Domanda:
Perché l'espansione dello spazio non espande la materia?
SoulmanZ
2010-12-21 09:59:29 UTC
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Ho esaminato altre domande su questo sito (ad esempio "perché l'espansione dello spazio influisce sulla materia") ma non riesco a trovare la risposta che cerco.

Quindi ecco la mia domanda: una spesso sente parlare di spazio in espansione quando parliamo della velocità delle galassie rispetto alla nostra. Perché, se lo spazio si espande, anche la materia non si espande? Se un cerchio viene disegnato su un fumetto (piano 2d) e il fumetto si espande, anche il cerchio si espande. Se la materia è un oggetto con 3 dimensioni spaziali, allora quando queste 3 dimensioni si espandono, dovrebbe farlo anche l'oggetto.

Se così fosse, non vedremmo affatto l'universo in espansione, perché lo faremmo espandersi (spazialmente) con esso.

Ho alcune potenziali risposte per questo, che sollevano i loro problemi:

  1. Le particelle fondamentali sono 'di dimensioni puntuali' oggetti. Non possono espandersi perché non hanno una dimensione spaziale per cominciare. Il problema con questo è che mentre le particelle non si espandono, lo spazio tra di loro lo farebbe, portando a un punto in cui le 3 forze non gravitazionali non terrebbero più insieme la materia a causa della distanza

  2. Le particelle fondamentali sono raggomitolate in dimensioni aggiuntive secondo la teoria delle stringhe. Queste dimensioni non si espandono. Gli stessi problemi di 1, con l'ulteriore problema di essere un po 'insoddisfacenti.

  3. La risposta sembra essere (da Marek nella domanda precedente) che la forza gravitazionale è molto più debole rispetto alle altre forze che grandi (macro) oggetti si allontanano, ma piccoli (micro) oggetti rimangono insieme. Tuttavia, questa semplice spiegazione sembra implicare che l'espansione dello spazio sia una "forza" che può essere superata da una maggiore. Non mi suona bene.

Poiché espansione dello spazio significa espansione del campo, il campo dovuto alla materia è molto più espanso della materia stessa.
Landau Lifshitz ha mostrato come si conservano energia + energia gravitazionale.L'aumento della dimensione di un atomo aumenterebbe effettivamente la sua energia, mentre l'universo in espansione sembra prendere energia dal tensore dell'energia dello stress.Quindi, semmai, ci si potrebbe aspettare che un atomo si restringa di raggio man mano che l'universo cresce!haha
Non ne sono sicuro, sarebbe bello se qualcuno potesse correggermi, ma quando le persone dicono che l'universo si sta espandendo, non stanno dicendo che i confini dello spazio stanno aumentando?
@Adamawesome4 forse hai imparato da quando hai pubblicato il commento sopra, ma la mia comprensione, e la maggior parte sarà d'accordo, è che l'universo è illimitato e che l'espansione dello spazio si sta verificando ovunque.Altri potrebbero argomentare diversamente.È solo l'universo * osservabile * che è limitato.Limitato dalla velocità della luce e dalla nostra capacità di osservare i primi oggetti luminosi.
Come affermato, la domanda afferma una falsità e poi chiede perché è vero.Non è vero che l'espansione cosmologica non produce tensione sulla materia.È vero che la tensione è troppo piccola per essere misurata.
@marek "che la forza gravitazionale è molto più debole delle altre forze che gli oggetti grandi (macro) si allontanano, ma i piccoli (micro) oggetti rimangono insieme".questa deve essere una citazione errata perché è sbagliata nel contesto qui fornito, ma non viene fornito un collegamento alla questione sollevata.
Vedi https://physics.stackexchange.com/questions/70047/can-the-hubble-constant-be-measured-locally.
Un'estensione dell'analogia del pallone è immaginare un insetto sul pallone.Non crescerà come risultato del gonfiaggio del palloncino, anche se sentirà le sue gambe staccarsi (ma può quindi regolarle).
Anche se la materia fosse espansa dallo spazio, come potremmo renderci conto di come ne saremmo parte?
La tua ipotesi che le particelle fondamentali siano convenzionalmente considerate puntiformi potrebbe non essere corretta: la teoria di Einstein-Cartan, elaborata attraverso le conversazioni tra Einstein e il matematico Elie Cartan alla fine degli anni '20, presuppone uno spazio minuscolo (ma maggiore della lunghezza di Planck)estensione per i fermioni, ed è stata elaborata in seguito da Sciama e Kibble, in modo che sia attualmente nota come teoria ECSK.Secondo quanto riferito, più complessa dal punto di vista matematico rispetto al GR del 1915, questa teoria relativistica ha mancato il suo boom iniziale, ma è stata utilizzata da Nikodem J. Poplawski in diversi articoli cosmologici, 2009-2019.
@Barmar - Grazie, questa è un'analogia molto più chiara, poiché se dovessi dipingere un punto su un palloncino usando un pennarello, il punto si espanderebbe alla stessa velocità del palloncino.Il che è fonte di confusione.
Tredici risposte:
#1
+74
Marek
2010-12-22 06:24:44 UTC
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Parliamo prima del pallone perché fornisce un modello abbastanza buono per l'universo in espansione.

È vero che se disegni un grande cerchio, si espanderà rapidamente mentre soffi nel pallone. In realtà, la velocità apparente con cui due dei punti del cerchio in una distanza $ D $ si sposterebbero l'uno rispetto all'altro sarà $ v = H_0 D $ dove $ H_0 $ è la velocità di espansione del fumetto stesso. Questa semplice relazione è nota come legge di Hubble e $ H_0 $ è la famosa costante di Hubble . La morale di questa storia è che l'effetto di espansione dipende dalla distanza tra gli oggetti e in realtà è apparente solo per lo spazio-tempo sulle scale più grandi.

Tuttavia, questa è solo una parte del quadro completo perché anche su piccole distanze gli oggetti dovrebbero espandersi (solo più lentamente). Consideriamo per il momento le galassie. Secondo wikipedia, $ H_0 \ approx 70 \, {\ rm km \ cdot s ^ {- 1} \ cdot {Mpc} ^ {- 1}} $ quindi per la Via Lattea che ha un diametro di $ D \ approx 30 \, {\ rm kPc} $ questo darebbe $ v \ approx 2 \, {\ rm km \ cdot s ^ {- 1}} $ . Puoi vedere che l'effetto non è terribilmente grande, ma con un tempo sufficiente, la nostra galassia dovrebbe crescere. Ma non è così.

Per capire perché, dobbiamo ricordare che l'espansione dello spazio non è l'unica cosa importante che accade nel nostro universo. Ci sono altre forze come l'elettromagnetismo. Ma soprattutto, abbiamo dimenticato la buona vecchia gravità newtoniana che tiene insieme grandi oggetti massicci.

Vedete, quando vengono derivate le equazioni dell'espansione spazio-temporale, nulla di quanto sopra viene preso in considerazione perché tutto è trascurabile su scala macroscopica. Si presume che l'universo sia un fluido omogeneo in cui le particelle di fluido microscopiche hanno le dimensioni delle galassie (ci vuole un po 'di tempo per abituarsi a pensare che le galassie siano microscopiche). Quindi non dovrebbe sorprendere che questo modello non ci dica nulla sulla stabilità delle galassie; per non parlare di pianeti, case o tavoli. E viceversa, quando si studia la stabilità degli oggetti non è davvero necessario tenere conto dell'espansione spazio-temporale a meno che non si arrivi alla scala delle galassie e anche lì l'effetto non è così grande.

"dato abbastanza tempo, la nostra galassia dovrebbe crescere. Ma non è così" - fonte? E dopo, la tua risposta è (riformulata): "Con le ipotesi che abbiamo fatto per derivare l'espansione, abbiamo assunto che le galassie siano punti" - Quindi hai solo detto "la nostra derivazione non dice nulla sulle galassie di dimensioni finite", il che è interessante, ma la domanda posta da @SoulmanZ è senza risposta: Possiamo spiegare perché le galassie non si stanno espandendo? Vorrei una risposta anch'io.
@user3141592 Da una prospettiva energetica (pseudotensore gravitazionale landau lifshitz più energia tensoriale conservata), un universo in espansione sembra rimuovere energia dai sistemi locali (come l'onda em) da questa prospettiva, si può vedere che l'espansione di una galassia aumenta la sua energia, quindi unopotrebbe aspettarsi (controintuitivamente) piuttosto che una galassia sperimenterebbe una forza di contrazione interna.
@doublefelix Le galassie non si espandono perché sono tenute insieme da forze gravitazionali locali che non sono considerate nel semplice modello cosmologico.Questo è, infatti, contenuto nella risposta di Marek.
sei stato citato erroneamente nella domanda.
@doublefelix Per ulteriori informazioni sul motivo per cui le galassie non si stanno espandendo, vedere la mia risposta a questa domanda.
L'appello alla "buona vecchia gravità newtoniana" potrebbe essere frainteso come un suggerimento che in qualche modo la gravità newtoniana si trova in cima o in aggiunta agli effetti dello spaziotempo descritti da G.R.(Mi rendo conto che non intendi suggerirlo).
@Marek Quando ti riferisci alla "buona vecchia gravità newtoniana", ti riferisci alla gravità prevalente in quell'universo finito, che occupa parte di un vuoto infinito, che Newton ipotizzò prima del 1692-3, o all'universo statico infinito che egli ipotizzòsuccessivamente, dopo aver riconosciuto che quella versione precedente sarebbe crollata immediatamente?Come Guth spiega algebricamente a p. 295-297 nell'edizione del 1997.di "The Inflationary Universe", anche la seconda versione sarebbe crollata, quindi, dato il suo attuale tag di "cosmologia", la tua risposta non si applica a questa domanda.
#2
+30
FrankH
2012-09-17 03:17:14 UTC
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Se la domanda viene interpretata come perché gli atomi e altri sistemi legati non si espandono, la risposta è che l'espansione generale dello spazio non può fare un lavoro continuo contro la forza elettromagnetica che tiene insieme un atomo o qualsiasi altra forza che tiene un sistema legato insieme.

Tuttavia l'espansione accelerata dell'universo può esercitare una piccola forza negativa "costante" tra gli elettroni e il nucleo e rendere l'atomo leggermente più grande di quanto sarebbe stato in un universo in espansione senza accelerazione. Ma nell'attuale migliore teoria dell'energia oscura, che è un'energia del vuoto costante, questo effetto sarà costante e gli atomi si sono già espansi quanto avrebbero mai fatto.

Ci sono speculazioni teoriche di un accelerazione dell'espansione accelerata dell'universo in cui questo effetto aumenta con il tempo in modo tale che alla fine in modo esponenziale l'universo finisce in un grande strappo in cui gli atomi e infine i nuclei verrebbero fatti a pezzi.

Su un altro sito web, io ha risposto a una domanda sulla possibilità di estrarre energia dall'universo in espansione e questa è la risposta che ho scritto che penso sarà utile per comprendere questo problema:

L'universo si espande a 74 km / sec / Mpc (Mpc è un mega parsec che è 3,26 milioni di anni luce). Quindi prendiamo due oggetti pesanti e posizioniamoli lontano da qualsiasi ammasso di galassie o altre influenze e distanziamoli di solo un parsec (3,26 anni luce). Quindi si allontaneranno effettivamente a 7,4 cm / sec. Ora immagina che la tua fune di filamento monomolecolare tra gli oggetti eserciti una forza sugli oggetti che decelererà gli oggetti. Quindi durante il tempo in cui stanno decelerando puoi estrarre il lavoro dagli oggetti. Quel lavoro al secondo deriva dalla forza esercitata dalla fune applicata sui 7,4 cm / sec in cui gli oggetti si stanno allontanando. Tuttavia, una volta che la forza fa scendere la loro velocità relativa a 0, non lo sarai in grado di ottenere più energia dagli oggetti poiché non si stanno più allontanando. Ci sarà ancora una forza costante sulla tua corda, ma devi applicare una forza a una certa distanza per lavorare.

Ora tutto questo è dovuto solo all'espansione "Big Bang" dello spazio. Una volta che la forza della corda ha portato la loro velocità relativa a zero, i due oggetti sono come un sistema gravitazionale legato e smetterà di "espandersi". Tuttavia, oltre all'espansione "standard" dello spazio, ora sappiamo che c'è energia oscura che sta causando un'espansione accelerata dell'universo. Ciò significa che i due oggetti non si stanno solo "spostando" a una velocità costante di 7,4 cm / sec, ma che questa velocità aumenta con il tempo. Quindi, se si imposta la corda in modo tale che la forza che sta esercitando sugli oggetti si traduca in una decelerazione leggermente inferiore a questa accelerazione cosmica, è possibile estrarre il lavoro in modo continuo e indefinito. Sfortunatamente, non sono stato in grado di convertire le misurazioni dell'energia oscura in unità di accelerazione in questo caso particolare di oggetti a un parsec. Sospetto che sia un numero esiguo, ma le stime attuali dicono che è decisamente positivo. Nota che se la tua corda esercita una forza maggiore che causa una decelerazione maggiore dell'accelerazione cosmica, gli oggetti alla fine smetteranno di allontanarsi e il lavoro che puoi estrarre scenderà di nuovo a zero.

Nota che dal normale Con l'espansione dell'universo puoi estrarre solo una quantità totale finita di energia, ma con l'espansione accelerata puoi estrarre una piccola ma positiva quantità di energia al secondo per sempre. Tuttavia, la tua corda ha bisogno di allungarsi sempre di più con il tempo (al ritmo di 7,4 cm / sec, in questo esempio), quindi, come si suol dire TANSTAFL (non esiste un pranzo gratis). La corda deve allungarsi perché devi applicare la tua piccola forza agli oggetti in movimento continuo per portare a termine il lavoro. Da quel momento ci vorrà un'energia continua per creare una corda che si allunga continuamente e non puoi vincere questa battaglia iniziando con oggetti più distanti poiché la corda si sta allungando a una velocità ancora maggiore dei 7,4 cm / sec di questo esempio. Puoi aumentare l'energia al secondo che estrai rendendo gli oggetti più massicci, ma poi la forza sulla corda aumenta quindi devi creare una corda più spessa.

La linea di fondo è che penso che questa energia libera progetto è impraticabile, anche se teoricamente possibile. Il problema da risolvere è il costo energetico della corda che si allunga continuamente.

* Se la domanda viene interpretata come perché gli atomi e altri sistemi legati non si espandono, la risposta è che l'espansione generale dello spazio non può fare un lavoro continuo contro la forza elettromagnetica che tiene insieme un atomo o qualsiasi altra forza che tiene insieme un sistema legato.* Questo è sbagliato.Ad esempio, il sistema solare si espande a causa dell'espansione cosmologica, ma l'effetto è impercettibilmente piccolo.Vedi Cooperstock, Faraoni e Vollick, "L'influenza dell'espansione cosmologica sui sistemi locali", http://arxiv.org/abs/astro-ph/9803097v1
* Tuttavia l'espansione accelerata dell'universo può esercitare una piccola forza negativa "costante" tra gli elettroni e il nucleo e rendere l'atomo leggermente più grande di quanto sarebbe stato in un universo in espansione senza accelerazione. * Anche questo è sbagliato.La deformazione su un sistema legato è proporzionale a $ (d / dt) (\ ddot {a} / a) $, dove $ a (t) $ è il fattore di scala cosmologico.Questa quantità non è costante nei modelli realistici e può essere diversa da zero anche se la costante cosmologica è zero.Inoltre, svanisce in modo identico in una cosmologia che consiste solo di energia oscura (= costante cosmologica).
@BenCrowell Credo che la tua risposta non colga il punto principale.L'affermazione "il sistema solare si espande ... ma l'effetto è piccolo" sembra suggerire che possiamo applicare l'espansione cosmologica senza adattamento a cose come i sistemi solari.Questo, credo, è sbagliato (vedi la mia risposta a questa domanda).Questo non vuol dire che non ci sia alcuna influenza sul sistema solare, ma l'influenza è in competizione con la gravità del Sole e quest'ultima domina.
@Ben Crowell Quel documento (Cooperstock, Faraoni e Vollick, astro-ph / 9803097v1) è sbagliato.Un vuoto con geometria FLRW viola l'equazione di campo di Einstein.Assumendo la geometria FLRW alle scale del sistema solare, assumono implicitamente una distribuzione della materia FLRW uniforme a quella scala.L'effetto che calcolano è l'influenza gravitazionale locale di quella materia.Puoi persino usare la gravità newtoniana e ottenere la stessa risposta.Ma la questione non è effettivamente lì, quindi l'effetto non esiste effettivamente.
@Ben Crowell Anche il tuo secondo commento non è corretto.Su larga scala c'è una tensione che penso sia proporzionale a $ \ ddot a / a $ (non $ (d / dt) (\ ddot a / a) $).Di nuovo questa è solo la normale influenza gravitazionale della materia (+ energia oscura) effettivamente presente;non è un effetto "extra".Su piccola scala c'è una tensione proporzionale a Λ (l'energia oscura è presente a tutte le scale), più un po 'di pressione dall'auto-gravità, più gli effetti di marea della materia vicina, e basta.GR è una teoria della gravità, non di sfondi spazio-temporali fissi.
#3
+16
Lawrence B. Crowell
2011-01-24 02:05:12 UTC
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Questo è stato scritto per una domanda che si è chiusa durante la mia composizione di questo. La domanda è come influisce il CC sulla fisica atomica, di Ashton.

L'energia oscura ha l'equivalente massa-energia di un protone ogni 1-10 metri cubi. Questa è un'energia piuttosto diffusa. Un atomo è lungo una scala di $ 10 ^ {- 8} $ cm o ha un volume di circa $ 10 ^ {- 30} m ^ 3 $. Quindi circa quella proporzione del valore di energia di massa di un protone di energia oscura agisce su un atomo, o perturba i suoi livelli atomici. Questo è circa $ 10 ^ {- 21} $ Gev o $ 10 ^ {- 12} $ ev. È molto piccolo.

La tua domanda non è del tutto priva di merito. Alcune misurazioni atomiche molto sensibili ottengono suddivisioni del livello atomico entro $ 10 ^ {- 6} $ ev. Non lo dirò con certezza, ma queste persone di ottica quantistica atomica possono essere abbastanza intelligenti in panchina. Non è del tutto inimmaginabile che con stati compressi, stati compressi entangled di fotoni ed elettroni e così via questo possa essere misurato. Se c'è una risposta EM a causa di un livello che divide l'onda sarebbe intorno alla gamma sub-hertziana.

L'Hamiltoniana di interazione per la costante cosmologica sarebbe un potenziale oscillatore armonico invertito $ H_ {cc} ~ = ~ \ Lambda r ^ 2/3 $. Alcune analisi per evitare gli incroci di livelli e stati di energia e il resto potrebbe non essere una cosa irragionevole su cui lavorare.

Sebbene la risposta di Marek sia buona, non sta rispondendo alla domanda, anche se pone di per sé la stessa domanda, sostenendo: "Puoi vedere che l'effetto non è molto grande ma il tempo a disposizione, la nostra galassia dovrebbe crescere.Ma non è così. ”.Sento che non risponde a questo.D'altra parte, sento che questa risposta dà qualcosa: cioè che ci aspettiamo ancora che gli esperimenti si concludano.Forse, B. Crowell, se c'è un risultato del genere potresti per favore pubblicare un aggiornamento.Grazie.
@ConstantineBlack giusto commento;vedere la mia risposta.
#4
+8
oink
2014-12-28 11:17:58 UTC
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Rapida analogia divertente:

Se pensiamo all'espansione dello spazio come un foglio che si allunga, le particelle di materia si allontanano l'una dall'altra. Evviva, come spiegato più volte in precedenza.

Estendendolo al 3D, stiamo fondamentalmente allungando gli oggetti a una velocità molto bassa. 1.62038964 × 10 ^ -17 m / s / metro, per essere precisi. Pertanto, una persona tipica viene allungata a circa 3x10 ^ -17 metri al secondo. Non sono riuscito a trovare stime valide sulla costante elastica ideale del corpo umano, ma probabilmente verresti allungato entro 10 ordini di grandezza di 10 ^ -15 metri.

(A causa della forza elettromagnetica essendo così forte, la tua resistenza alla trazione è molto alta.)

Quindi, con l'espansione di Hubble sei circa lo 0,0000000000001% più alto. Congratulazioni!

quindi la densità della materia sta diminuendo?
esiste un'unità di misura che determina la densità di un oggetto indipendentemente dallo spazio.quindi metro direbbe ancora che sei n metri.ma come dici tu la persona è più alta dello 0,0000000000001%.Qualche unità che lo dimostrerebbe?
#5
+6
RogerJBarlow
2018-04-29 20:14:08 UTC
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Torniamo al fumetto in espansione, che è un'analogia molto sottile anche se manca di una dimensione.Supponiamo che ci sia una formica sulla superficie del palloncino.Col passare del tempo si renderà conto che le sue sei gambe si stanno allontanando ulteriormente.Quando inizia a sentirsi a disagio, li mescolerà per adattarsi.Se ci sono due formiche che parlano insieme, si allontaneranno, quindi torneranno l'una verso l'altra.Allo stesso modo gli elettroni negli atomi e gli atomi nei solidi verranno espansi ma torneranno insieme.

#6
+5
Brad Cooper - Purpose Nation
2015-05-03 08:59:06 UTC
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La mia comprensione della teoria attuale è che le galassie si stanno allontanando l'una dall'altra a un ritmo accelerato a causa della repulsione dell'energia oscura, creando un universo in espansione.

Tuttavia, all'interno delle galassie, la materia oscura mantiene il le galassie stesse insieme - così tanto che il bordo esterno della galassia ruota alla stessa velocità del bordo interno - il che significa che deve esserci un'enorme quantità di materia che tiene insieme le galassie stesse.

#7
+3
Andrew Steane
2018-11-16 05:24:05 UTC
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La risposta alla tua domanda, nel caso delle dimensioni di cose come i sistemi solari e le galassie, è contenuta in una semplice osservazione della Relatività Generale chiamata Teorema di Birkoff che spiegherò di seguito. Il risultato principale è che, in prima approssimazione, cose come i sistemi solari e le galassie non partecipano all'espansione cosmologica. Le galassie si allontanano l'una dall'altra mentre ognuna rimane approssimativamente di dimensioni fisse. Inoltre, la ragione di ciò, e il modo in cui si verifica, è perché lo spaziotempo locale attorno a oggetti isolati come le stelle è statico, cioè non in espansione, e quindi non c'è motivo per cui oggetti fisici situati in quello spaziotempo, come il pianeta La Terra e i tavoli, le sedie, gli atomi e così via dovrebbero avere un'inclinazione ad espandersi. Nell'analogia con il palloncino di gomma, la situazione è che la gomma del palloncino non si allunga affatto in prossimità di una data stella, ma tra queste toppe la gomma si sta allungando.

Non è troppo difficile abbozzare la matematica sottostante per quanto sopra, che il resto di questa risposta presenta brevemente.

Consideriamo un caso semplice per ottenere l'idea principale. Il caso semplice è il vuoto attorno a una distribuzione della materia sfericamente simmetrica. Questo dà la soluzione di Schwarzschild. Questa metrica di Schwarzschild è la formula per il modo in cui si comporta lo spaziotempo; a sua volta ci dice le possibili orbite dei pianeti e cose del genere. Il punto importante è che questa soluzione è unica, il che significa che la simmetria sferica è sufficiente per fissare la soluzione per la metrica dello spaziotempo in modo tale che l'unico parametro rimanente è la massa del corpo centrale. Questa importante osservazione è chiamata teorema di Birkoff . Ha alcune semplici conseguenze. Una conseguenza è che se il corpo al centro oscilla nella direzione puramente radiale pur mantenendo la sua forma sferica, non avviene alcun cambiamento nello spaziotempo esterno al corpo (nessuna onda gravitazionale). Un'altra conseguenza è che se la regione del vuoto sfericamente simmetrica è essa stessa un foro in un fluido sfericamente simmetrico più grande, lo spazio-tempo nella regione rimane invariato. E questo rimane vero anche se il fluido circostante si espande verso l'esterno. Questa è l'osservazione cruciale per noi.

Ora considera il sistema solare. Lo spaziotempo locale e la sua curvatura sono dominati dall'effetto del Sole. L'universo alla scala più grande è come un fluido continuo, ugualmente denso in tutte le direzioni. Man mano che quel fluido si espande, lo spaziotempo attorno al Sole rimane inalterato, quindi i pianeti seguono le stesse orbite agli stessi raggi, e inoltre ogni pianeta è situato in uno spaziotempo statico, che non si espande localmente.

Ovviamente la simmetria sferica non sarà perfetta, ma questo argomento fornisce la storia principale per i sistemi legati gravitazionalmente a scale fino a quelle in cui non è più possibile approssimare il contributo dominante alla gravità locale come proveniente da un corpo centrale con il vuoto intorno ad esso. Ignora anche la costante cosmologica.

L'espansione dello spazio non è un fatto inesorabile a cui nulla può resistere o opporsi, è piuttosto il risultato netto della gravitazione e delle condizioni iniziali alle scale più grandi.In una determinata regione locale, praticamente qualsiasi forza può impedire l'espansione a livello locale.

Non penso che tu abbia ragione.Ad esempio, la soluzione di Schwarzschild a GR è solo una soluzione all'equazione GR con costante cosmologica = 0. D'altra parte, la soluzione a GR per un universo vuoto con una costante cosmologica diversa da zero ha una metrica con un fattore di scala a(t) moltiplicando la parte spaziale che è una funzione esponenziale del tempo.La corretta soluzione di Schwarzschild con una costante cosmologica diversa da zero dovrebbe mostrare questo comportamento a grandi distanze dal buco nero, e quindi sarà anche diversa a tutte le distanze dal BH.
Grazie;Riconosco che la mia risposta ha tralasciato la costante cosmologica.Lo trovo ancora utile come esempio del fatto che la gravitazione locale può "vincere" in una competizione con effetti cosmologici, che sono il risultato netto delle condizioni iniziali e della distribuzione su larga scala.
Questa risposta è buona.Sarebbe più accurato utilizzare la [soluzione de Sitter – Schwarzschild] (https://en.wikipedia.org/wiki/De_Sitter–Schwarzschild_metric), ma la differenza è troppo piccola per essere rilevata localmente.Il punto chiave è che la geometria FLRW è solo il campo gravitazionale di una certa distribuzione di materia.A livello locale, la materia non è distribuita in questo modo e il campo è diverso.Il campo non "vuole" essere FLRW.Se rimuovi tutta la materia localmente, ottieni lo spazio de Sitter, e se puoi rimuovere anche l'energia oscura otterrai lo spazio Minkowski, indipendentemente dall'epoca.
Potrei essere ingenuo e apprezzerei le correzioni verbali, ma mi sembra che questa risposta abbia il miglior potenziale di corrispondenza con gli universi locali della cosmologia rimbalzante, in particolare se avrebbero una disposizione più o meno concentrica su scale decrescenti sequenzialmente.Poiché la prima analisi dei dati CMB per prendere in considerazione sistematicamente le lenti gravitazionali da parte delle galassie (descritta su https://arxiv.org/abs/1911.02087) sembra aver suggerito molto di recente che tali LU sarebbero state chiuse, Andrew Steane ha il mio votoQui.
#8
+2
Helder Velez
2012-01-02 17:59:38 UTC
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Per accettare che lo spazio si stia espandendo bisogna ammettere che il righello, fatto di atomi, è invariante, cioè ha sempre la stessa lunghezza, e nessuno ha fornito un argomento convincente a riguardo. L'espansione dello spazio si basa sulla convinzione che questo sia un dato di fatto: se gli atomi si espandono alla stessa velocità non siamo stati in grado di misurare alcuna espansione; se, al contrario, gli atomi si stanno restringendo nel tempo, possiamo misurare un'espansione spaziale senza di fatto accade allo spazio. Non so perché lo spazio si stia espandendo tranne che lo misuriamo. La materia potrebbe contrarsi perché i campi gravitoelettrici hanno energia che si sta espandendo e sono originati dalle particelle da quando la materia è nata e, ovviamente, non siamo in grado di misurare questo fatto in laboratorio. Un modello discusso, fuori dal mondo accademico, un- sottoposto a revisione paritaria, è "Un modello auto-simile dell'Universo svela la natura dell'energia oscura" che non necessita di energia oscura, inflazione, ecc.

Concludendo: per la domanda `` Perché l'espansione dello spazio non espande la materia? '': se la materia si espandesse alla stessa velocità nessuno sarebbe in grado di misurare alcuna variazione.L'atto di misurazione è ottenere un rapporto tra due quantità e sia il numeratore che il denominatore ( standard) può cambiare per ottenere un valore misurato specifico. Ma lo standard si basa sulle proprietà 'atom' (nel primo collegamento e in questo recente La base fisica delle unità naturali e delle costanti veramente fondamentali) che presumiamo invariabili.

Entrambi i link forniscono un interno sulle unità, ma il primo link è molto più interessante perché fornisce una panoramica sulla logica dell'atto di misurazione.


EDIT add: Misurazione sperimentale dei modelli di crescita sui coralli fossili: variazione secolare nelle antiche distanze Terra-Sole di Weijia Zhang, 2010 (dietro paywall)

I risultati sperimentali indicano un'espansione speciale con un coefficiente di espansione medio di $ 0,57H_0 $

Aumento secolare dell'unità astronomica dall'analisi dei movimenti dei principali pianeti e sua interpretazione da GA Krasinsky, 2004 (dietro paywall )

misurato $ \ fraq {dAU, dt} = 15 \ pm 4 m / cy .. attualmente non c'è una spiegazione soddisfacente dell'aumento secolare rilevato di AU

- non peer review da Weijia pdf di "Un test del suggerimento di un'orbita terrestre eternamente costante sia in fanerozoico che criptozoico da osservazioni astronomiche e ritmi geologici" (su http://www.paper.edu.cn)

L'autore ha esaminato tutti gli sviluppi nella ricerca sul sistema lunare e nella paleontologia dal 1963, ha trovato tre contraddizioni tra diversi metodi: ... Ciò significa che l'antica Terra è più vicina al Sole. .. Il periodo di rivoluzione della Terra è in aumento, registrato dalla NASA. Il semiasse maggiore della Terra è in aumento, registrato da JPL.

a pagina 13 troviamo una tabella con i valori misurati di lunghezza di un anno siderale (in aumento) dopo il 1900.

La distanza crescente è dedotta nel modello presentato, come si vede all'eq. 35), pag 10 del documento preliminare del 2002 (arxiv) di Alfredo Oliveira
Una variazione temporale relativistica della materia / spazio si adatta sia ai dati locali che a quelli cosmici

Quindi, alla domanda "Perché l'espansione dello spazio non espande la materia?"
la risposta è perché "l'espansione dello spazio è il risultato dell'evanescenza della materia", cioè la materia si sta restringendo.

Come esercizio: immagina di trovarti al centro di una stanza e inizi a vedere le pareti che si allontanano da te. Al risveglio di quel sogno, o allucinazione se sei drogato, come lo descriveresti? :
Mi stavo rimpicciolendo, come faceva naturalmente Alice nel Paese delle Meraviglie, o che la casa si stesse ingrandendo.

Voterò a favore poiché questo post cerca di rispondere alla domanda, in contrasto con altre risposte qui.Inoltre, voterò a favore perché nessuno sta spiegando i voti negativi.
#9
+2
SigSeg
2017-10-13 05:05:54 UTC
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Sono un non fisico che usa il ragionamento cognitivo non matematico, quindi mi piacciono le risposte non fisico perché hanno più senso.

Hai due barche, una a 20 piedi dalla costa e una a 100 piedi dalla costa.La barca più vicina alla riva viene trascinata a riva da grandi onde.La barca a 30 metri di distanza viene allontanata dalla riva a causa della corrente dell'oceano.

Pensa all'oceano come allo spazio e alle barche come alle galassie.Poiché i due fluttuano liberamente, nel tempo la loro distanza aumenterà ulteriormente.

Ora, lega le due barche insieme tramite una corda.Pensa alla corda come alla gravità.

Ora, a meno che la corrente e le onde non diventino abbastanza forti da spezzare la corda, non si separeranno mai.

Poiché lo spazio non si limita a espandersi, ma si espande a una velocità sempre maggiore;alla fine, in trilioni di anni, accelererà più velocemente di quanto le forze deboli, forti, elettromagnetiche e gravitazionali possano contrastare e si allontaneranno.

Questo è un po 'offensivo per i fisici, non è vero?
#10
+1
bright magus
2014-05-07 14:14:06 UTC
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Bene, secondo la risposta data a questa domanda: A quale punto dell'universo $ R _ {\ mu \ nu} = 0 $ se c'è una sorgente di gravitazione (massa puntiforme), l'espansione dell'universo si riferisce in realtà all'espansione della materia:

"Quindi le equazioni di Einstein nel vuoto significano esattamente questo: che $ G _ {\ mu \ nu} = 8 \ pi T _ {\ mu \ nu} = 0 $ in una regione senza energia di massa. Questo è ben lungi dal dire che non c'è gravità, proprio come sarebbe sciocco dire che non c'è campo elettrico all'esterno di una palla carica. "

Quindi, se questo è vero che l'equazione di Einstein:

$$ R _ {\ mu \ nu} - \ frac {1} {2} g _ {\ mu \ nu} R + g _ {\ mu \ nu} \ Lambda = \ frac {8 \ pi G} {c ^ 4} T _ {\ mu \ nu} $$

(se non nullo) è limitato alla sola materia (perché se $ T _ {\ mu \ nu} = 0 $ quindi anche il lato sinistro dell'equazione scompare) e poiché contiene la costante cosmologica $ \ Lambda $, la conclusione logica è che la materia deve espandersi.

Riassumendo: l'equazione di Einstein del vuoto richiede che (1) l'universo unde La considerazione deve sempre essere completamente priva di materia, o (2) la materia si sta espandendo (o (3) l'equazione di Einstein è sbagliata). Poiché (1) è considerato non vero e (3) non è rivendicato dalla fisica tradizionale, ci resta solo (2), ovvero la materia si sta espandendo.

P.S. Puoi anche formularla diversamente: la gravità ($ T _ {\ mu \ nu} \ neq0 $) è la fonte dell'espansione dell'universo all'interno della materia.

EDIT: Dovrebbe essere ovvio che $ \ Lambda $ è non solo una forza che può essere superata (e quindi non apparente). È sul lato dell'equazione che mostra la curvatura effettiva.

EDIT2: Come ho scritto altrove, la (possibile) espansione manterrebbe i valori relativi (di varie " costanti, costante di planck, massa elettronica, velocità della luce, carica elementare e permitività dello spazio libero" ) intatto. È come con la dilatazione del tempo e la contrazione della lunghezza in SR - per il fotogramma in movimento non cambia nulla e l'osservatore locale non se ne accorge. La differenza è qui che anche l'osservatore esterno non se ne accorgerebbe, perché il cambiamento avverrebbe ovunque, nello stesso momento e con uguale accelerazione.

#11
+1
Sushant23
2014-11-05 03:57:24 UTC
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La risposta a questa domanda è solo attraverso la comprensione e non la prova. Se l'Universo si sta espandendo, allora dico di sì, a questo si sta espandendo anche la Materia. La spiegazione per questo è che tutta la Materia è un mezzo in espansione, anche la scala per misurare la Materia è in espansione. Considera un piccolo esempio: un blocco di legno rettangolare si sta espandendo, misura le dimensioni iniziali del blocco, diciamo che sono x, y, z dopo l'espansione del solo blocco di legno, misura di nuovo, quindi è x + a, y + b, z + c. Ma cosa succede se anche la scala si espande alla stessa velocità del blocco di legno, misurala ogni volta che otterrai le sue dimensioni solo come x, y, z e non x + a, y + b, z + c. Tornando alla realtà, la stessa cosa sta accadendo nell'Universo. cioè l'universo si sta espandendo insieme ad esso anche tutto il resto si sta espandendo. L'unica cosa è che non possiamo notare le piccole cose. Possiamo notare cose più grandi come galassie, pianeti, stelle ecc.

In "Annie Hall" di Woody Allen questa domanda viene fuori;la risposta?"Brooklyn non si sta espandendo!"La ragione è che è lo spaziotempo che si sta espandendo;gli oggetti che hanno qualsiasi tipo di energia di legame sono tenuti insieme dalle forze.I fotoni si espandono, così le onde sonore cosmiche.Ma Brooklyn è tenuta insieme dall'amore materno.Guarda la scena su https://www.youtube.com/watch?v=5U1-OmAICpU
[email protected] e Sushant23.Ma perché Brooklyn no?Se sulla piccola scala siamo d'accordo sulla risposta pubblicata, che non possiamo vedere l'espansione poiché tutto si sta espandendo, allora perché vederla su grande scala?È perché si espande più velocemente su grandi scale ma su piccole la velocità è la stessa per tutti gli oggetti?Grazie.
@ConstantineBlack: l'espansione è equivalente a una forza molto debole - le forze di legame locali la sopraffanno sempre: atomi, molecole, persone (ad esempio, non una scusa valida per il punto vita!), Pianeti, sistemi solari e galassie.Ma puoi vederlo su distanze molto grandi, quindi lo spostamento verso il rosso dovuto all'espansione cosmica è un buon proxy per la distanza, sebbene vengano utilizzati altri proxy per impostare la scala della distanza.Vedi [Legge di Hubble] (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/hubble.html)
@PeterDiehr Grazie per la rapida risposta.Trovo concettualmente sbagliato ammettere che l'espansione è una forza tale che puoi usare un'equazione come quella di Newton o qualsiasi argomento che almeno dica che: la forza totale sull'oggetto è espansione + altre_forze in modo che il risultato su piccole scale non sia espansione.È più ragionevole dire che gli esperimenti dicono questo o quello o quello su piccola scala, il tasso di espansione è lo stesso per tutti gli oggetti (anche all'interno della galassia ??) in modo che non lo osserviamo.Sto perdendo qualcosa qui?Grazie.
@ConstantineBlack: fa di questa una nuova domanda e forniremo una risposta che si spera sia corretta a tutti i livelli.
@PeterDiehr l'ha fatto: http://physics.stackexchange.com/questions/258479/on-the-expansion-of-space-on-small-distances
No, tutto (materia ordinaria, misurini, ecc.) Non si espande.L'espansione cosmologica significa che se, un anno, potessi inserire bastoncini da $ x $ metri (fatti di acciaio o legno o altro) tra due ammassi di galassie dati, allora dopo che è trascorso un anno, ora puoi inserire $ y $ metro-stick tra di loro, dove $ y> x $.
Penso che la confusione qui sia che si tratti di "espansione" o "repulsione".Se respinge, allora dove altre forze più forti della forza respingente, manterranno insieme la materia.Se si sta espandendo, la scala si sta espandendo con esso.Le cose stanno diventando più grandi.Ma poi non mi spiega perché le cose stanno andando oltre.Se tutto si espande insieme la distanza dovrebbe rimanere la stessa, è come se ridimensionassi il diagramma a 10x.A meno che le cose non si espandano a velocità diverse.Inoltre, se le forze non aumentano con l'espansione, la gravità dovrebbe indebolirsi nel tempo anche se la densità è la stessa quantità di massa.
#12
+1
benrg
2019-10-01 12:59:40 UTC
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Non esiste il concetto di "espansione dello spazio" nella relatività generale

Molte risposte su questo sito dicono che c'è una differenza fondamentale tra l'espansione cosmologica, che è dovuta all'espansione dello spazio tra oggetti, e l'espansione ordinaria, che è dovuta al movimento relativo di oggetti.

Quello che non troverai mai in nessuna di queste risposte è alcun criterio matematico che potresti usare per distinguere tra i due casi, come un campo tensore diverso da zero quando lo spazio si espande e zero quando gli oggetti si stanno semplicemente allontanando l'un l'altro. Questo perché nessuna cosa del genere può essere definita in GR. Nella misura in cui sembra esserci una differenza, è un artefatto della scelta delle coordinate.

(Le persone spesso dubitano che l'espansione "superluminale" possa essere spiegata dal movimento relativo ordinario, che può essere parte della ragione della convinzione nell'espansione dello spazio. Ma può essere ed è. Ho appena scritto su questo in un'altra risposta.)

Il risultato è che l'effetto dell'espansione su larga scala dell'universo sulla fisica locale non è altro che l'effetto gravitazionale di oggetti distanti che si allontanano da te. Questo può consistere solo in un'accelerazione complessiva in una direzione particolare e in una forza di marea, entrambe medie quasi a zero quando la materia è lontana e quasi uniformemente distribuita. È dimostrato che non può includere un componente che agisca per espandere un oggetto in tutte le direzioni o comprimerlo in tutte le direzioni; che può venire solo da questioni locali. (Questo vale anche per la gravità newtoniana, dove è una conseguenza della legge di Gauss.)

Il pallone in espansione è un modello eccellente di ciò che molte persone pensano che GR dice sulla cosmologia. È un cattivo modello di ciò che GR in realtà dice sulla cosmologia.

L'energia oscura ha un effetto di allungamento locale, ma non fa espandere continuamente gli oggetti

Secondo il modello cosmologico attualmente preferito, l'energia oscura esercita una forza simmetrica verso l'esterno sugli oggetti a tutte le scale. Ciò non è dovuto a qualche effetto dall'alto verso il basso dell'espansione cosmologica, ma semplicemente perché è presente a tutte le scale. A differenza della materia ordinaria, non si accumula: è distribuita uniformemente ovunque, anche all'interno di atomi e protoni.

Quindi c'è una forza di espansione dell'energia oscura che agisce su di te. Ma gli oggetti solidi non crescono o si restringono continuamente sotto l'applicazione di una forza di espansione / compressione, a meno che non sia abbastanza forte da romperli o comprimerli in un buco nero. Ad esempio, l'aria sta premendo su di te in tutte le direzioni in questo momento. Questo ti rende leggermente più piccolo di quanto saresti nel vuoto, ma non ti riduce a un punto nel tempo. Allo stesso modo, se le persone cercano di tirare le tue braccia in direzioni opposte, ti allargherai leggermente, ma non ti espanderai continuamente. Ti espandi finché la forza di ripristino della tua elasticità interna non bilancia la forza esercitata sulle tue braccia, quindi smetti di espandersi.

L'auto-gravità (l'attrazione gravitazionale di ogni parte del tuo corpo verso ogni altra parte) è un'altra forza di compressione che agisce su di te. Sebbene sia molto piccolo, è circa $ 10 ^ {27} $ volte più grande della forza di espansione dell'energia oscura, se calcolato correttamente. Quindi, anche considerando solo gli effetti gravitazionali, non esiste una forza di espansione netta . È presente, tuttavia, in teoria.

#13
-1
Rick
2019-03-20 02:48:57 UTC
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Risposta breve: al momento attuale, non c'è abbastanza energia oscura nell'universo per influenzare la distanza tra le particelle. Tuttavia, potrebbe non essere sempre così ...

Un documento interessante è stato presentato nel 2003 da Robert Caldwell del Dartmouth College e dal suo team, sulla teoria del Big Rip.

Un universo dominato dall'energia fantasma è un universo in accelerazione, in espansione a una velocità sempre maggiore. Tuttavia, ciò implica che le dimensioni dell'universo osservabile si riducono continuamente; la distanza dal bordo dell'universo osservabile che si sta allontanando alla velocità della luce da qualsiasi punto si avvicina sempre di più. Quando la dimensione dell'universo osservabile diventa più piccola di qualsiasi struttura particolare, nessuna interazione di nessuna delle forze fondamentali può avvenire tra le parti più remote della struttura. Quando queste interazioni diventano impossibili, la struttura viene "lacerata". Il modello implica che dopo un tempo finito ci sarà una singolarità finale, chiamata "Big Rip", in cui tutte le distanze divergono a valori infiniti.

$$ t_ {rip} -t_0 \ approx {2 \ over3 | 1 + w | H_0 \ sqrt {1- \ Omega_m}} $$

Nel loro articolo, gli autori considerano un esempio ipotetico con $ w $ = −1.5, $ H_0 $ span> (costante di Hubble) = 70 km / s / Mpc e $ \ Omega_m $ (densità della materia nell'universo) = 0,3

Usando queste cifre nei loro calcoli, stimano che tra 21,94 miliardi di anni da oggi, la forza di gravità cesserà di tenere insieme le galassie.

59,1 anni dopo i sistemi solari cesseranno di essere tenuti insieme dalla gravità.

Quindi forse giorni o ore prima del grande squarcio, i pianeti e la materia si rompono e alla fine, al grande squarcio, le particelle subatomiche verrebbero lacerate.

Si discute di quale sia il valore di w. L'evidenza indica che w è molto vicino a −1 nel nostro universo, il che rende w il termine dominante nell'equazione. Più w è vicino a −1, più il denominatore è vicino a zero e più lontano sarà il Big Rip in futuro. Se w fosse esattamente uguale a −1, il Big Rip non potrebbe verificarsi, indipendentemente dai valori di $ H_0 $ o $ \ Omega_m $ .

Secondo gli ultimi dati cosmologici disponibili, le incertezze sono ancora troppo grandi per discriminare tra i tre casi w < −1, w = −1 ew> −1. ("WMAP 9 Year Mission Results". Wmap.gsfc.nasa.gov.) & (Allen, SW; Rapetti, DA; Schmidt, RW; Ebeling, H .; Morris, RG; Fabian, AC (2008). " vincoli sull'energia oscura dalle osservazioni a raggi X di Chandra dei più grandi ammassi di galassie rilassate ". Comunicazioni mensili della Royal Astronomical Society.)

Se la carta si dimostra vera, l'universo durerà solo altri 22 miliardi di anni circa ... Dovremo aspettare per vedere.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 2.0 con cui è distribuito.
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