شيء ما هو النقطة التي تساوي المسافة من الحواف ، ولكن إذا امتد شيء ما لفترة طويلة بشكل غير محدود ، فسيستمر. لن يكون لها ميزة ، وبالتالي لن يكون لها مركز. لا يمكنك العثور على النقطة على مسافة متساوية من الحواف إذا كانت تمتد إلى ما لا نهاية.

الكون ليس كالكرة. بدلاً من ذلك ، يمكنك التفكير في الأمر على أنه شبكة مسطحة ، و "تمدده" يعني فقط أن المسافات بين الكائنات على الشبكة تزداد اتساعًا. في جوهرها ، يتم إنشاء مساحة أكبر بين الأشياء. هذا ما نعنيه بالتوسع - أن الأجسام تبتعد عن بعضها البعض ، حيث يتم إنشاء مساحة أكبر بينها.

إليك تشبيه سهل: تخيل أنك تمشي كلبك. فجأة ، تبدأ الأرض بالتمدد بينكما. سوف تنفصل أنت وكلبك وتستمر في الانحسار بعيدًا عن بعضكما البعض.

يحدث هذا بشكل أساسي في كل مكان: يتمدد الفضاء بين كل شيء ، لذلك نحن نبتعد عن المجرات الأخرى. الكون لانهائي ، ويمكننا أن نبتعد باستمرار عن الأشياء الأخرى لأن الفضاء يتم إنشاؤه بيننا. إليك صورة GIF قمت بإنشائها والتي قد تساعدك في الحصول عليها:

يمكنك أن ترى كيف تبتعد المجرات عن بعضها مع زيادة المسافة بينهما. وهذا يحدث في كل مكان في الكون. الكون لانهائي ، ولكن يتم إنشاء المزيد والمزيد من الفضاء بين المادة.

حقيقة ممتعة: يمكن لهذه الكائنات في الواقع أن تنجرف بعيدًا عن بعضها البعض أسرع من سرعة الضوء. وهذا يعني أن الضوء المنبعث منها لن يصل إلينا في النهاية ، لأنهم سينجرفون بعيدًا بسرعة كبيرة.

الآن ، هذا لا يتعارض في الواقع مع نظرية أينشتاين القائلة بأن سرعة الضوء هي أسرع شيء في الكون. قال أينشتاين إنه لا شيء يمكن أن يسافر عبر الفضاء أسرع من الضوء - ولكن هنا ، يتم إنشاء الفضاء نفسه بالفعل بين الأشياء. تتزايد المسافات لأن الفضاء نفسه يتسع ، وبالتالي يمكننا الابتعاد عن الأشياء الأخرى بشكل أسرع من الضوء.


هل للكون ميزة؟

يعرف العلماء الآن أن الكون يتوسع بمعدل متزايد باستمرار. لذا إذا كان يتضخم ، فما الذي ينمو إليه؟ بمعنى آخر ، ما هو أبعد من الكون المعروف؟

إن تعريف هذا "ما وراء الكون" يعني ضمناً أن للكون ميزة. وهنا تصبح الأمور صعبة ، لأن العلماء ليسوا متأكدين من وجود مثل هذا الانحدار.

تعتمد الإجابة على الكيفية التي ينظر بها المرء إلى السؤال.


ما هو التوسع في الكون؟

تعال ، اعترف ، لقد & # 8217 لديك هذا السؤال. "بما أن علماء الفلك يعرفون أن الكون يتوسع ، فما الذي يتوسع فيه؟ ما هو خارج الكون؟ " اسأل أي عالم فلك وستحصل على إجابة غير مرضية. نقدم لك نفس الإجابة غير المرضية ، لكننا نشرحها حقًا ، لذا لم يعد عدم رضاك ​​يطاردك بعد الآن.

الإجابة المختصرة هي أن هذا سؤال لا معنى له ، فالكون لا يتوسع في أي شيء ، إنه يتمدد فقط.

تعريف الكون هو أنه يحتوي على كل شيء. إذا كان هناك شيء ما خارج الكون ، فسيكون أيضًا جزءًا من الكون أيضًا. خارج ذلك؟ لا يزال الكون. خارج ذلك؟ أيضا المزيد من الكون. إنه الكون على طول الطريق. لكنني أعلم أنك ستجد هذه الإجابة غير مرضية ، لذلك سأقوم الآن بتحطيم عقلك.

إما أن الكون لانهائي ، يستمر إلى الأبد ، أو منتهٍ ، بحجم محدود. في كلتا الحالتين ، الكون ليس له حافة. عندما نتخيل الكون يتمدد بعد الانفجار العظيم ، نتخيل انفجارًا ، مع رذاذ من المادة قادم من نقطة واحدة. لكن هذا التشبيه ليس دقيقا.

أفضل تشبيه هو سطح البالون المتوسع. ليس البالون ثلاثي الأبعاد ، فقط سطحه ثنائي الأبعاد. إذا كنت نملة تزحف حول سطح منطاد ضخم ، وكان البالون هو الكون كله ، فسترى البالون مسطحًا بشكل أساسي تحت قدميك.

تخيل أن البالون منتفخ. في كل اتجاه تنظر إليه ، يبتعد النمل الآخر عنك. كلما ابتعدوا ، كلما تحركوا بشكل أسرع. على الرغم من أنه يبدو وكأنه سطح مستو ، يمكنك السير في أي اتجاه لفترة كافية وستعود إلى نقطة البداية.

قد تتخيل دائرة متنامية وتتساءل ما الذي تتوسع فيه. لكن هذا سؤال هراء. لا يوجد اتجاه يمكنك الزحف إليه من شأنه أن يجعلك تخرج من السطح. لا يستطيع دماغ النمل ثنائي الأبعاد فهم كائن ثلاثي الأبعاد متوسع. قد يكون هناك مركز للبالون ، لكن لا يوجد مركز على السطح. مجرد شكل يمتد في كل الاتجاهات ويلتف على نفسه. ومع ذلك ، فإن رحلتك للقيام بدورة واحدة حول البالون تستغرق وقتًا أطول وأطول حيث يتم نفخ البالون بشكل أكبر.

لفهم كيفية ارتباط هذا بكوننا بشكل أفضل ، نحتاج إلى توسيع نطاق الأشياء من خلال بُعد واحد ، من سطح ثنائي الأبعاد مضمن في عالم ثلاثي الأبعاد ، إلى حجم ثلاثي الأبعاد مضمن في كون رباعي الأبعاد. يعتقد علماء الفلك أنك إذا سافرت في أي اتجاه بعيد بما فيه الكفاية ، فستعود إلى وضع البداية. إذا تمكنت من التحديق بعيدًا بما يكفي في الفضاء ، فستنظر إلى مؤخرة رأسك.

الكون بعد 1.6 مليار سنة من الانفجار العظيم. رصيد الصورة: Paul Bode و Yue Shen

وهكذا ، مع توسع الكون ، سيستغرق الأمر وقتًا أطول لتلتف حول الكون وتعود إلى وضع البداية. ولكن لا يوجد اتجاه يمكنك السير فيه من شأنه أن يأخذك خارج الكون أو "بعيدًا عنه". حتى لو كان بإمكانك التحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء ، فستعود إلى وضع البداية بسرعة أكبر. نرى مجرات أخرى تبتعد عنا في كل الاتجاهات تمامًا كما ترى نملة نملًا آخر يتحرك بعيدًا على سطح البالون.

هناك تشبيه كبير يأتي من مضيفتي المشاركة في Astronomy Cast ، الدكتورة باميلا جاي. بدلاً من الانفجار ، تخيل أن الكون المتوسع يشبه رغيف خبز الزبيب يرتفع في الفرن. من وجهة نظر أي زبيب ، فإن جميع أنواع الزبيب الأخرى تتحرك بعيدًا في كل الاتجاهات. ولكن على عكس رغيف خبز الزبيب ، يمكنك السفر في أي اتجاه داخل الخبز والعودة في النهاية إلى بداية الزبيب.

تذكر أن فهمنا الكامل يعتمد على أبعاد ثلاثية. إذا كنا كائنات رباعية الأبعاد ، فسيكون هذا أكثر منطقية. للحصول على شرح أعمق ، أوصي بشدة بمشاهدة صديقي العزيز ، Zogg the Alien وهو يشرح كيف أن الكون ليس له أي ميزة. بعد مشاهدة مقاطع الفيديو الخاصة به ، يجب أن تفهم تمامًا الهياكل الممكنة لكوننا.

آمل أن يساعدك هذا في فهم سبب عدم وجود إجابة على السؤال "ما الذي يتمدد الكون فيه؟" مع عدم وجود ميزة ، فهي لا تتوسع في أي شيء ، إنها تتوسع فقط.

يمكنك أيضًا الاستماع إلى حلقة البودكاست التي تشرح هذا هنا & # 8211
ما هو توسيع الكون إلى & # 8211 إظهار الملاحظات والنص


سؤال ما الذي نتوسع فيه؟

نفس السؤال القديم. ليس هناك شئ في الخارج الكون.

الشريط

Spacedweller

إذا افترضنا أن الفضاء يتوسع أيضًا ، فإننا نتوسع فيه لا شيئ.

IG2007

& quot ؛ لا تنتقد ما لا تستطيع فهمه. & مثل

إذا افترضنا أن الفضاء يتوسع أيضًا ، فإننا نتوسع فيه لا شيئ.

نكبة

يقترب من كويكب؟ هل هذا هو؟

إذا كان كل شيء يتمدد بنفس المعدل ، بما في ذلك قضبان القياس ، فلن تكتشف أي تمدد.
يتضاعف الكون من وحدة إلى وحدتين. يتضاعف قضيب القياس من 1 إلى 2 وحدة
لا يزال الكون يقيس نفس عدد القضبان.
إذا كنا نتوسع مثل الكون ، فلن نتمكن من اكتشاف التوسع.

IG2007

& quot ؛ لا تنتقد ما لا تستطيع فهمه. & مثل

إذا كان كل شيء يتمدد بنفس المعدل ، بما في ذلك قضبان القياس ، فلن تكتشف أي تمدد.
يتضاعف الكون من وحدة إلى وحدتين. يتضاعف قضيب القياس من 1 إلى 2 وحدة
لا يزال الكون يقيس نفس عدد القضبان.
إذا كنا نتوسع مثل الكون ، فلن نتمكن من اكتشاف التوسع.

نكبة

يقترب من كويكب؟ هل هذا هو؟

ماذا عن & quotspace يتوسع فقط بالنسبة إلى الوقت & quot؟

في نموذج BB ، يتم إنشاء مساحة ثلاثية الأبعاد في كل مكان في لحظة حدث BB ، وبالتالي فإن الإجراء الفوري على مسافة قوة يخلق مساحة ثلاثية الأبعاد في كل مكان بعد حدث BB. يُفترض أن تتوسع المساحة ثلاثية الأبعاد إلى مساحة ثلاثية الأبعاد (وليس شيئًا) تم إنشاؤها بالفعل في حدث BB. ضع في اعتبارك حجم الكون الذي يتم تدريسه اليوم في نموذج BB ، بقطر 92 مليار سنة ضوئية على الأقل. أين حافة الكون ؟، https://astronomy.com/news/2020/11/where-is-the-edge-of-the-universe ، نوفمبر 2020.

نشر موقع Livescience.com تقريرًا مشابهًا باستخدام نصف قطر يبلغ 46.5 مليار LY في أغسطس 2019 (وبالتالي يبلغ قطره 93 مليار LY) ، https://www.livescience.com/how-big-universe.html

لا يمكن رؤية نموذج BB * البداية * والحجم الأولي لكوننا ، كما لا يمكن ملاحظة الحجم الحالي للكون وفقًا لنموذج BB. يُظهر تقرير علم الفلك المُستشهد به أن رقم قطر 92 مليار LY يتم الاحتفاظ به بثقة عالية على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية تلك المسافة أو المنطقة للكون لأن نموذج BB محمي بثقة عالية ، وبالتالي يجب أن يكون صحيحًا. ما الذي يتجاوز قطر 92-93 مليار LY في نموذج BB؟ جوابي هو مساحة ثلاثية الأبعاد تم إنشاؤها في كل مكان في حدث BB ، وليس لا شيء. الفضاء ثلاثي الأبعاد لا يتوسع إلى أي شيء ، فقط مساحة ثلاثية الأبعاد أكثر وفقًا لعلم الكون. يجب أن يكون علم الكونيات شفافًا للجمهور هنا.

نكبة

يقترب من كويكب؟ هل هذا هو؟

"رود" ، "أين حافة الكون؟ ، & quot

هو. لقد كنا & quothere & quot من قبل. (NPI).

لا يمكننا التحدث إلا عن & اقتباس & quot للكون (بصرف النظر عن حقيقة أنه ليس له ميزة) فيما يتعلق بقدرتنا على الملاحظة. هل أنا محق في التفكير في أن حد ملاحظتنا (ويعرف أيضًا باسم & quotحافة& quot بمعنى ما) محدودة بالفعل بقدرات المراقبة لدينا؟ لا يقصد الحشو. أنا أسألك لأن هذا هو مجال خبرتك. ما أعنيه هو أن & quot؛ the & quotge & quot في الكون هو عمليًا إلى أقصى حد ممكن يرى - مع التعقيد الإضافي الذي يمكن أن نراه هو الأبعد بحكم الواقع أبعد ما يكون في الزمن.

Cat ، في المنشور رقم 10 ، قلت & quot ؛ لا يمكننا التحدث إلا عن & quot ؛ اقتباس & quot في الكون (بصرف النظر عن حقيقة أنه ليس له ميزة) فيما يتعلق بقدرتنا على الملاحظة. هل أنا محق في التفكير في أن حد ملاحظتنا (ويعرف أيضًا باسم & الاقتباس والاقتباس إلى حد ما) مقيد بالفعل بقدرات المراقبة لدينا؟ & مثل


أين حافة الكون؟

ظهرت هذه القصة في الأصل في عدد ديسمبر من مجلة Discover باسم & quotIs the Universe Infinite؟ & quot ادعم صحافتنا العلمية من خلال الاشتراك.

عندما وجه جاليليو جاليلي تلسكوبه الأول إلى السماء في عام 1610 ، اكتشف "تجمعات من النجوم التي لا تعد ولا تحصى" مخبأة في شريط ضوئي يسمى درب التبانة. نما عالمنا بشكل كبير في ذلك اليوم. بعد ما يقرب من ثلاثة قرون ، انفجرت الحدود الكونية مرة أخرى عندما بنى علماء الفلك تلسكوبات كبيرة بما يكفي لإظهار أن درب التبانة هي مجرد واحدة من العديد من "أكوان الجزر". سرعان ما علموا أن الكون يتوسع أيضًا ، مع تراجع المجرات عن بعضها البعض بسرعات متسارعة باستمرار.

منذ ذلك الحين ، أظهرت التلسكوبات الأكبر حجمًا أن الكون المرئي يمتد على مساحة 92 مليار سنة ضوئية غير مفهومة ، وربما يحتوي على 2 تريليون مجرة. ومع ذلك ، لا يزال علماء الفلك يتساءلون عن مقدار الكون الموجود هناك ، بخلاف ما يرصدونه.

تقول فرجينيا تريمبل من جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ، عالمة الفلك والخبيرة في تاريخ المجال: "كان الكون دائمًا أكبر قليلاً مما يمكننا رؤيته".

لن يساعد بناء تلسكوبات أكبر في توسيع الكون بعد الآن. "التلسكوبات تراقب فقط ما يمكن ملاحظته. يشرح جون ماذر ، عالم الكونيات الحائز على جائزة نوبل من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ، وهو أيضًا كبير العلماء في تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، "لا يمكنك رؤية الزمن أبعد من عصر الكون". "لذلك نحن محدودون تمامًا. لقد رأينا بالفعل بقدر ما يمكن أن تتخيله ". عند الحافة ، نرى التوهج المتبقي من الانفجار العظيم - ما يسمى بإشعاع الخلفية الكونية الميكروي الميكروي (CMB). لكن هذه ليست ميزة سحرية للكون. عالمنا يستمر. قد لا نعرف أبدًا إلى أي مدى.

في العقود الأخيرة ، حاول علماء الكونيات حل هذا اللغز من خلال تحديد شكل الكون أولاً ، مثل عالم الرياضيات اليوناني القديم إراتوستينس الذي كان يحسب حجم الأرض باستخدام علم المثلثات البسيط. من الناحية النظرية ، يمكن لكوننا أن يكون له واحد من ثلاثة أشكال محتملة ، كل واحد يعتمد على انحناء الفضاء نفسه: شكل سرج (انحناء سلبي) ، كروي (انحناء إيجابي) أو مسطح (بدون انحناء).

قلة هم الذين دافعوا عن كون على شكل سرج ، لكن الكون الكروي يبدو منطقيًا بالنسبة لنا نحن أبناء الأرض. الأرض مستديرة وكذلك الشمس والكواكب. سيتيح لك الكون الكروي الإبحار إلى الكون في أي اتجاه وينتهي بك الأمر إلى حيث بدأت ، مثل طاقم فرديناند ماجلان الذي يطوف حول العالم. أطلق أينشتاين على هذا النموذج "كونًا محدودًا ولكنه غير محدود".

ولكن ابتداءً من أواخر الثمانينيات ، قامت سلسلة من المراصد المدارية التي تم بناؤها لدراسة الإشعاع CMB بإجراء قياسات دقيقة بشكل متزايد تُظهر أن الفضاء ليس له أي انحناء على الإطلاق. إنه مسطح إلى حدود ما يمكن لعلماء الفلك قياسه - إذا كان كرة ، فهو كرة ضخمة جدًا لدرجة أن كوننا المرئي بأكمله لا يسجل أي انحناء.

يقول ماذر: "الكون مسطح مثل ورقة [لا نهاية لها]". "وفقًا لهذا ، يمكنك الاستمرار إلى ما لا نهاية في أي اتجاه وسيكون الكون كما هو ، تقريبًا أو أقل." لن تصل أبدًا إلى حافة هذا الكون المسطح ، فلن تجد سوى المزيد والمزيد من المجرات.

كل هذا جيد وجيد مع معظم علماء الفلك. يتفق الكون المسطح مع كلٍّ من الملاحظة والنظرية ، لذا تكمن الفكرة الآن في قلب علم الكونيات الحديث.

تكمن المشكلة في أنه ، على عكس الكون الكروي ، يمكن أن يكون الكون المسطح لانهائيًا - أو لا. وليس هناك طريقة حقيقية لمعرفة الفرق. "ما الذي يمكنك البحث عنه لمعرفة ما إذا كان هناك كون لا نهائي؟" يقول تريمبل. "لا أحد يعرف تماما."

لذا بدلاً من ذلك ، يأمل علماء الفلك أن تأتي الإجابة من النظرية - نموذج يمكن أن يقدم دليلًا غير مباشر بطريقة أو بأخرى. على سبيل المثال ، تنبأ النموذج القياسي للفيزياء بوجود العديد من الجسيمات ، مثل Higgs Boson ، قبل سنوات من اكتشافها فعليًا. ومع ذلك ، لا يزال الفيزيائيون يفترضون أن هذه الجسيمات حقيقية.

يقول تريمبل: "إذا كان لديك وصف جيد لكل شيء لاحظته حتى الآن وتوقع أن شيئًا ما صحيح ، فإنك تتوقع أنه كذلك". "هذه هي الطريقة التي يفكر بها معظم العلماء حول كيفية عمل العلم."


محتويات

حجم الكون كله غير معروف ، وقد يكون لانهائي في المدى. [19] بعض أجزاء الكون بعيدة جدًا عن الضوء المنبعث منذ الانفجار العظيم بحيث يكون لديه وقت كافٍ للوصول إلى الأرض أو الأدوات الفضائية ، وبالتالي تقع خارج الكون المرئي. في المستقبل ، سيكون للضوء القادم من المجرات البعيدة المزيد من الوقت للسفر ، لذلك ستصبح مناطق إضافية قابلة للرصد. ومع ذلك ، نظرًا لقانون هابل ، فإن المناطق البعيدة بدرجة كافية عن الأرض تتوسع بعيدًا عنها بسرعة أكبر من سرعة الضوء (تمنع النسبية الخاصة الأجسام القريبة في نفس المنطقة المحلية من التحرك أسرع من سرعة الضوء فيما يتعلق ببعضها البعض ، ولكن لا يوجد مثل هذا القيد للأجسام البعيدة عندما تتوسع المسافة بينهما ، انظر استخدامات المسافة المناسبة للمناقشة) وعلاوة على ذلك يبدو أن معدل التوسع يتسارع بسبب الطاقة المظلمة.

بافتراض بقاء الطاقة المظلمة ثابتة (ثابت كوني غير متغير) ، بحيث يستمر معدل تمدد الكون في التسارع ، هناك "حد للرؤية المستقبلية" ستتجاوزه الأجسام مطلقا تدخل عالمنا المرئي في أي وقت في المستقبل اللامتناهي ، لأن الضوء المنبعث من كائنات خارج هذا الحد لا يمكن أن يصل إلى الأرض. (والدقة هي أنه ، نظرًا لأن معامل هابل يتناقص بمرور الوقت ، يمكن أن تكون هناك حالات حيث تنحسر مجرة ​​من الأرض أسرع قليلاً من الضوء ترسل إشارة تصل إلى الأرض في النهاية. [13] [20] ) يتم حساب حد الرؤية المستقبلية هذا على مسافة تساوي 19 مليار فرسخ فلكي (62 مليار سنة ضوئية) ، على افتراض أن الكون سيستمر في التوسع إلى الأبد ، مما يعني ضمناً عدد المجرات التي يمكننا رؤيتها نظريًا في المستقبل اللامتناهي المسألة التي قد يكون من المستحيل ملاحظتها في الممارسة العملية بسبب الانزياح الأحمر ، كما تمت مناقشته في الفقرة التالية) أكبر فقط من الرقم الذي يمكن ملاحظته حاليًا بمعامل 2.36. [ملاحظة 2]

على الرغم من أنه ، من حيث المبدأ ، ستصبح المزيد من المجرات قابلة للرصد في المستقبل ، إلا أنه من الناحية العملية ، فإن عددًا متزايدًا من المجرات سيصبح شديد الانزياح نحو الأحمر بسبب التوسع المستمر لدرجة أنها ستختفي عن الأنظار وتصبح غير مرئية. [21] [22] [23] هناك دقة إضافية تتمثل في أن المجرة على مسافة قادمة معينة يتم تعريفها على أنها تقع ضمن "الكون المرئي" إذا استطعنا استقبال الإشارات المنبعثة من المجرة في أي عمر في تاريخها الماضي (على سبيل المثال ، إشارة مرسلة من المجرة بعد 500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم) ، ولكن بسبب توسع الكون ، قد يكون هناك فترة لاحقة لا يمكن للإشارة المرسلة من نفس المجرة أن تصل إلى الأرض في أي وقت في المستقبل اللامتناهي (لذلك ، على سبيل المثال ، قد لا نرى أبدًا كيف بدت المجرة بعد 10 مليارات سنة من الانفجار العظيم) ، [24] على الرغم من أنها بقيت على نفس مسافة الانتقال (يتم تحديد مسافة الانتقال على أنها ثابتة مع الوقت - على عكس المسافة المناسبة ، والتي تُستخدم لتحديد سرعة الركود بسبب توسع الفضاء) ، وهي أقل من نصف قطر الانتقال للكون المرئي. [ التوضيح المطلوب ] يمكن استخدام هذه الحقيقة لتحديد نوع أفق الحدث الكوني الذي تتغير بعده عن الأرض بمرور الوقت. على سبيل المثال ، تبلغ المسافة الحالية لهذا الأفق حوالي 16 مليار سنة ضوئية ، مما يعني أن إشارة من حدث يحدث في الوقت الحالي يمكن أن تصل في النهاية إلى الأرض في المستقبل إذا كان الحدث على بعد أقل من 16 مليار سنة ضوئية ، ولكن لن تصل الإشارة إلى الأرض أبدًا إذا كان الحدث على بعد أكثر من 16 مليار سنة ضوئية. [13]

غالبًا ما تستخدم المقالات البحثية الشعبية والمهنية في علم الكونيات مصطلح "الكون" ليعني "الكون المرئي". [ بحاجة لمصدر ] يمكن تبرير هذا على أساس أننا لا نستطيع أبدًا معرفة أي شيء عن طريق التجربة المباشرة حول أي جزء من الكون غير متصل سببيًا بالأرض ، على الرغم من أن العديد من النظريات الموثوقة تتطلب كونًا إجماليًا أكبر بكثير من الكون المرئي. [ بحاجة لمصدر ] لا يوجد دليل يشير إلى أن حدود الكون المرئي تشكل حدودًا للكون ككل ، ولا تقترح أي من النماذج الكونية السائدة أن الكون له أي حدود مادية في المقام الأول ، على الرغم من أن بعض النماذج تقترح أنه يمكن تكون محدودة ولكنها غير محدودة ، [ملحوظة 3] مثل تناظرية ذات أبعاد أعلى للسطح ثنائي الأبعاد للكرة المحدودة في المنطقة ولكن ليس لها حافة.

من المعقول أن المجرات داخل كوننا المرئي لا تمثل سوى جزء ضئيل من المجرات في الكون. وفقًا لنظرية التضخم الكوني التي قدمها مؤسسوها في البداية ، آلان جوث ود. كازاناس ، [25] إذا افترضنا أن التضخم بدأ حوالي 10-37 ثانية بعد الانفجار العظيم ، ثم بافتراض معقول أن حجم كان الكون قبل حدوث الانتفاخ مساويًا تقريبًا لسرعة الضوء مضروبة في عمره ، مما يشير إلى أن حجم الكون بأكمله في الوقت الحالي هو على الأقل 3 × 10 23 (1.5 × 10 34 سنة ضوئية) ضعف نصف قطر الكون المرئي . [26]

إذا كان الكون محدودًا ولكنه غير محدود ، فمن الممكن أيضًا أن يكون الكون كذلك الأصغر من الكون المرئي. في هذه الحالة ، ما نعتبره مجرات بعيدة جدًا قد يكون في الواقع صورًا مكررة لمجرات قريبة ، تكونت بواسطة الضوء الذي طاف حول الكون. من الصعب اختبار هذه الفرضية تجريبياً لأن الصور المختلفة للمجرة تظهر عصور مختلفة في تاريخها ، وبالتالي قد تبدو مختلفة تمامًا. Bielewicz et al. [27] يدعي إنشاء حد أدنى يبلغ 27.9 جيجا فرسخ (91 مليار سنة ضوئية) على قطر آخر سطح مبعثر (نظرًا لأن هذا الحد الأدنى فقط ، نظرًا لأن الكون بأكمله ربما يكون أكبر بكثير ، بل غير محدود). تعتمد هذه القيمة على تحليل دائرة المطابقة لبيانات 7 سنوات من برنامج مسابقات WMAP. هذا النهج كان محل نزاع. [28]

تبلغ مسافة الانتقال من الأرض إلى حافة الكون المرئي حوالي 14.26 جيجا فرسخ (46.5 مليار سنة ضوئية أو 4.40 × 10 26 م) في أي اتجاه. وبالتالي ، فإن الكون المرئي هو كرة بقطر حوالي 28.5 غيغا فرسخ [29] (93 مليار سنة ضوئية أو 8.8 × 10 26 م). [30] بافتراض أن الفضاء مسطح تقريبًا (بمعنى أنه مساحة إقليدية) ، فإن هذا الحجم يتوافق مع حجم تجوال يبلغ حوالي 1.22 × 10 4 Gpc 3 (4.22 × 10 5 Gly 3 أو 3.57 × 10 80 م 3) . [31]

الأرقام المذكورة أعلاه هي مسافات الآن (في الزمن الكوني) ، وليست مسافات وقت انبعاث الضوء. على سبيل المثال ، انبعث إشعاع الخلفية الكوني الميكروي الذي نراه الآن في وقت فصل الفوتون ، والذي يقدر أنه حدث بعد حوالي 380 ألف سنة من الانفجار العظيم ، [32] [33] الذي حدث منذ حوالي 13.8 مليار سنة. انبعث هذا الإشعاع من مادة تكثفت في الغالب في مجرات في الوقت الحالي ، وتم حساب تلك المجرات الآن على بعد حوالي 46 مليار سنة ضوئية منا. [11] [13] لتقدير المسافة إلى هذه المادة في وقت انبعاث الضوء ، قد نلاحظ أولاً أنه وفقًا لمقياس فريدمان - ليماتر - روبرتسون - ووكر ، الذي يستخدم لنمذجة الكون المتوسع ، إذا كان عند في الوقت الحاضر نتلقى الضوء مع انزياح أحمر ض، ثم يتم إعطاء عامل القياس في الوقت الأصلي للضوء من خلال [34] [35]

تعطي نتائج WMAP لمدة تسع سنوات جنبًا إلى جنب مع قياسات أخرى الانزياح الأحمر لفصل الفوتون ض = 1091.64 ± 0.47 ، [36] مما يعني أن عامل القياس في وقت فصل الفوتون سيكون 1 1092.64. لذا ، إذا كانت المسافة الحالية للمادة التي أطلقت في الأصل أقدم الفوتونات الكونية الميكروية الميكروية (CMBR) 46 مليار سنة ضوئية ، فعند الانفصال عندما انبعثت الفوتونات في الأصل ، ستكون المسافة حوالي 42 مليون ضوء فقط -سنوات.

مسافة انتقال الضوء إلى حافة الكون المرئي هي عمر الكون مقسومًا على سرعة الضوء ، 13.8 مليار سنة ضوئية. هذه هي المسافة التي قطعها الفوتون بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم ، مثل ذلك من الخلفية الكونية الميكروية ، للوصول إلى المراقبين على الأرض. نظرًا لأن الزمكان منحني ، يتوافق مع تمدد الفضاء ، فإن هذه المسافة لا تتوافق مع المسافة الحقيقية في أي لحظة من الزمن. [37]


محتويات

في عام 1912 ، اكتشف فيستو سليفر أن الضوء القادم من المجرات البعيدة قد انزياح نحو الأحمر ، [3] [4] والذي تم تفسيره لاحقًا على أنه انحسار المجرات عن الأرض. في عام 1922 ، استخدم ألكسندر فريدمان معادلات مجال أينشتاين لتقديم دليل نظري على أن الكون يتوسع. [5] في عام 1927 ، توصل جورج لوميتر بشكل مستقل إلى استنتاج مماثل لفريدمان على أساس نظري ، وقدم أيضًا أول دليل رصدي لعلاقة خطية بين المسافة إلى المجرات وسرعتها المتراجعة. [6] أكد إدوين هابل من خلال الملاحظة النتائج التي توصل إليها Lemaître بعد ذلك بعامين. [7] بافتراض المبدأ الكوني ، تشير هذه النتائج إلى أن جميع المجرات تبتعد عن بعضها البعض.

بناءً على كميات كبيرة من الملاحظة التجريبية والعمل النظري ، فإن الإجماع العلمي هو ذلك الفضاء نفسه آخذ في التوسع، وأنها توسعت بسرعة كبيرة خلال الجزء الأول من الثانية بعد الانفجار العظيم. يُعرف هذا النوع من التوسع باسم "التوسع المتري". في الرياضيات والفيزياء ، "المقياس" يعني مقياس المسافة ، والمصطلح يشير إلى ذلك إن الشعور بالمسافة داخل الكون يتغير بحد ذاته.

اقترح الفيزيائي آلان جوث التفسير الحديث للتوسع المتري للفضاء في عام 1979 أثناء التحقيق في مشكلة عدم ظهور أحادي القطب المغناطيسي اليوم. وجد جوث في تحقيقه أنه إذا احتوى الكون على حقل به حالة فراغ كاذب من الطاقة الإيجابية ، فإنه وفقًا للنسبية العامة ، فإنه سيولد التوسع الأسي للفضاء. سرعان ما تم إدراك أن مثل هذا التوسع من شأنه أن يحل العديد من المشاكل الطويلة الأمد. تنشأ هذه المشاكل من ملاحظة أنه لكي يبدو كما هو الحال اليوم ، يجب أن يكون الكون قد بدأ من ظروف أولية مضبوطة بدقة أو "خاصة" عند الانفجار العظيم. تحل نظرية التضخم هذه المشكلات إلى حد كبير أيضًا ، مما يجعل كونًا مثل كوننا أكثر احتمالًا في سياق نظرية الانفجار العظيم. وفقًا لروجر بنروز ، فإن التضخم لا يحل المشكلة الرئيسية التي كان من المفترض حلها ، وهي الانتروبيا المنخفضة بشكل لا يصدق (مع كره للولاية بترتيب 1/10 10128 ⁠) للكون المبكر الوارد في درجات الحرية المطابقة التثاقلية (على عكس درجات الحرية في الحقول ، مثل الخلفية الكونية الميكروية التي يمكن تفسير نعومتها عن طريق التضخم). وهكذا ، فإنه يطرح سيناريو تطور الكون: علم الكونيات الدوري المطابق. [8]

لم يتم اكتشاف أي حقل مسؤول عن التضخم الكوني. ومع ذلك ، فإن مثل هذا المجال ، إذا تم العثور عليه في المستقبل ، سيكون حجميًا. تم اكتشاف أول حقل قياسي مماثل ثبت وجوده فقط في 2012-2013 وما زال قيد البحث. لذلك لا يُنظر إلى أن الحقل المسؤول عن التضخم الكوني والتوسع المتري للفضاء لم يُكتشف بعد على أنه مشكلة [ بحاجة لمصدر ] .

تم تسمية المجال المقترح وكمياته (الجسيمات دون الذرية المتعلقة به) نفخ. إذا لم يكن هذا المجال موجودًا ، فسيتعين على العلماء اقتراح تفسير مختلف لجميع الملاحظات التي تشير بقوة إلى حدوث توسع متري للفضاء ، ولا يزال يحدث بشكل أبطأ بكثير اليوم.

لفهم التوسع المتري للكون ، من المفيد أن تناقش بإيجاز ماهية المقياس وكيف يعمل التوسع المتري.

يعرّف المقياس مفهوم المسافة ، من خلال تحديد المصطلحات الرياضية لكيفية قياس المسافات بين نقطتين قريبتين في الفضاء ، من حيث نظام الإحداثيات. تحدد أنظمة الإحداثيات النقاط في مساحة (مهما كان عدد الأبعاد) عن طريق تعيين مواضع فريدة على شبكة ، تُعرف بالإحداثيات ، لكل نقطة. خطوط الطول والعرض والرسوم البيانية x-y هي أمثلة شائعة للإحداثيات. المقياس هو صيغة تصف كيفية قياس الرقم المعروف باسم "المسافة" بين نقطتين.

قد يبدو واضحًا أن المسافة تقاس بخط مستقيم ، لكنها ليست كذلك في كثير من الحالات. على سبيل المثال ، تسافر طائرات المسافات الطويلة على طول منحنى يُعرف باسم "الدائرة الكبرى" وليس خطًا مستقيمًا ، لأن هذا يعد مقياسًا أفضل للسفر الجوي. (خط مستقيم يمر عبر الأرض). مثال آخر هو التخطيط لرحلة بالسيارة ، حيث قد يرغب المرء في أقصر رحلة من حيث وقت السفر - في هذه الحالة ، يعد الخط المستقيم اختيارًا سيئًا للمقياس لأن أقصر مسافة عبر الطريق ليست في العادة خطًا مستقيمًا ، وحتى المسار ليس بالضرورة أن يكون الأقرب إلى خط مستقيم هو الأسرع. والمثال الأخير هو الإنترنت ، حيث يمكن أن يكون أسرع طريق للبيانات حتى بالنسبة إلى البلدات المجاورة عبر الاتصالات الرئيسية التي تمر عبر البلاد وتعود مرة أخرى. في هذه الحالة ، سيكون المقياس المستخدم هو أقصر وقت تستغرقه البيانات للتنقل بين نقطتين على الشبكة.

في علم الكونيات ، لا يمكننا استخدام مسطرة لقياس التمدد المتري ، لأن القوى الداخلية لحاكمنا تتغلب بسهولة على التمدد البطيء للغاية للفضاء ، مما يترك المسطرة سليمة. وأيضًا ، فإن أي أجسام على الأرض أو بالقرب منها يمكن قياسها يتم تجميعها معًا أو تمزيقها بواسطة عدة قوى أكبر بكثير في تأثيرها. لذلك حتى لو تمكنا من قياس التوسع الصغير الذي لا يزال يحدث ، فلن نلاحظ التغيير على نطاق صغير أو في الحياة اليومية. على نطاق كبير بين المجرات ، يمكننا استخدام اختبارات أخرى للمسافة وهذه فعل تظهر أن الفضاء يتسع ، حتى لو لم يستطع الحاكم على الأرض قياسه.

يوصف التمدد المتري للفضاء باستخدام رياضيات الموترات المترية. يُطلق على نظام الإحداثيات الذي نستخدمه اسم "إحداثيات الاتصال" ، وهو نوع من نظام الإحداثيات يأخذ في الاعتبار الوقت وكذلك الفضاء وسرعة الضوء ، ويسمح لنا بدمج تأثيرات كل من النسبية العامة والخاصة.

مثال: مقياس "الدائرة الكبرى" لتعديل سطح الأرض

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك قياس المسافة بين مكانين على سطح الأرض. هذا مثال بسيط ومألوف للهندسة الكروية. نظرًا لأن سطح الأرض ثنائي الأبعاد ، يمكن تحديد النقاط الموجودة على سطح الأرض بإحداثيتين - على سبيل المثال ، خط العرض وخط الطول. تتطلب مواصفات المقياس تحديد الإحداثيات المستخدمة أولاً. في مثالنا البسيط لسطح الأرض ، يمكننا اختيار أي نوع من نظام الإحداثيات الذي نرغب فيه ، على سبيل المثال خطوط الطول والعرض ، أو إحداثيات X-Y-Z الديكارتية. بمجرد اختيار نظام إحداثيات معين ، يتم تحديد القيم الرقمية لإحداثيات أي نقطتين بشكل فريد ، وبناءً على خصائص المساحة التي تتم مناقشتها ، يتم إنشاء المقياس المناسب رياضيًا أيضًا. على السطح المنحني للأرض ، يمكننا أن نرى هذا التأثير في رحلات الطيران لمسافات طويلة حيث يتم قياس المسافة بين نقطتين بناءً على دائرة كبيرة ، بدلاً من الخط المستقيم الذي قد يرسمه المرء على خريطة ثنائية الأبعاد للأرض. سطح - المظهر الخارجي. بشكل عام ، تسمى هذه المسارات الأقصر مسافة "الجيوديسيا". في الهندسة الإقليدية ، الجيوديسية هي خط مستقيم ، بينما في الهندسة غير الإقليدية مثل سطح الأرض ، ليس هذا هو الحال. في الواقع ، حتى أقصر مسار للدائرة الكبرى يكون دائمًا أطول من مسار الخط المستقيم الإقليدي الذي يمر عبر باطن الأرض. يرجع الاختلاف بين مسار الخط المستقيم ومسار الدائرة العظمى الأقصر مسافة إلى انحناء سطح الأرض. في حين أن هناك دائمًا تأثيرًا بسبب هذا الانحناء ، يكون التأثير على مسافات قصيرة صغيرًا بما يكفي ليكون غير ملحوظ.

على خرائط الطائرة ، لا تظهر الدوائر الكبرى للأرض في الغالب كخطوط مستقيمة. في الواقع ، هناك إسقاط خريطة نادر الاستخدام ، وهو الإسقاط العقلي ، حيث تظهر جميع الدوائر الكبيرة كخطوط مستقيمة ، ولكن في هذا الإسقاط ، يختلف مقياس المسافة كثيرًا في مناطق مختلفة. There is no map projection in which the distance between any two points on Earth, measured along the great circle geodesics, is directly proportional to their distance on the map such accuracy is possible only with a globe.

Metric tensors Edit

In differential geometry, the backbone mathematics for general relativity, a metric tensor can be defined which precisely characterizes the space being described by explaining the way distances should be measured in every possible direction. General relativity necessarily invokes a metric in four dimensions (one of time, three of space) because, in general, different reference frames will experience different intervals of time and space depending on the inertial frame. This means that the metric tensor in general relativity relates precisely how two events in spacetime are separated. A metric expansion occurs when the metric tensor changes with time (and, specifically, whenever the spatial part of the metric gets larger as time goes forward). This kind of expansion is different from all kinds of expansions and explosions commonly seen in nature in no small part because times and distances are not the same in all reference frames, but are instead subject to change. A useful visualization is to approach the subject rather than objects in a fixed "space" moving apart into "emptiness", as space itself growing between objects without any acceleration of the objects themselves. The space between objects shrinks or grows as the various geodesics converge or diverge.

Because this expansion is caused by relative changes in the distance-defining metric, this expansion (and the resultant movement apart of objects) is not restricted by the speed of light upper bound of special relativity. Two reference frames that are globally separated can be moving apart faster than light without violating special relativity, although whenever two reference frames diverge from each other faster than the speed of light, there will be observable effects associated with such situations including the existence of various cosmological horizons.

Theory and observations suggest that very early in the history of the universe, there was an inflationary phase where the metric changed very rapidly, and that the remaining time-dependence of this metric is what we observe as the so-called Hubble expansion, the moving apart of all gravitationally unbound objects in the universe. The expanding universe is therefore a fundamental feature of the universe we inhabit – a universe fundamentally different from the static universe Albert Einstein first considered when he developed his gravitational theory.

Comoving coordinates Edit

In expanding space, proper distances are dynamical quantities which change with time. An easy way to correct for this is to use comoving coordinates which remove this feature and allow for a characterization of different locations in the universe without having to characterize the physics associated with metric expansion. In comoving coordinates, the distances between all objects are fixed and the instantaneous dynamics of matter and light are determined by the normal physics of gravity and electromagnetic radiation. Any time-evolution however must be accounted for by taking into account the Hubble law expansion in the appropriate equations in addition to any other effects that may be operating (gravity, dark energy, or curvature, for example). Cosmological simulations that run through significant fractions of the universe's history therefore must include such effects in order to make applicable predictions for observational cosmology.

Measurement of expansion and change of rate of expansion Edit

In principle, the expansion of the universe could be measured by taking a standard ruler and measuring the distance between two cosmologically distant points, waiting a certain time, and then measuring the distance again, but in practice, standard rulers are not easy to find on cosmological scales and the timescales over which a measurable expansion would be visible are too great to be observable even by multiple generations of humans. The expansion of space is measured indirectly. The theory of relativity predicts phenomena associated with the expansion, notably the redshift-versus-distance relationship known as Hubble's Law functional forms for cosmological distance measurements that differ from what would be expected if space were not expanding and an observable change in the matter and energy density of the universe seen at different lookback times.

The first measurement of the expansion of space came with Hubble's realization of the velocity vs. redshift relation. Most recently, by comparing the apparent brightness of distant standard candles to the redshift of their host galaxies, the expansion rate of the universe has been measured to be H0 = 73.24 ± 1.74 (km/s)/Mpc . [9] This means that for every million parsecs of distance from the observer, the light received from that distance is cosmologically redshifted by about 73 kilometres per second (160,000 mph). On the other hand, by assuming a cosmological model, e.g. Lambda-CDM model, one can infer the Hubble constant from the size of the largest fluctuations seen in the Cosmic Microwave Background. A higher Hubble constant would imply a smaller characteristic size of CMB fluctuations, and vice versa. The Planck collaboration measure the expansion rate this way and determine H0 = 67.4 ± 0.5 (km/s)/Mpc . [10] There is a disagreement between the two measurements, the distance ladder being model-independent and the CMB measurement depending on the fitted model, which hints at new physics beyond our standard cosmological models.

The Hubble parameter is not thought to be constant through time. There are dynamical forces acting on the particles in the universe which affect the expansion rate. It was earlier expected that the Hubble parameter would be decreasing as time went on due to the influence of gravitational interactions in the universe, and thus there is an additional observable quantity in the universe called the deceleration parameter which cosmologists expected to be directly related to the matter density of the universe. Surprisingly, the deceleration parameter was measured by two different groups to be less than zero (actually, consistent with −1) which implied that today the Hubble parameter is converging to a constant value as time goes on. Some cosmologists have whimsically called the effect associated with the "accelerating universe" the "cosmic jerk". [11] The 2011 Nobel Prize in Physics was given for the discovery of this phenomenon. [12]

In October 2018, scientists presented a new third way (two earlier methods, one based on redshifts and another on the cosmic distance ladder, gave results that do not agree), using information from gravitational wave events (especially those involving the merger of neutron stars, like GW170817), of determining the Hubble Constant, essential in establishing the rate of expansion of the universe. [13] [14]

Measuring distances in expanding space Edit

At cosmological scales, the present universe is geometrically flat to within experimental error, [15] and consequently the rules of Euclidean geometry associated with Euclid's fifth postulate hold, though in the past spacetime could have been highly curved. In part to accommodate such different geometries, the expansion of the universe is inherently general relativistic. It cannot be modeled with special relativity alone: though such models exist, they are at fundamental odds with the observed interaction between matter and spacetime seen in our universe.

The images to the right show two views of spacetime diagrams that show the large-scale geometry of the universe according to the ΛCDM cosmological model. Two of the dimensions of space are omitted, leaving one dimension of space (the dimension that grows as the cone gets larger) and one of time (the dimension that proceeds "up" the cone's surface). The narrow circular end of the diagram corresponds to a cosmological time of 700 million years after the Big Bang, while the wide end is a cosmological time of 18 billion years, where one can see the beginning of the accelerating expansion as a splaying outward of the spacetime, a feature which eventually dominates in this model. The purple grid lines mark off cosmological time at intervals of one billion years from the Big Bang. The cyan grid lines mark off comoving distance at intervals of one billion light years in the present era (less in the past and more in the future). Note that the circular curling of the surface is an artifact of the embedding with no physical significance and is done purely for illustrative purposes a flat universe does not curl back onto itself. (A similar effect can be seen in the tubular shape of the pseudosphere.)

The brown line on the diagram is the worldline of Earth (or more precisely its location in space, even before it was formed). The yellow line is the worldline of the most distant known quasar. The red line is the path of a light beam emitted by the quasar about 13 billion years ago and reaching Earth at the present day. The orange line shows the present-day distance between the quasar and Earth, about 28 billion light years, which is a larger distance than the age of the universe multiplied by the speed of light, ط م.

According to the equivalence principle of general relativity, the rules of special relativity are محليا valid in small regions of spacetime that are approximately flat. In particular, light always travels locally at the speed ج in the diagram, this means, according to the convention of constructing spacetime diagrams, that light beams always make an angle of 45° with the local grid lines. It does not follow, however, that light travels a distance ط م in a time ر, as the red worldline illustrates. While it always moves locally at ج, its time in transit (about 13 billion years) is not related to the distance traveled in any simple way, since the universe expands as the light beam traverses space and time. The distance traveled is thus inherently ambiguous because of the changing scale of the universe. Nevertheless, there are two distances which appear to be physically meaningful: the distance between Earth and the quasar when the light was emitted, and the distance between them in the present era (taking a slice of the cone along the dimension defined as the spatial dimension). The former distance is about 4 billion light years, much smaller than ط م, whereas the latter distance (shown by the orange line) is about 28 billion light years, much larger than ط م. In other words, if space were not expanding today, it would take 28 billion years for light to travel between Earth and the quasar, while if the expansion had stopped at the earlier time, it would have taken only 4 billion years.

The light took much longer than 4 billion years to reach us though it was emitted from only 4 billion light years away. In fact, the light emitted towards Earth was actually moving بعيد from Earth when it was first emitted the metric distance to Earth increased with cosmological time for the first few billion years of its travel time, also indicating that the expansion of space between Earth and the quasar at the early time was faster than the speed of light. None of this behavior originates from a special property of metric expansion, but rather from local principles of special relativity integrated over a curved surface.

Topology of expanding space Edit

Over time, the space that makes up the universe is expanding. The words 'space' and 'universe', sometimes used interchangeably, have distinct meanings in this context. Here 'space' is a mathematical concept that stands for the three-dimensional manifold into which our respective positions are embedded while 'universe' refers to everything that exists including the matter and energy in space, the extra-dimensions that may be wrapped up in various strings, and the time through which various events take place. The expansion of space is in reference to this 3-D manifold only that is, the description involves no structures such as extra dimensions or an exterior universe. [16]

The ultimate topology of space is a posteriori – something which in principle must be observed – as there are no constraints that can simply be reasoned out (in other words there can not be any بداهة constraints) on how the space in which we live is connected or whether it wraps around on itself as a compact space. Though certain cosmological models such as Gödel's universe even permit bizarre worldlines which intersect with themselves, ultimately the question as to whether we are in something like a "Pac-Man universe" where if traveling far enough in one direction would allow one to simply end up back in the same place like going all the way around the surface of a balloon (or a planet like the Earth) is an observational question which is constrained as measurable or non-measurable by the universe's global geometry. At present, observations are consistent with the universe being infinite in extent and simply connected, though we are limited in distinguishing between simple and more complicated proposals by cosmological horizons. The universe could be infinite in extent or it could be finite but the evidence that leads to the inflationary model of the early universe also implies that the "total universe" is much larger than the observable universe, and so any edges or exotic geometries or topologies would not be directly observable as light has not reached scales on which such aspects of the universe, if they exist, are still allowed. For all intents and purposes, it is safe to assume that the universe is infinite in spatial extent, without edge or strange connectedness. [17]

Regardless of the overall shape of the universe, the question of what the universe is expanding into is one which does not require an answer according to the theories which describe the expansion the way we define space in our universe in no way requires additional exterior space into which it can expand since an expansion of an infinite expanse can happen without changing the infinite extent of the expanse. All that is certain is that the manifold of space in which we live simply has the property that the distances between objects are getting larger as time goes on. This only implies the simple observational consequences associated with the metric expansion explored below. No "outside" or embedding in hyperspace is required for an expansion to occur. The visualizations often seen of the universe growing as a bubble into nothingness are misleading in that respect. There is no reason to believe there is anything "outside" of the expanding universe into which the universe expands.

Even if the overall spatial extent is infinite and thus the universe cannot get any "larger", we still say that space is expanding because, locally, the characteristic distance between objects is increasing. As an infinite space grows, it remains infinite.

Density of universe during expansion Edit

Despite being extremely dense when very young and during part of its early expansion - far denser than is usually required to form a black hole - the universe did not re-collapse into a black hole. This is because commonly-used calculations for gravitational collapse are usually based upon objects of relatively constant size, such as stars, and do not apply to rapidly expanding space such as the Big Bang.

Effects of expansion on small scales Edit

The expansion of space is sometimes described as a force which acts to push objects apart. Though this is an accurate description of the effect of the cosmological constant, it is not an accurate picture of the phenomenon of expansion in general. [18]

In addition to slowing the overall expansion, gravity causes local clumping of matter into stars and galaxies. Once objects are formed and bound by gravity, they "drop out" of the expansion and do not subsequently expand under the influence of the cosmological metric, there being no force compelling them to do so.

There is no difference between the inertial expansion of the universe and the inertial separation of nearby objects in a vacuum the former is simply a large-scale extrapolation of the latter.

Once objects are bound by gravity, they no longer recede from each other. Thus, the Andromeda galaxy, which is bound to the Milky Way galaxy, is actually falling من اتجاه us and is not expanding away. Within the Local Group, the gravitational interactions have changed the inertial patterns of objects such that there is no cosmological expansion taking place. Once one goes beyond the Local Group, the inertial expansion is measurable, though systematic gravitational effects imply that larger and larger parts of space will eventually fall out of the "Hubble Flow" and end up as bound, non-expanding objects up to the scales of superclusters of galaxies. We can predict such future events by knowing the precise way the Hubble Flow is changing as well as the masses of the objects to which we are being gravitationally pulled. Currently, the Local Group is being gravitationally pulled towards either the Shapley Supercluster or the "Great Attractor" with which, if dark energy were not acting, we would eventually merge and no longer see expand away from us after such a time.

A consequence of metric expansion being due to inertial motion is that a uniform local "explosion" of matter into a vacuum can be locally described by the FLRW geometry, the same geometry which describes the expansion of the universe as a whole and was also the basis for the simpler Milne universe which ignores the effects of gravity. In particular, general relativity predicts that light will move at the speed ج with respect to the local motion of the exploding matter, a phenomenon analogous to frame dragging.

The situation changes somewhat with the introduction of dark energy or a cosmological constant. A cosmological constant due to a vacuum energy density has the effect of adding a repulsive force between objects which is proportional (not inversely proportional) to distance. Unlike inertia it actively "pulls" on objects which have clumped together under the influence of gravity, and even on individual atoms. However, this does not cause the objects to grow steadily or to disintegrate unless they are very weakly bound, they will simply settle into an equilibrium state which is slightly (undetectably) larger than it would otherwise have been. As the universe expands and the matter in it thins, the gravitational attraction decreases (since it is proportional to the density), while the cosmological repulsion increases thus the ultimate fate of the ΛCDM universe is a near vacuum expanding at an ever-increasing rate under the influence of the cosmological constant. However, the only locally visible effect of the accelerating expansion is the disappearance (by runaway redshift) of distant galaxies gravitationally bound objects like the Milky Way do not expand and the Andromeda galaxy is moving fast enough towards us that it will still merge with the Milky Way in 3 billion years time, and it is also likely that the merged supergalaxy that forms will eventually fall in and merge with the nearby Virgo Cluster. However, galaxies lying farther away from this will recede away at ever-increasing speed and be redshifted out of our range of visibility.

Metric expansion and speed of light Edit

At the end of the early universe's inflationary period, all the matter and energy in the universe was set on an inertial trajectory consistent with the equivalence principle and Einstein's general theory of relativity and this is when the precise and regular form of the universe's expansion had its origin (that is, matter in the universe is separating because it was separating in the past due to the inflaton field) [ بحاجة لمصدر ] .

While special relativity prohibits objects from moving faster than light with respect to a local reference frame where spacetime can be treated as flat and unchanging, it does not apply to situations where spacetime curvature or evolution in time become important. These situations are described by general relativity, which allows the separation between two distant objects to increase faster than the speed of light, although the definition of "distance" here is somewhat different from that used in an inertial frame. The definition of distance used here is the summation or integration of local comoving distances, all done at constant local proper time. For example, galaxies that are more than the Hubble radius, approximately 4.5 gigaparsecs or 14.7 billion light-years, away from us have a recession speed that is faster than the speed of light. Visibility of these objects depends on the exact expansion history of the universe. Light that is emitted today from galaxies beyond the more-distant cosmological event horizon, about 5 gigaparsecs or 16 billion light-years, will never reach us, although we can still see the light that these galaxies emitted in the past. Because of the high rate of expansion, it is also possible for a distance between two objects to be greater than the value calculated by multiplying the speed of light by the age of the universe. These details are a frequent source of confusion among amateurs and even professional physicists. [19] Due to the non-intuitive nature of the subject and what has been described by some as "careless" choices of wording, certain descriptions of the metric expansion of space and the misconceptions to which such descriptions can lead are an ongoing subject of discussion within the fields of education and communication of scientific concepts. [20] [21] [22] [23]

Scale factor Edit

At a fundamental level, the expansion of the universe is a property of spatial measurement on the largest measurable scales of our universe. The distances between cosmologically relevant points increases as time passes leading to observable effects outlined below. This feature of the universe can be characterized by a single parameter that is called the scale factor which is a function of time and a single value for all of space at any instant (if the scale factor were a function of space, this would violate the cosmological principle). By convention, the scale factor is set to be unity at the present time and, because the universe is expanding, is smaller in the past and larger in the future. Extrapolating back in time with certain cosmological models will yield a moment when the scale factor was zero our current understanding of cosmology sets this time at 13.799 ± 0.021 billion years ago. If the universe continues to expand forever, the scale factor will approach infinity in the future. In principle, there is no reason that the expansion of the universe must be monotonic and there are models where at some time in the future the scale factor decreases with an attendant contraction of space rather than an expansion.

Other conceptual models of expansion Edit

The expansion of space is often illustrated with conceptual models which show only the size of space at a particular time, leaving the dimension of time implicit.

In the "ant on a rubber rope model" one imagines an ant (idealized as pointlike) crawling at a constant speed on a perfectly elastic rope which is constantly stretching. If we stretch the rope in accordance with the ΛCDM scale factor and think of the ant's speed as the speed of light, then this analogy is numerically accurate – the ant's position over time will match the path of the red line on the embedding diagram above.

In the "rubber sheet model" one replaces the rope with a flat two-dimensional rubber sheet which expands uniformly in all directions. The addition of a second spatial dimension raises the possibility of showing local perturbations of the spatial geometry by local curvature in the sheet.

In the "balloon model" the flat sheet is replaced by a spherical balloon which is inflated from an initial size of zero (representing the big bang). A balloon has positive Gaussian curvature while observations suggest that the real universe is spatially flat, but this inconsistency can be eliminated by making the balloon very large so that it is locally flat to within the limits of observation. This analogy is potentially confusing since it wrongly suggests that the big bang took place at the center of the balloon. In fact points off the surface of the balloon have no meaning, even if they were occupied by the balloon at an earlier time.

In the "raisin bread model" one imagines a loaf of raisin bread expanding in the oven. The loaf (space) expands as a whole, but the raisins (gravitationally bound objects) do not expand they merely grow farther away from each other.

Hubble's law Edit

Technically, the metric expansion of space is a feature of many solutions [ الذي؟ ] to the Einstein field equations of general relativity, and distance is measured using the Lorentz interval. This explains observations which indicate that galaxies that are more distant from us are receding faster than galaxies that are closer to us (see Hubble's law).

Cosmological constant and the Friedmann equations Edit

The first general relativistic models predicted that a universe which was dynamical and contained ordinary gravitational matter would contract rather than expand. Einstein's first proposal for a solution to this problem involved adding a cosmological constant into his theories to balance out the contraction, in order to obtain a static universe solution. But in 1922 Alexander Friedmann derived a set of equations known as the Friedmann equations, showing that the universe might expand and presenting the expansion speed in this case. [24] The observations of Edwin Hubble in 1929 suggested that distant galaxies were all apparently moving away from us, so that many scientists came to accept that the universe was expanding.

Hubble's concerns over the rate of expansion Edit

While the metric expansion of space appeared to be implied by Hubble's 1929 observations, Hubble disagreed with the expanding-universe interpretation of the data:

[. ] if redshifts are not primarily due to velocity shift [. ] the velocity-distance relation is linear the distribution of the nebula is uniform there is no evidence of expansion, no trace of curvature, no restriction of the time scale [. ] and we find ourselves in the presence of one of the principles of nature that is still unknown to us today [. ] whereas, if redshifts are velocity shifts which measure the rate of expansion, the expanding models are definitely inconsistent with the observations that have been made [. ] expanding models are a forced interpretation of the observational results.

[If the redshifts are a Doppler shift . ] the observations as they stand lead to the anomaly of a closed universe, curiously small and dense, and, it may be added, suspiciously young. On the other hand, if redshifts are not Doppler effects, these anomalies disappear and the region observed appears as a small, homogeneous, but insignificant portion of a universe extended indefinitely both in space and time.

Hubble's skepticism about the universe being too small, dense, and young turned out to be based on an observational error. Later investigations appeared to show that Hubble had confused distant H II regions for Cepheid variables and the Cepheid variables themselves had been inappropriately lumped together with low-luminosity RR Lyrae stars causing calibration errors that led to a value of the Hubble Constant of approximately 500 km/s/Mpc instead of the true value of approximately 70 km/s/Mpc. The higher value meant that an expanding universe would have an age of 2 billion years (younger than the Age of the Earth) and extrapolating the observed number density of galaxies to a rapidly expanding universe implied a mass density that was too high by a similar factor, enough to force the universe into a peculiar closed geometry which also implied an impending Big Crunch that would occur on a similar time-scale. After fixing these errors in the 1950s, the new lower values for the Hubble Constant accorded with the expectations of an older universe and the density parameter was found to be fairly close to a geometrically flat universe. [27]

However, recent measurements of the distances and velocities of faraway galaxies revealed a 9 percent discrepancy in the value of the Hubble constant, implying a universe that seems expanding too fast compared to previous measurements. [28] In 2001, Wendy Freedman determined space to expand at 72 kilometers per second per megaparsec - roughly 3.3 million light years - meaning that for every 3.3 million light years further away from the earth you are, the matter where you are, is moving away from earth 72 kilometers a second faster. [28] In the summer of 2016, another measurement reported a value of 73 for the constant, thereby contradicting 2013 measurements from the European Planck mission of slower expansion value of 67. The discrepancy opened new questions concerning the nature of dark energy, or of neutrinos. [28]

Inflation as an explanation for the expansion Edit

Until the theoretical developments in the 1980s no one had an explanation for why this seemed to be the case, but with the development of models of cosmic inflation, the expansion of the universe became a general feature resulting from vacuum decay. Accordingly, the question "why is the universe expanding?" is now answered by understanding the details of the inflation decay process which occurred in the first 10 −32 seconds of the existence of our universe. [29] During inflation, the metric changed exponentially, causing any volume of space that was smaller than an atom to grow to around 100 million light years across in a time scale similar to the time when inflation occurred (10 −32 seconds).

Measuring distance in a metric space Edit

In expanding space, distance is a dynamic quantity which changes with time. There are several different ways of defining distance in cosmology, known as distance measures, but a common method used amongst modern astronomers is comoving distance.

The metric only defines the distance between nearby (so-called "local") points. In order to define the distance between arbitrarily distant points, one must specify both the points and a specific curve (known as a "spacetime interval") connecting them. The distance between the points can then be found by finding the length of this connecting curve through the three dimensions of space. Comoving distance defines this connecting curve to be a curve of constant cosmological time. Operationally, comoving distances cannot be directly measured by a single Earth-bound observer. To determine the distance of distant objects, astronomers generally measure luminosity of standard candles, or the redshift factor 'z' of distant galaxies, and then convert these measurements into distances based on some particular model of spacetime, such as the Lambda-CDM model. It is, indeed, by making such observations that it was determined that there is no evidence for any 'slowing down' of the expansion in the current epoch.

Theoretical cosmologists developing models of the universe have drawn upon a small number of reasonable assumptions in their work. These workings have led to models in which the metric expansion of space is a likely feature of the universe. Chief among the underlying principles that result in models including metric expansion as a feature are:

  • the Cosmological Principle which demands that the universe looks the same way in all directions (isotropic) and has roughly the same smooth mixture of material (homogeneous).
  • the Copernican Principle which demands that no place in the universe is preferred (that is, the universe has no "starting point").

Scientists have tested carefully whether these assumptions are valid and borne out by observation. Observational cosmologists have discovered evidence – very strong in some cases – that supports these assumptions, and as a result, metric expansion of space is considered by cosmologists to be an observed feature on the basis that although we cannot see it directly, scientists have tested the properties of the universe and observation provides compelling confirmation. [30] Sources of this confidence and confirmation include:

  • Hubble demonstrated that all galaxies and distant astronomical objects were moving away from us, as predicted by a universal expansion. [31] Using the redshift of their electromagnetic spectra to determine the distance and speed of remote objects in space, he showed that all objects are moving away from us, and that their speed is proportional to their distance, a feature of metric expansion. Further studies have since shown the expansion to be highly isotropic and homogeneous, that is, it does not seem to have a special point as a "center", but appears universal and independent of any fixed central point.
  • In studies of large-scale structure of the cosmos taken from redshift surveys a so-called "End of Greatness" was discovered at the largest scales of the universe. Until these scales were surveyed, the universe appeared "lumpy" with clumps of galaxy clusters, superclusters and filaments which were anything but isotropic and homogeneous. This lumpiness disappears into a smooth distribution of galaxies at the largest scales.
  • The isotropic distribution across the sky of distant gamma-ray bursts and supernovae is another confirmation of the Cosmological Principle.
  • The Copernican Principle was not truly tested on a cosmological scale until measurements of the effects of the cosmic microwave background radiation on the dynamics of distant astrophysical systems were made. A group of astronomers at the European Southern Observatory noticed, by measuring the temperature of a distant intergalactic cloud in thermal equilibrium with the cosmic microwave background, that the radiation from the Big Bang was demonstrably warmer at earlier times. [32] Uniform cooling of the cosmic microwave background over billions of years is strong and direct observational evidence for metric expansion.

Taken together, these phenomena overwhelmingly support models that rely on space expanding through a change in metric. It was not until the discovery in the year 2000 of direct observational evidence for the changing temperature of the cosmic microwave background that more bizarre constructions could be ruled out. Until that time, it was based purely on an assumption that the universe did not behave as one with the Milky Way sitting at the middle of a fixed-metric with a universal explosion of galaxies in all directions (as seen in, for example, an early model proposed by Milne). Yet before this evidence, many rejected the Milne viewpoint based on the mediocrity principle.

More direct results of the expansion, such as change of redshift, distance, flux, angular position and the angular size of astronomical objects, have not been detected yet due to smallness of these effects. Change of the redshift or the flux could be observed by Square Kilometre Array or Extremely Large Telescope in the mid-2030s. [33]


Theory 1: Outside lies an empty void

One theory suggests that the great beyond of our universe might simply be an infinite, empty void of nothingness. I don’t like the concept of nothingness as I have stated in my article about death. Because nothingness is something we simply can’t comprehend. Note that a vast black space is not “nothingness”, it’s a vast empty space and therefore something.

We can’t comprehend a real “nothing” as it is not observable and eludes any description. It’s the absence of everything. Even more, could an infinite space exist at all? As far as we know, everything in existence is finite. Even things that are seemingly infinite now, are merely close to infinity, but never truly infinite.


تفاهة الخطر

عند الاستماع إلى هذه المحادثات ، أدهشني مدى كون مصادر هذه الأخطار عادية عندما يتعلق الأمر بالحياة اليومية. على عكس الحرب النووية أو قيام إرهابي منفرد ببناء فيروس خارق (التهديدات التي تحدث عنها السير مارتن ريس ببلاغة) ، عندما يتعلق الأمر بأزمة المناخ وثقافة المراقبة الناشئة ، فإننا نقوم بذلك بشكل جماعي لأنفسنا من خلال أفعالنا الفردية البريئة. ليس الأمر وكأن بعض التهديدات الفضائية قد وصلت وستستخدم الليزر الضخم لدفع مناخ الأرض إلى حالة جديدة وخطيرة. لا ، نحن فقط - نطير ونستخدم الزجاجات البلاستيكية ونحافظ على منازلنا دافئة في الشتاء. وليس الأمر وكأن جنودًا يرتدون السترات الواقية من الرصاص يصلون إلى أبوابنا ويجبروننا على تثبيت جهاز تنصت يتتبع أنشطتنا. كلا ، نحن نضعها عن طيب خاطر على طاولة المطبخ لأنها مريحة للغاية. هذه التهديدات لوجودنا أو حرياتنا هي أشياء نقوم بها فقط من خلال عيش حياتنا في الأنظمة الثقافية التي ولدنا فيها. وسيتطلب الأمر جهدًا كبيرًا لفك ارتباطنا بهذه الأنظمة.

إذن ، ماذا بعد ذلك؟ هل نحن ببساطة محكوم علينا بالفشل لأننا لا نستطيع بشكل جماعي معرفة كيفية البناء والعيش بشيء مختلف؟ I don't know. من الممكن أن نكون محكومين علينا. لكنني وجدت الأمل في الحديث الذي ألقاه كاتب الخيال العلمي العظيم (والمفضل لدي) كيم ستانلي روبنسون. وأشار إلى مدى اختلاف "بنى المشاعر" بين العصور المختلفة ، وهي الخلفية المعرفية والعاطفية لعصر ما. Robinson looked at some positive changes that emerged in the wake of the COVID pandemic, including a renewed sense that most of us recognize that we're all in this together. قال ، ربما يكون هيكل الشعور في عصرنا على وشك التغيير.


شاهد الفيديو: الأكوان المتعددة. من يسكن هذه العوالم وكيف يمكننا السفر إليها. إليك شرح النظرية المرعبة بالتفصيل (أغسطس 2022).