Астрономия

Откуда мы знаем, что пространство-время - это ткань?

Откуда мы знаем, что пространство-время - это ткань?


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.

Я начал изучать астрономию, она меня удивляет и вдохновляет.

У меня вопрос. Что заставило нас поверить в то, что пространство-время ткань? Какие доказательства это подтверждают и считается ли это доказанным?

Если возможно, пришлите мне ссылку на исследовательские работы, чтобы я мог узнать больше.

Объясните, пожалуйста, языком непрофессионала, поскольку я не студент-астроном, а студент-биолог.

Также дайте мне знать книги, которые я могу читать.


Пространство-время вращается вокруг мертвой звезды, снова доказывая правоту Эйнштейна

Как и предполагали ученые, действительно, пространство-время перемешивается массивными вращающимися телами.

То, как ткань пространства и времени закручивается в космическом водовороте вокруг мертвой звезды, подтвердило еще одно предсказание. Общая теория относительности Эйнштейна, новое исследование показало.

Это предсказание - явление, известное как перетаскивание кадра или эффект Ленс-Тирринга. Он утверждает, что пространство-время будет вращаться вокруг массивного вращающегося тела. Например, представьте, что Земля погружена в мед. Когда планета вращается, мед вокруг нее будет вращаться - и то же самое верно и в отношении пространства-времени.

Спутниковые эксперименты обнаружили перетаскивание кадра в гравитационном поле вращающейся Земли, но эффект чрезвычайно мал, и поэтому его сложно измерить. Объекты с большей массой и более мощным гравитационным полем, такие как белые карлики и нейтронные звезды, дают больше шансов увидеть это явление.

Ученые обратили внимание на PSR J1141-6545, молодой пульсар, масса которого примерно в 1,27 раза больше массы Солнца. Пульсар находится на расстоянии от 10 000 до 25 000 световых лет от Земли в созвездии Musca (муха), которое находится недалеко от знаменитого созвездия Южного Креста.

Пульсар - это быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая излучает радиоволны вдоль своих магнитных полюсов. (Нейтронные звезды являются трупами звезд, погибших в результате катастрофических взрывов, известных как сверхновые, гравитация этих остатков достаточно сильна, чтобы раздавить протоны вместе с электронами и образовать нейтроны.)

PSR J1141-6545 вращается вокруг белого карлика с массой примерно такой же, как у Солнца. Белые карлики представляют собой сверхплотные ядра мертвых звезд размером с Землю, которые остаются после того, как звезды среднего размера исчерпали свое топливо и сбросили свои внешние слои. Наше Солнце однажды превратится в белый карлик, как и более 90% всех звезд в нашей галактике.

Пульсар вращается вокруг белого карлика по короткой и быстрой орбите продолжительностью менее 5 часов, несется через космос со скоростью около 620000 миль в час (1 миллион км / ч), при этом максимальное расстояние между звездами едва превышает размер нашего Солнца. Ведущий автор Вивек Венкатраман Кришнан, астрофизик из Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне, Германия, сказал Space.com.

Исследователи измерили, когда импульсы от пульсара достигли Земли с точностью до 100 микросекунд в течение почти 20 лет, используя радиотелескопы Parkes и UTMOST в Австралии. Это позволило им обнаружить длительный дрейф движения пульсара и белого карлика по орбите друг друга.

После устранения других возможных причин этого дрейфа ученые пришли к выводу, что это было результатом перетаскивания кадра: то, как быстро вращающийся белый карлик тянет пространство-время, заставило орбиту пульсара медленно менять свою ориентацию с течением времени. Основываясь на уровне перетаскивания кадра, исследователи подсчитали, что белый карлик вращается вокруг своей оси около 30 раз в час.

Предыдущие исследования показали, что белый карлик образовался раньше пульсара в этой двойной системе. Одно из предсказаний таких теоретических моделей состоит в том, что до того, как возникла сверхновая, образующая пульсар, прародитель пульсара сбросил материю массой около 20000 масс Земли на белый карлик в течение примерно 16000 лет, что увеличило скорость его вращения.

«Такие системы, как PSR J1141-6545, где пульсар моложе белого карлика, довольно редки», - сказал Венкатраман Кришнан. Новое исследование «подтверждает давнюю гипотезу о том, как возникла эта двойная система, что было предложено более двух десятилетий назад».

Исследователи отметили, что они использовали перетаскивание кадра, чтобы понять, что это за вращающаяся звезда. По их словам, в будущем они смогут использовать аналогичный метод для анализа двойных нейтронных звезд, чтобы узнать больше об их внутреннем составе, "который, даже после более чем 50-летнего наблюдения за ними, мы еще не знаем", Венкатраман Кришнан сказал. «Плотность вещества внутри нейтронной звезды намного превосходит то, что может быть достигнуто в лаборатории, поэтому есть много нового, что можно изучить, используя эту технику для удвоения систем нейтронных звезд».

Ученые подробно рассказали их выводы онлайн сегодня (30 января) в журнале Science.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы рассказывать о последних миссиях, ночном небе и многом другом! А если у вас есть новостной совет, исправление или комментарий, дайте нам знать по адресу: [email protected]

PSR J1141-6545 вращается вокруг белого карлика с массой примерно такой же, как у Солнца.

Пульсар вращается вокруг белого карлика по узкой и быстрой орбите.

Новое исследование показало, что то, как ткань пространства и времени закручивается в космическом водовороте вокруг мертвой звезды, подтвердило еще одно предсказание общей теории относительности Эйнштейна.

Пространство-время вращается вокруг мертвой звезды, снова доказывая правоту Эйнштейна: Подробнее

Наблюдения и соответствие модели ОТО кажутся очень хорошими. Вот еще один отчет о перетаскивании кадров в этой двоичной системе. Вихрь белого карлика тянет пространство-время
В цитируемом здесь отчете содержится более подробная информация. «Радиотелескопы Parkes и UTMOST в Австралии собирали точные измерения радиоимпульсов нейтронной звезды в течение почти 20 лет. Кришнан и его коллеги использовали время прихода импульсов, чтобы восстановить медленное изменение орбиты пульсара, обнаружив, что перетаскивание кадра сместило орбиты примерно на 7 километров в год. Новый результат не только дает первое подтверждение прецессии Лензе-Тирринга за пределы орбиты Земли, но и проливает свет на историю двойной системы ».

Похоже, еще один тест ОТО Эйнштейна, который проходит :)

Хороший обзор современного понимания гравитационного сопротивления, также известного как отток пространства-времени. Искривление пространства является следствием общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства, создаваемое объектами, находящимися в нем. Это также означает, что вращающаяся масса будет тащить пространство вокруг себя, как волчок, помещенный в патоку - эффект, известный как эффект Ленз-Тирринга, или, чаще, как «перетаскивание рамки».

Альтернативное значение этой деятельности состоит в том, что она демонстрирует концепцию, согласно которой материя представляет собой союз обычной материи (масса с положительной плотностью) и темной материи (масса с отрицательной плотностью). Там, где темная материя действует как изолирующая подушка для обычной материи от расширяющихся эффектов темной энергии, она обеспечивает объятия, которые воплощают силу гравитации.

Это соображение лучше понять, если подумать о гравитации немного иначе. Если общая энергия Вселенной разбита на 68% темной энергии, 27% массы-энергии через темную материю и 5% массы-энергии через обычную материю, процент распределения энергии предполагает различную эволюцию. Если мы предположим, что темная энергия, являющаяся наибольшим распределением полной энергии, представляет собой основу для пространства-времени и обеспечивает чистое нулевое включение материи в целом, тогда она начинается со 100% общей энергии. С появлением материи в целом распределение полной энергии делится между универсальными компонентами. Это процесс, который поддерживает концепцию сохранения чистой прибыли с нулевой суммой путем перераспределения этой полной энергии с дополнительными парами материи положительной и отрицательной плотности. Это эволюционное распределение также имеет другие аспекты универсального назначения: темная энергия отвечает за увеличивающееся универсальное расширение вновь созданной материи, темная материя, изолирующая обычную материю от разрыва в ее среде темной энергии, а обычная материя строит и эволюционирует в все, что может. По сути, темная материя - это «сила», созданная для изоляции обычной материи или массы с положительной плотностью путем деформации пространственно-временной ткани темной энергии от ее комплементарного партнера, обычной материи.

Динамика пространственно-временной дисперсии размерностей построена на понимании ускорения над скоростью. Как мы понимаем в специальной теории относительности специального релятивистского замедления времени, существует порядок, в котором ускорение измеряет скорость относительной скорости, чем выше скорость между двумя порядками пространственного расстояния, тем больше замедление времени между ними. То, что мы измеряем в случае нашей расширяющейся Вселенной, - это однородная модель замедления времени из любой точки пространства в любую другую точку пространства. Во всяком случае, это предполагает усиление влияния темной энергии на материю с положительной плотностью по мере увеличения материи с отрицательной плотностью.

Если вы заинтересованы в дальнейшем изучении этой концепции, просмотрите альтернативные теории, представленные в книге «Эволюция творения: Том 2», или даже разветвления этих концепций в научно-фантастическом фантастическом приключении «Кузница теней». Откровения ». Теоретическая презентация раскрывает множество альтернативных точек зрения на аспекты существования, которые формируют нашу реальность.


Характеристики света при путешествии на большие расстояния в космосе («ткань» пространства-времени?)

Раньше люди думали, что "волнам" нужна среда для перемещения. Как звуку нужна среда и т. Д., Поэтому люди в те дни думали, что свет - это волна, поэтому для перемещения ему нужна среда, которую они называли эфиром. Но эксперимент Майкельсона-Морли показал нам что нет эфира.


Ваш вопрос о свете или гравитации? Похоже, вы смешиваете концепции вместе, где вам это не нужно.
Действительно, когда-то ученые полагали, что существует среда (которую они назвали эфиром), в которой свет необходим для перемещения. Это было опровергнуто, поскольку для распространения электромагнитных волн не нужна среда.
Если у вас есть вопросы о гравитации, не могли бы вы подробнее рассказать о них?

Согласно Википедии (космическое пространство) со ссылкой на Дэвиса, П.С.У. (1977), стр. 93, Физика асимметрии времени

& quot. длина свободного пробега фотона в межгалактическом пространстве составляет около 10E23 км, или 10 миллиардов световых лет ».

Следует отметить, что на поверхности Земли длина свободного пробега фотона (MFP) через воздух при стандартной температуре и давлении составляет всего около 2 метров, а MFP настолько короток из-за стекловидного тела глаза, что поглощенные фотоны сетчаткой на самом деле излучаются в самом глазу (так что даже при созерцании звезд это совершенно новые свежие фотоны, а не «старые» из космоса).


Наша модель, которая лучше всего соответствует нашим наблюдениям, - это пространственно плоская Вселенная бесконечной протяженности. Я считаю, что это включает начало в определенное время в прошлом, хотя я не совсем уверен, что я в курсе этого утверждения.

Но все это ничего не доказывает. Наша модель может быть неправильной в каком-то тонком смысле, которого мы еще не заметили. Фактически, мы почти уверены, что общая теория относительности - это только приближение к квантовой теории гравитации. Разработка действующей теории квантовой гравитации может радикально изменить наши выводы.

Эта ветка может быть лучше в космологии - я рекомендую переместить ее.

Что мне действительно было бы интересно узнать, так это природу бесконечного пространства-времени с отрицательной гауссовской кривизной 1. Станет ли кривизна бесконечной и, следовательно, нестабильной? 2. И в каком подмножестве бесконечности возникнет эта нестабильность, если она существует? 3. Какое количество пространства-времени с отрицательной кривизной потребуется, чтобы равняться массе / энергии наблюдаемой Вселенной?

Совершенно новый подход мог бы также заключаться в том, чтобы предположить, что текущее ускоряющееся расширение не является результатом внутренних сжимающих сил, а внешнего напряжения, достигаемого материалом с положительной кривизной этой Вселенной, притягиваемым окружающей инкапсуляцией пространства-времени с отрицательной кривизной. По сути, наша Вселенная разрывается пространственно-временным градиентом, более или менее эквивалентным падению с горы.

И, наконец, гипотеза Вселенной с нулевой чистой энергией поддерживается пространственно-временным пространством Вселенной с нулевой кривизной. Таким образом, когда существует комковатый материал с положительной кривизной, он также является продолжением пространства-времени отрицательной кривизны, необходимого для получения плоского среднего значения в целом.


Запахи космоса

Что общего у грецких орехов, тормозных колодок и подгоревшего стейка? По словам космонавтов, все они пахнут космосом. Хотя каждый астронавт чувствует что-то свое, все они согласны с тем, что «космос воняет».

Очевидно, что космос - это вакуум, поэтому его раньше никто толком не «нюхал» в традиционном понимании этого слова. Если попробуешь, умрешь. Но мы можем это почувствовать косвенно. Исследователи смогли идентифицировать многочисленные соединения и элементы в галактике, многие из которых также встречаются здесь, на Земле. Таким образом, мы можем сделать некоторые предположения о том, как они пахнут в космосе. Астронавты, возвращающиеся с выходов в открытый космос, также описали запах на своих скафандрах или в воздушных шлюзах шаттла.

Запахи космоса важны, потому что они могут многое рассказать нам о химическом составе нашей галактики, раскрывая секреты нашей солнечной системы.

Несколько астронавтов описали этот запах как «… довольно приятное металлическое ощущение. [нравиться] . сладко пахнущий сварочный дым »,« горящий металл »,« отчетливый запах озона, едкий запах »,« грецкие орехи и тормозные колодки »,« порох »и даже« подгоревшее миндальное печенье ».

Некоторые астронавты сравнивают запахи космоса с грецкими орехами. Источник изображения: LubosHouska CC0.

Но в чем причина такого сочетания запахов? Мы еще не уверены на 100%, но есть несколько идей.

Одно из объяснений состоит в том, что запах возникает из-за химической реакции, которая происходит внутри космического корабля во время повышения давления. Этот процесс известен как окисление - он похож на горение, но без дыма. В космосе атомарный кислород (отдельные атомы) может прилипать к ткани скафандра, к инструментам и, возможно, даже к стенкам воздушного шлюза. Когда эти одиночные атомы кислорода соединяются с O в кабине во время восстановления давления, они объединяются с образованием озона (O₃). Возможно, астронавты чувствуют именно этот запах, а не межзвездный аромат.

Другая (немного более сексуальная) идея заключается в том, что запах возникает из-за умирающих звезд. Когда звезда умирает, она высвобождает много энергии. Это производит едкие соединения, известные как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые бесконечно плавают по Вселенной и помогают в создании новых комет, планет и звезд. У нас есть эти ПАУ на Земле, вы можете найти их в некоторых продуктах питания, а также в угле и нефти. ПАУ испытывают вибрации высокой энергии, которые в сочетании с воздухом могут быть причиной уникального запаха пространства.

Но в космосе есть и другие запахи, кроме самого космоса. Кометы, планеты, луны и газовые облака тоже имеют свой уникальный запах.

### подпись к рисунку ## Изображение адаптировано из: #Name CC0 # -> ## здесь цитата с # ссылкой # -> Эта статья была адаптирована из материалов веб-сайта Академии, проверенных следующими экспертами: Д-р Брэд Такер Исследовательская школа астрономии и астрофизики Австралийского национального университета Д-р Хелен Мейнард-Кейсли Ученый по приборам, Австралийская организация ядерной науки и технологий


Спросите Итана: как ткань пространства-времени расширяется быстрее скорости света?

Одно из фундаментальных правил, которое мы все изучаем в физике, сформулированное Эйнштейном более 100 лет назад, - это то, что существует конечный предел скорости, которому все во Вселенной должно подчиняться: скорость света. Эта фундаментальная скорость, 299 792 458 м / с, - это скорость, с которой все безмассовые частицы должны перемещаться через космический вакуум. Если у вас есть масса, вы можете приблизиться (но никогда не достичь) этой скорости, если вы путешествуете через среду, а не через вакуум, вы можете двигаться только медленнее, чем этот конечный космический предел. Но если это правда, то почему мы можем видеть объекты в нашей Вселенной, которые начались с Большого взрыва около 13,8 миллиарда лет назад, на расстоянии до 46 миллиардов световых лет? В этом суть вопроса Роберта Липински, который спрашивает:

Почему ткань пространства-времени расширяется быстрее скорости света?

Это одна из самых сложных для понимания концепций физики, но мы готовы принять ее. Давай выясним.

Когда Эйнштейн в 1905 году выдвинул идею специальной теории относительности, она была столь же простой, сколь и революционной. Все началось с рассмотрения явления, с которым мы все взаимодействовали: световой волны. На протяжении многих десятилетий Эйнштейн и его современник знали, что свет - это электромагнитная волна: волна, несущая энергию, с колеблющимися синфазными электрическими и магнитными полями. И в вакууме он всегда двигался с одной и той же скоростью: скоростью света.

Эта последняя часть вызвала наибольшее беспокойство у ученых. Если бы вы были в поезде, движущемся со скоростью 100 миль в час (161 км / час), и вы бросали бейсбольный мяч со скоростью 100 миль в час (161 км / час) в прямом направлении, этот мяч двигался бы со скоростью 200 миль. -в час (322 км / ч) с точки зрения человека, находящегося на твердой земле. Но свет работал иначе: он всегда движется с одинаковой скоростью через вакуум пустого пространства со всех возможных точек зрения.

Это было продемонстрировано с большой точностью в 1880-х годах ученым Альбертом Майкельсоном и его помощником Эдвардом Морли. В своем эксперименте они взяли луч когерентного света (с той же длиной волны) и пропустили его через светоделитель: устройство, которое разделяет свет на два перпендикулярных компонента. Затем свет проходит по обоим путям одинаковой длины, пока не попадет в зеркало, не отразится обратно и не воссоединится, чтобы создать интерференционный узор.

Теперь вот ключевой момент: если один путь короче другого или если свет движется в одном направлении быстрее (или медленнее), чем в другом, картина интерференции сместится. Это происходит с огромной точностью в детекторах гравитационных волн LIGO и Virgo, где проходящие гравитационные волны изменяют длину пути в двух разных направлениях. Но даже при движении Земли относительно Солнца на

30 км / с, интерференционная картина, наблюдаемая в эксперименте Майкельсона-Морли, не изменилась.

Это научило нас чему-то невероятно важному: скорость света не зависит от относительного движения в пространстве. Независимо от того, кто вы, где находитесь, как быстро или в каком направлении вы путешествуете по Вселенной, вы всегда будете наблюдать все световые волны, движущиеся в космосе с одним и тем же универсальным пределом скорости: скоростью света в вакууме. Если вы и источник отдаляетесь друг от друга, длина волны света смещается в красную сторону, если вы вместе двигаетесь навстречу друг другу, длина волны смещается в синюю сторону. Но сама скорость света никогда не меняется в космическом вакууме.

Эта идея была революционной, когда Эйнштейн предложил ее, и многие профессиональные физики (несправедливо) сопротивлялись ей в течение десятилетий. Однако оппозиция сделала это не менее правдивым. Но главный приз все же остался: включить гравитацию в уравнение.

До Эйнштейна гравитация была ньютоновским явлением. Согласно Ньютону, пространство и время были абсолютными, а не относительными сущностями. Гравитационная сила притяжения между любыми двумя массами должна распространяться бесконечно быстро, а не ограничиваться скоростью света.

Самой большой революцией, которую Эйнштейн произвел в физике, было ниспровержение этой картины гравитации. Конечно, вы могли бы использовать ньютоновскую гравитацию как очень хорошее приближение почти для всех условий, но в ситуациях, когда материя или энергия проходили близко к большой массе, Ньютон не дал бы вам правильных ответов.

Орбита Меркурия прецессировала больше, чем предсказывал Ньютон. Свет, проходящий близко к Солнцу во время затмения, отклонился на большую величину, чем мог объяснить Ньютон.

Как ясно показали факты, общая теория относительности Эйнштейна - где масса и энергия искривляют пространство, а это искривленное пространство определяет движение массы и энергии - вытеснила ньютоновскую гравитацию. Эта новая концептуализация гравитации и самой ткани пространства-времени принесла с собой еще одно откровение: тот факт, что ткань Вселенной, если бы она была повсюду полна примерно равным количеством материи и энергии, не могла бы быть статичной. и неизменный.

Вместо этого, как стали окончательно продемонстрировать наблюдения еще в 1920-х годах, существует систематическая взаимосвязь между расстоянием от объекта до нас и величиной красного смещения его света. Конечно, галактики движутся в пространстве относительно друг друга, но только со скоростью до нескольких тысяч км / с. Тем не менее, когда мы смотрим на фактические красные смещения далеких галактик, они соответствуют скоростям удаления, намного, намного превышающим эти значения.

Ученые быстро поняли, что причина, по которой мы наблюдаем масштабирование космических красных смещений с расстоянием, заключается в том, что ткань самой Вселенной расширяется. Точно так же, как изюм в закваске из хлебного теста с изюмом, каждая галактика во Вселенной видит, как другие галактики удаляются от них, причем более далекие изюминки (или галактики), кажется, удаляются с большей скоростью.

Это не потому, что изюм движется относительно теста, в которое они вложены, и не потому, что отдельные галактики движутся через ткань космоса. Скорее, это происходит из-за того, что само тесто - как и сама ткань космоса - расширяется, а изюм (или галактики) просто едет.

Между тем, поскольку эти объекты являются галактиками, они заполнены светоизлучающими звездами. Они излучают свет непрерывно с момента первого включения, но мы можем наблюдать их только с того момента, когда свет впервые попадает в наши глаза после путешествия по Вселенной.

Заметьте, не ньютоновской Вселенной: расширяющейся, эйнштейновской.

Это означает, что существуют галактики, свет которых только сейчас впервые попадает сюда, на Землю, после путешествия по Вселенной более 13 миллиардов лет. Первые звезды и галактики образовались всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, и мы открыли галактики еще тогда, когда Вселенная была всего на 3% от своего нынешнего возраста. И все же этот свет был настолько сильно сдвинут в красную область из-за расширяющейся Вселенной, что свет был ультрафиолетовым, когда он был испущен, но уже далеко в инфракрасном диапазоне к тому времени, когда мы можем его наблюдать.

Если бы мы спросили, с нашей точки зрения, что это означает для скорости этой далекой галактики, которую мы только сейчас наблюдаем, мы бы пришли к выводу, что эта галактика удаляется от нас со скоростью, намного превышающей скорость света. Но на самом деле эта галактика не только не движется по Вселенной с релятивистски невозможной скоростью, но и вообще не движется! Вместо скорости, превышающей 299792 км / с (скорость света в вакууме), эти галактики движутся в космосе только на

2% скорости света или меньше.

Но само пространство расширяется, и это составляет подавляющую часть наблюдаемого нами красного смещения. И пространство не расширяется со скоростью, оно расширяется со скоростью на единицу расстояния: это совсем другая скорость. Когда вы видите числа вроде 67 км / с / Мпк или 73 км / с / Мпк (два наиболее распространенных значения, которые измеряют космологи), это скорости (км / с) на единицу расстояния (Мпк, или около 3,3 миллиона световых лет. ).

Ограничение «ничто не может двигаться быстрее света» применяется только к движению объектов в пространстве. Скорость расширения самого пространства - эта скорость на единицу расстояния - не имеет физических ограничений на ее верхний предел.

Может показаться странным рассматривать все, что это подразумевает. Поскольку у нас есть темная энергия, скорость расширения никогда не упадет до нуля, она останется на положительном конечном значении. Это означает, что даже несмотря на то, что с момента Большого взрыва прошло всего 13,8 миллиарда лет, мы можем наблюдать свет от объектов, которые находятся на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет от нас. А это означает, что за пределами части этого расстояния - около 18 миллиардов световых лет - ни один объект, запущенный сегодня с Земли, никогда не сможет добраться до нее.

Но на самом деле ни один объект не движется во Вселенной быстрее скорости света. Вселенная расширяется, но у расширения нет скорости, у которой есть скорость на единицу расстояния, которая эквивалентна частоте или обратному времени. Один из самых удивительных фактов о Вселенной заключается в том, что если вы сделаете преобразования и возьмете значение, обратное скорости расширения, вы сможете вычислить «время», которое вы выберете.

Ответ? Примерно 13,8 миллиарда лет: возраст Вселенной. Нет фундаментальной причины для этого факта, это просто захватывающее космическое совпадение.


Морщинка в пространстве-времени: математика показывает, как ударные волны могут сморщивать пространство

Математики из Калифорнийского университета в Дэвисе придумали новый способ сморщить ткань пространства-времени - по крайней мере, теоретически.

«Мы показываем, что пространство-время не может быть локально плоским в точке, где сталкиваются две ударные волны», - сказал Блейк Темпл, профессор математики Калифорнийского университета в Дэвисе. «Это новый вид сингулярности в общей теории относительности».

Результаты представлены в двух статьях Темпл с аспирантами Морицем Рейнтьесом и Зеке Фоглером соответственно, оба опубликованы в журнале. Труды Королевского общества А.

Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию как искривление пространства-времени. Но теория исходит из предположения, что любой локальный участок пространства-времени выглядит плоским, сказал Темпл.

По словам Темпл, сингулярность - это участок пространства-времени, который нельзя заставить выглядеть плоским ни в одной системе координат. Один из примеров сингулярности - внутри черной дыры, где кривизна пространства становится экстремальной.

Темпл и его сотрудники изучают математику того, как ударные волны в идеальной жидкости могут влиять на кривизну пространства-времени в общей теории относительности. В более ранней работе Темпл и его соавтор Джоэл Смоллер, профессор математики Ламберто Чезари в Мичиганском университете, создали модель самой большой ударной волны из всех, созданных в результате Большого взрыва, когда возникла Вселенная.

Ударная волна вызывает резкое изменение или прерывистость давления и плотности жидкости, что вызывает скачок кривизны. Но с 1960-х годов было известно, что скачка кривизны, создаваемого одиночной ударной волной, недостаточно, чтобы исключить локально плоскую природу пространства-времени.

В докторской работе Фоглера использовалась математика для моделирования столкновения двух ударных волн, а Рейнтьес продолжил анализ уравнений, описывающих, что происходит при пересечении ударных волн. Он обнаружил, что это создает новый тип сингулярности, который он назвал «сингулярностью регулярности».

«Что удивительно, так это то, что такая мягкая вещь, как взаимодействующие волны, может создать нечто столь же экстремальное, как сингулярность пространства-времени», - сказал Темпл.

Темпл и его коллеги исследуют, могут ли крутые градиенты в ткани пространства-времени в сингулярности регулярности создавать какие-либо эффекты, которые можно измерить в реальном мире. Например, они задаются вопросом, могут ли они создавать гравитационные волны, сказал Темпл. Общая теория относительности предсказывает, что они возникают, например, в результате столкновения массивных объектов, таких как черные дыры, но они еще не наблюдались в природе. Исследователи предполагают, что сингулярности регулярности также могут образовываться внутри звезд по мере прохождения внутри них ударных волн.

Рейнтьес, ныне доктор наук в Регенсбургском университете, Германия, представил свою работу на Международном конгрессе по гиперболическим проблемам в Падуе в июне.


Гравитационные волны, рябь Эйнштейна в пространстве-времени, обнаружены впервые

Давным-давно, глубоко в космосе, две массивные черные дыры - сверхсильные гравитационные поля, оставленные гигантскими звездами, которые коллапсировали до бесконечно малых точек, - медленно сблизились. Звездные призраки приближались по спирали, пока около 1,3 миллиарда лет назад они не повернулись друг вокруг друга со скоростью, равной половине скорости света, и, наконец, не слились воедино. Столкновение вызвало дрожь во Вселенной: рябь в ткани пространства и времени, называемая гравитационными волнами. Пять месяцев назад они промыли Землю. И впервые физики обнаружили волны, выполнив четырехлетний квест и открыв новые глаза на небеса.

Открытие знаменует собой триумф для 1000 физиков с лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), парой гигантских инструментов в Хэнфорде, Вашингтоне и Ливингстоне, Луизиана. Слухи об обнаружении ходили месяцами. Сегодня на пресс-конференции в Вашингтоне, округ Колумбия, команда LIGO сделала это официально. "Мы сделали это!" говорит Дэвид Рейтце, физик и исполнительный директор LIGO Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене. «Все слухи, которые ходят вокруг, по большей части правдивы».

Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн 100 лет назад, но прямое их обнаружение потребовало ошеломляющего технологического мастерства и истории охоты. (См. Временную шкалу истории поиска гравитационных волн ниже.) Исследователи LIGO почувствовали волну, которая растянула пространство на одну часть в 10 21, заставив всю Землю расширяться и сжиматься на 1/100 000 нанометра, примерно шириной атомное ядро. Это наблюдение с беспрецедентной строгостью проверяет теорию гравитации Эйнштейна, общую теорию относительности, и дает положительное доказательство существования черных дыр. «Он получит Нобелевскую премию», - говорит Марк Камионковски, теоретик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд.

LIGO наблюдает за крошечным растяжением пространства с помощью сверхточных линейок: двух L-образных приспособлений, называемых интерферометрами, с руками длиной 4 км. Зеркала на концах каждого плеча образуют длинную «резонансную полость», в которой лазерный свет определенной длины волны отражается взад и вперед, резонируя так же, как звук определенной высоты звука в органной трубе. Там, где встречаются руки, две балки могут перекрываться. Если они прошли разное расстояние вдоль рук, их волны будут отклоняться друг от друга и мешать друг другу. Это приведет к тому, что часть света будет выходить через выход, называемый темным портом, синхронно с волнами.

С помощью интерференции исследователи могут сравнить относительную длину двух плеч с точностью до 1/10 000 ширины протона - чувствительности, достаточной для того, чтобы увидеть проходящую гравитационную волну, растягивающую руки на разную величину. Однако, чтобы обнаружить такие крошечные смещения, ученые должны гасить такие вибрации, как грохот сейсмических волн, шум транспорта и удары волн о далекие береговые линии.

14 сентября 2015 года в 9:50:45 по всемирному времени - 4:50 утра в Луизиане и 2:50 утра в Вашингтоне - автоматизированные системы LIGO зафиксировали именно такой сигнал. Колебания возникали с частотой 35 циклов в секунду, или герц, и увеличивались до 250 Гц, прежде чем исчезли через 0,25 секунды. Возрастающая частота, или чириканье, вызывает насмешки с двумя массивными телами, спиралевидно переходящими друг в друга. The 0.007-second delay between the signals in Louisiana and Washington is the right timing for a light-speed wave zipping across both detectors.

The signal exceeds the “five-sigma” standard of statistical significance that physicists use to claim a discovery, LIGO researchers report in a paper scheduled to be published in Physical Review Letters to coincide with the press conference. It’s so strong it can be seen in the raw data, says Gabriela González, a physicist at Louisiana State University, Baton Rouge, and spokesperson for the LIGO scientific collaboration. “If you filter the data, the signal is obvious to the eye,” she says.

Comparison with computer simulations reveals that the wave came from two objects 29 and 36 times as massive as the sun spiraling to within 210 kilometers of each other before merging. Only a black hole—which is made of pure gravitational energy and gets its mass through Einstein’s famous equation E=mc 2 —can pack so much mass into so little space, says Bruce Allen, a LIGO member at the Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hanover, Germany. The observation provides the first evidence for black holes that does not depend on watching hot gas or stars swirl around them at far greater distances. “Before, you could argue in principle whether or not black holes exist,” Allen says. “Now you can’t.”

The collision produced an astounding, invisible explosion. Modeling shows that the final black hole totals 62 solar masses—3 solar masses less than the sum of the initial black holes. The missing mass vanished in gravitational radiation—a conversion of mass to energy that makes an atomic bomb look like a spark. “For a tenth of a second [the collision] shines brighter than all of the stars in all the galaxies,” Allen says. “But only in gravitational waves.”

The LIGO facility in Livingston, Louisiana, has a twin in Hanford, Washington.

Other stellar explosions called gamma-ray bursts can also briefly outshine the stars, but the explosive black-hole merger sets a mind-bending record, says Kip Thorne, a gravitational theorist at Caltech who played a leading role in LIGO’s development. “It is by far the most powerful explosion humans have ever detected except for the big bang,” he says.

For 5 months, LIGO physicists struggled to keep a lid on their pupating discovery. Ordinarily, most team members would not have known whether the signal was real. LIGO regularly salts its data readings with secret false signals called “blind injections” to test the equipment and keep researchers on their toes. But on 14 September 2015, that blind injection system was not running. Physicists had only recently completed a 5-year, $205 million upgrade of the machines, and several systems—including the injection system—were still offline as the team wound up a preliminary “engineering run.” As a result, the whole collaboration knew that the observation was likely real. “I was convinced that day,” González says.

Still, LIGO physicists had to rule out every alternative, including the possibility that the reading was a malicious hoax. “We spent about a month looking at the ways that somebody could spoof a signal,” Reitze says, before deciding it was impossible. For González, making the checks “was a heavy responsibility,” she says. “This was the first detection of gravitational waves, so there was no room for a mistake.”

Proving that gravitational waves exist may not be LIGO’s most important legacy, as there has been compelling indirect evidence for them. In 1974, U.S. astronomers Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of radio-emitting neutron stars called pulsars orbiting each other. By timing the pulsars, Taylor and colleague Joel Weisberg demonstrated that they are very slowly spiraling toward each other—as they should if they’re radiating gravitational waves.

It is by far the most powerful explosion humans have ever detected except for the big bang.

Kip Thorne

It is the prospect of the science that might be done with gravitational waves that really excites physicists. For example, says Kamionkowski, the theorist at Johns Hopkins, the first LIGO result shows the power of such radiation to reveal unseen astrophysical objects like the two ill-fated black holes. “This opens a new window on this vast population of stellar remnants that we know are out there but of which we have seen only a tiny fraction,” he says.

The observation also paves the way for testing general relativity as never before, Kamionkowski says. Until now, physicists have studied gravity only in conditions where the force is relatively weak. By studying gravitational waves, they can now explore extreme conditions in which the energy in an object’s gravitational field accounts for most or all of its mass—the realm of strong gravity so far explored by theorists alone.

Rainer Weiss at the New York Science Fair.

With the black hole merger, general relativity has passed the first such test, says Rainer Weiss, a physicist at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, who came up with the original idea for LIGO. “The things you calculate from Einstein’s theory look exactly like the signal,” he says. “To me, that’s a miracle.”

The detection of gravitational waves marks the culmination of a decades-long quest that began in 1972, when Weiss wrote a paper outlining the basic design of LIGO. In 1979, the National Science Foundation funded research and development work at both MIT and Caltech, and LIGO construction began in 1994. The $272 million instruments started taking data in 2001, although it was not until the upgrade that physicists expected a signal.

If LIGO’s discovery merits a Nobel Prize, who should receive it? Scientists say Weiss is a shoo-in, but he demurs. “I don’t like to think of it,” he says. “If it wins a Nobel Prize, it shouldn’t be for the detection of gravitational waves. Hulse and Taylor did that.” Many researchers say other worthy recipients would include Ronald Drever, the first director of the project at Caltech who made key contributions to LIGO’s design, and Thorne, the Caltech theorist who championed the project. Thorne also objects. “The people who really deserve the credit are the experimenters who pulled this off, starting with Rai and Ron,” he says.

Meanwhile, other detections may come quickly. LIGO researchers are still analyzing data from their first observing run with their upgraded detectors, which ended 12 January, and they plan to start taking data again in July. A team in Italy hopes to turn on its rebuilt VIRGO detector—an interferometer with 3-kilometer arms—later this year. Physicists eagerly await the next wave.


Ask Anything Wednesday - Physics, Astronomy, Earth and Planetary Science

Do you have a question within these topics you weren't sure was worth submitting? Is something a bit too speculative for a typical r/AskScience post? No question is too big or small for AAW. In this thread you can ask any science-related question! Things like: "What would happen if. ", "How will the future. ", "If all the rules for 'X' were different. ", "Why does my. ".

Asking Questions:

Please post your question as a top-level response to this, and our team of panellists will be here to answer and discuss your questions.

The other topic areas will appear in future Ask Anything Wednesdays, so if you have other questions not covered by this weeks theme please either hold on to it until those topics come around, or go and post over in our sister subreddit r/AskScienceDiscussion , where every day is Ask Anything Wednesday! Off-theme questions in this post will be removed to try and keep the thread a manageable size for both our readers and panellists.

Answering Questions:

Please only answer a posted question if you are an expert in the field. The full guidelines for posting responses in AskScience can be found here. In short, this is a moderated subreddit, and responses which do not meet our quality guidelines will be removed. Remember, peer reviewed sources are always appreciated, and anecdotes are absolutely not appropriate. In general if your answer begins with 'I think', or 'I've heard', then it's not suitable for r/AskScience.

If you would like to become a member of the AskScience panel, please refer to the information provided here.

Past AskAnythingWednesday posts can be found here.

Are there known caves on Mars?

Almost certainly. There is very strong photographic evidence for 'skylights', collapse features in the surface of lava tubes etc.

1 - Since time and space were created at the big bang and space has an accelerating expansion, shouldn't time be accelerating as well?

2 - Since we know that the fabric of space-time curves on the presence of matter, can we see any elasticity in it? For example, shouldn't be a vector of force on the opposite direction of the curvature of the space-time fabric so that it tries to keep its shape? I always imagine a rubber sheet to visualize space-time, but then it has to be held on "the borders" tu curve as it happens in the universe, otherwise, if it wasn't held it would only fall and crumble up on itself in the presence of matter. So to keep its shape it would have to have a force on the opposite direction of the curvature kind of an elastic force. I'm not sure if I explained myself properly but here you go.

Thank you geniuses of reddit <3

We know that molecules are made from atoms and atoms are made from a bunch of different types of quarks and gluons etc but what are the quarks/gluons made from?

We cannot unlock the secret to physics until we find the absolute starting point of how these quarks/gluons form.

The answer to this question depends on the framework you are using.

According the the standard model of particles, elementary particles like leptons, force carrying particles and quarks are fundamental. That is, they are not made up of anything.

In quantum field theory, however, particles are seen as excitation of their respective fields. That is, electrons are excitations in the electron field etc.

The latter conceptualization is supported by phenomena like the Unruh effect. According to the Unruh effect, one observer in an inertial frame of reference will see a vacuum, while an accelerating observer will see a thermal bath of particles.

Thus, the number of particles an observer measures is dependent on their frame of reference.

This suggests, that particles do not have ontic relevance, and the actually fundamental entity is the quantum field.

How is the mathematical equation for escape velocity made? As in how are the individual parts discovered and put together to make the equation possible?

calculate the gravitational potential energy of a mass a very long way away from the planet (maths aside: GPE is a finite sum even at infinite distance, so this is defineable). This is the energy needed to escape a planet.

How fast must an object be going to have kinetic energy greater that this gravitational limit. That speed is the escape velocity. If you ever go that fast away from the surface of the planet you leave orbit (barring atmospheric resistance or other sources of acceleration). This happens because gravity's pull isn't enough to remove all your kinetic energy, regardless of how far you move against that gravity.

You can think of this as similar to calculating if a car, going at a particular speed, can coast over the top of a hill without touching the accelerator.

It doesn't involve a lot of separate parts and only really one concept: you need to have enough kinetic energy to counteract the gravitational potential energy of wherever you are. If kinetic energy >= gravitational potential energy (ignoring signs here), then you escape. So, you have 1/2 mv 2 = GMm/r for some mass m on an object of large mass M, a distance r from the center. Solving for v, you get v = sqrt(2GM/r), which is the escape velocity. So if you plug in the mass of the Earth and the radius of the Earth, you get v = 11.2 km/s, which is what you'll find listed elsewhere.

Have there been any attempts to explore deep "what if" scenarios in physics?

I don't mean " What if there was another moon orbiting Earth" or suchlike, but more along the lines of:

" What if this particular set of physical laws/particles etc were there in the Universe"

Has anyone extended/taken this kind of speculative "physics" upto an ordinary scale, where they could predict what everyday things would be different in that scenario?

Similarly, has anyone thought "I want to describe a Universe where x, y and z can happen" and deduced/inferred a set of valid physical laws that allows them to happen? ( Excluding trivial cases that just make arbitrary exceptions to physical laws)

How "big" is a bolt of lightning? Like, length and width.

At the frontier of theoretical physics are a bunch of ideas floating around. What are the most promising pieces coming out that may not be well known? As far as I knew, until recently, string theory was the closest thing to it. I look at criticisms of string theory from someone like Roger Penrose and can’t help but be concerned we’ve gone too far in the wrong direction to admit it’s wrong.

I know recently Eric Weinstein released his unified theory which proposed a new foundation for a theory to be made. Is there anyone looking to build off of this?

Is there still hope for the planet before we reach the point of no return in climate change consequences?

How does Einstein's theory of relativity work with the fact that the Moon is moving away from Earth?

They're largely unrelated. The moon is receding due to tidal forces, and it's motions can be predicted almost perfectly from classical mechanics.

Newtonian gravity is almost exact in it's accuracy with respect to planetary orbital mechanics. Though since you asked, the equations of motion in general relativity require a metric which takes the role of the gravitational potential (and is the solution to Einstein's field equations), and are called the geodesic equations. The geodesic equation can be easily derived by taking the "covariant acceleration" along a geodesic to be 0. A geodesic is the path an object in free fall takes in a gravitational field. The geodesic equation is a 2nd order system and very non-linear, so it is practical to instead solve an equivalent set of equations called the first integrals of the geodesic equations. These are the normalization condition where you take the square of the velocity along the geodesic to be -1 and the constants of motion, which are the product of the velocity along geodesic and whats called a Killing vector field. The Killing vector field generates a type of symmetry called an Isometry, this means you can transport the metric along the vector field and it will be unchanged. Once you have solved the equations, just like in Newtonian gravity, you will need an initial position and velocity, and then you can find the exact geodesic followed by a body in orbit.

The Schwarzschild metric is:

-c²dτ² = -c²(1 - S/r)dt² + dr²/(1 - S/r) + r²(dθ² + sin²θdφ²)

An even more accurate metric would be the Kerr metric, since the earth rotates, but the geodesics of this metric are very difficult to find.


6 Answers 6

NB: The nature of the question has changed since I placed this answer. This answer does not address the current version of the question. This answer addresses how we distinguish expansion of space from a model where galaxies move away from us through space (which is not straightforward).

At the moment it is Hubble's law, some indirect measurements and a bit of philosophy.

We observe that galaxies appear to move away from us, in an isotropic fashion, at a rate that is proportional to their distance from us.

Whilst one could argue that we are at (or near) the centre of this very uniform expansion it begs the question as to why Hubble's law should exist and why the universe appears isotropic to us, but wouldn't from a different position in the universe. The simplest explanation is that General Relativity applies (as we observe in a number of other cases) and we live in an expanding universe - this then means we do not need to occupy some privileged position in the universe (an erroneous assumption that has proved wrong every other time it has been made).

In such a universe, the redshift of distant galaxies is not caused by relative motion, but by the expansion of space. At high redshifts, these phenomena become distinct in that the relationship between "velocity" and redshift is different, for instance allowing "faster than light" (apparent) speeds.

So basically at present, expansion fits the facts (far) better and more simply than any of the alternatives.

A further piece of indirect evidence comes from a careful analysis of the physical conditions of gas at high redshifts, illuminated by background quasars and subtle alterations to the cosmic microwave background (CMB) spectrum, caused by the Sunyaev-Zel'dovich effect, towards galaxy clusters at low redshifts. Both of these methods give the temperature of the CMB at those locations.

In the expanding universe model, the temperature should increase as $1+z$ , where $z$ is the redshift. If one instead has a non-expanding universe, and explain the CMB as due to some expanding shell of material, then the average temperature wouldn't change for distant galaxies unless the shell gas has been uniformly cooling by an amount that just happens to agree with redshift of that galaxy.

Avgoustidis et al. (2015) review the evidence for the temperature evolution of the CMB and conclude that it agrees with an adiabatic expansion to better than 1%.

Direct evidence for the expansion is on the horizon though. In an expanding universe, the speed at which galaxies move away from us can change slowly with time (and with distance) by of order 10 cm/s per year, despite their being no force on them. This is known as the redshift drift. There are plans to measure this tiny effect with the European Extremely Large Telescope over the course of a decade.

If spacetime itself is expanding, how could we ever tell?

It is a common question, if everything is expanding what gives the scale? The answer: by measurements of the movement of cosmic masses.

The simplest answer is seen in the analogy of the raisin bread, the raisin being matter, the dough being space expanding.

Why are the raisins not expanding as the loaf of bread expands, but the space between them grows? Because the raisins are held by chemical bonds, electric and magnetic forces much stronger than the expansion, and remain whole because they do not participate in the chemistry of the dough.

This is a simple analogy. A raisin (if conscious) deduces that the bread loaf is expanding because all other raisins are moving away from each other. It is not an explosion, because there is no center.that can be fitted with three dimensional kinematics.

What gives a measuring stick for the raisins to measure expansion is the geometric stability of the raisins themselves :they are made of solid matter held together by electromagnetic and strong forces and keep the size, because the effective force involved in the expansion of the loaf is by orders of magnitude smaller than strong and electromagnetic forces composing the raisin. The raisins keep their size so can deduce the expansion of the loaf because they have different chemical properties than the dough. The measuring stick is their size.

Doppler redshift shows the relative speed of a star in relationship to us - but would have no effect on a space expansion.

Doppler redshift from all directions about us, see the left image above, showed that every thing is receding from everything else. As this happens in explosions, the Big Bang cosmological model came into effect. That the atoms and molecules of matter do not expand with the expansion of the "bang" is due to the strong, electromagnetic forces holding matter together against this explosion allowing for measuring sticks in the size of stars even the gravitational forces holding the galaxies together. The effective expansion force is very much weaker and thus the measuring sticks show a "big Bang".

It is interesting to read Hubbles biography. His observations coincided with the time General Relativity became dominant in the field of cosmology:

Starting with Albert Einstein’s 1917 paper “Kosmologische Betrachtungen zur Allgemeinen Relativitätstheorien” (“Cosmological Considerations on the General Theory of Relativity”), a number of physicists, mathematicians, and astronomers had applied general relativity to the large-scale properties of the universe. The redshift-distance relation established by Hubble and Humason was quickly meshed by various theoreticians with the general relativity-based theory of an expanding universe. The result was that by the mid-1930s the redshift-distance relationship was generally interpreted as a velocity-distance relationship such that the spectral shifts of the galaxies were a consequence of their motions. But Hubble throughout his career resisted the definite identification of the redshifts as velocity shifts.

The concept of four dimensional space time being directly connected with the masses and energy in the universe and all the variations of modelling the universe comes with General Relativity and its mathematics. The Big Bang model is a GR model and is the mainstream cosmological model at present. It models the redshifts as expansion of four dimensional space and is not falsified at present, as it is extended to fit any new observations.

I'm talking about statements made by physicists that "space itself" is expanding.

is that we have a General Relativity mathematical model that fits all the data and observations at present, including the redshifts, by the hypothesis that four dimensional space is expanding from an original four dimensional "region". The expansion is measurable because matter is held together much more strongly than the expansion rate.

This shows a two dimensional cut of the four dimensions, time being the x axis and space the y. It is a fit to the observations, including the Hubble velocity. The other two dimensions not shown have the curvature of space too. It is the mathematical equations that give these plots, and they depend on general relativity.