Ілюстрацыя моцна выгнутага касмічнага часу. Крэдыт малюнка: фота ў адкрытым доступе карыстальніка Pixabay JohnsonMartin.

Спытайце ў Ітана: Ці існуюць розныя тыпы прасторы і часу?

Калі ўсё адносна, як кажа Эйнштэйн, то як касмолагі вымяраюць гэтыя колькасці такім чынам, каб усе маглі пагадзіцца?

"Чалавек - гэта частка цэлага, званая намі Сусвет, частка, абмежаваная ў часе і прасторы. Ён перажывае сябе, свае думкі і пачуцці, як нешта, што аддзяляе ад астатніх своеасаблівую аптычную зман яго свядомасці. Гэта зман для нас - гэта нейкая турма, якая абмяжоўвае нашы асабістыя жаданні і прыхільнасць да некалькіх бліжэйшых нам асобаў. Нашай задачай павінна быць вызваленне сябе з гэтай турмы, пашырэнне нашага круга спагады, каб прыняць усе жывыя істоты і ўсю прыроду ў яе прыгажосці ". -Альберт Эйнштэйн

Адзін з самых контрінтуітыўных заняткаў адноснасці Эйнштэйна - гэта тое, што няма такога абсалютнага прасторы і абсалютнага часу. Калі я спытаю вас, калі і дзе вы знаходзіцеся, вы можаце сказаць мне; але калі вы і я едзем у далёкія месцы, і я прашу вас, калі і дзе вы мяне ўспрымаеце, тое, што вы адказваеце і на што я адказваю, не абавязкова супадаюць. Як высвятляецца, не існуе агульнапрынятага спосабу вызначэння часу і прасторы (або адлегласці) для любога месца, акрамя вашага ў агульным адноснасці. У выніку ў нас ёсць некалькі спосабаў вызначэння гэтых рэчаў, і гэта тое, што прыхільнік Патрэона Томас Сола хоча ведаць пра:

Я хацеў бы паглядзець ваша тлумачэнне канчатковага часу і адлегласці да вытрымкі ... што яны такое, калі і як яны выкарыстоўваюцца ў параўнанні з размоўным часам і адлегласцю.

Калі мы выкарыстоўваем у паўсядзённым мове такія паняцці, як "час" і "адлегласць", існуе мноства здагадак, пра якія рэдка мы думаем.

Кластар галактык SDSS J1004 + 4112. Вызначыць адлегласць да гэтага аб'екта не так проста. Малюнак: ESA, NASA, К. Шарон (Універсітэт Тэль-Авіва) і Э. Офэк (Caltech).

Калі вы думаеце, што можаце сказаць мне, што я знаходжуся ў 10:05, і я размяшчаюся ў 2400 метрах ад вас, вы не можаце ўсвядоміць, чаму вы думаеце, што вы можаце мне гэта сказаць. Вы мяркуеце, што ваш гадзіннік і мой гадзіннік працуюць з аднолькавай хуткасцю, што яны ўзніклі ў агульнай кропцы, дзе мы дамовіліся, што азначае час, і што, калі мы зноў узвядзём гэтыя дзве гадзіны, яны зноў згодныя. Даволі проста, праўда?

За выключэннем гэтага адбываецца толькі ў тым выпадку, калі праўдзівыя дзве важныя рэчы:

  1. Нішто не рухаецца адносна нічога іншага. Калі якія-небудзь дзве рэчы набываюць адносную хуткасць адносна адной, яны адчуваюць цягам часу (і іх успрыманне адлегласці) па-рознаму адзін ад аднаго. Нестабільныя часціцы, якія рухаюцца блізка да хуткасці святла, падобна, жывуць даўжэй з-за паскарэння часу, і касманаўты, якія знаходзяцца на борце МКС, у хуткім руху вакол Зямлі, старэюць з нязначнай (але прыкметна) хуткасцю руху ад нерухомых людзей на Зямлі. І ...
  2. Космас цалкам плоскі, якога ніколі не бывае. У нашай Сусвеце нам кіруе агульная адноснасць, якая кажа нам, што наяўнасць матэрыі і энергіі азначае, што прастора выгнута, і што гадзіны працуюць з рознай хуткасцю ў залежнасці ад таго, на якой глыбіні гравітацыйнае поле яны знаходзяцца. Гадзіны у верхняй частцы будынка Эмпайр Стэйт будзе працаваць на некалькі мікрасекунд павольней кожны год, чым унізе.
Крывізна прасторы азначае, што гадзіны, якія знаходзяцца глыбей у гравітацыйным калодзежы - а значыць, і ў больш моцна выгнутым прасторы - працуюць з іншай хуткасцю, чым тыя, што ў меншай і менш выгнутай частцы прасторы. Малюнак: НАСА.

Што тычыцца адлегласцяў, то тыя ж абмежаванні справядлівыя: рух і скрыўленне прасторы робяць немагчымым для назіральнікаў у розных месцах абавязкова ўзгадняць універсальны стандарт адлегласці. Але ёсць нешта дадатковае, калі мы паглядзім на сапраўды вялікія адлегласці: той факт, што тканіна самой Сусвету - космас - пашыраецца ў касмічным маштабе. Больш нельга казаць пра адлегласць паміж галактыкамі, як пра рэчы, якія мы можам вымераць узгодненым кіраўніком, паколькі прастора паміж гэтымі галактыкамі пашыраецца з цягам часу. Гэта выклікае ў нас непрыемнасці, калі мы гаворым, напрыклад, пра вымярэнне самай далёкай галактыкі ў Сусвеце.

Хаббл спектраскапічна пацвярджае самую далёкую галактыку на сённяшні дзень, з чырвоным зрухам 11,1. Малюнкі: NASA, ESA і A. Feild (STScI).

Сучасны касмічны рэкардсмен знаходзіцца на чырвоным зруху 11,1, а гэта азначае, што - за 13,8 мільярда гадоў з часу Вялікага выбуху - яго святло дайшло да нас толькі пасля падарожжа на 13,4 мільярда тых гадоў. Але наколькі далёкая гэтая галактыка? Вы можаце падумаць, зыходзячы з часу святла, што гэта 13,4 мільярда светлавых гадоў, але гэта наўрад ці справядліва. У той час, калі святло, якое дасягае нам зараз, выпраменьвала, што галактыка была менш за два мільярды светлавых гадоў ад нас. Дзякуючы пашырэнню Сусвету, выкарыстоўваючы нашы звычайныя нормы вымярэння, гэтая галактыка знаходзіцца на адлегласці каля 32 мільярдаў светлавых гадоў. Універсальны стандарт дыстанцыі цяжка вызначыць у развіваецца Сусвеце, дзе адлегласці змяняюцца з цягам часу.

Стандартныя свечкі і стандартныя лінейкі - гэта два дадатковыя - але прынцыпова розныя - спосабы вымярэння адлегласці ў Сусвеце. Малюнак: NASA / JPL-Caltech.

Такім чынам, адна з рэчаў, якія мы ўводзім, каб вырашыць пытанне Томаса, - гэта паняцце розных тыпаў дыстанцый. У прыватнасці, той, пра каго ён пытаецца - адлегласць праходжання бою - адзін з маіх любімых: ён проста прызнае, што адлегласці ў Сусвеце змяняюцца з-за пашырэння Хабла, і таму ён маштабуе пашырэнне. Гэта неверагодна карысна, калі мы робім мадэляванне таго, як у Сусвеце ўтвараюцца структуры, такія як зоркі, галактыкі і навалы. Вядома, гравітацыя працуе, але Сусвет пашыраецца і ўвесь час. Ведаючы, як маштабаваць адлегласці да пашырэння (г.зн., выкарыстоўваючы разборныя адлегласці), мы бачым, як развіваецца буйнамаштабная структура Сусвету. Візуальна гэта дае нам значна больш цікавы спосаб паглядзець на рэчы, чым назіраць за пашырэннем Сусвету і спрабаваць выбраць структуру структуры сярод пашыраецца Сусвету.

А паколькі прастора і час непарыўна звязаны з адзінай канцэпцыяй - прасторай і часам - гэта абавязкова дакладна, што нам трэба новае паняцце часу, каб адпавядаць кожнай індывідуальнай канцэпцыі адлегласці, якую мы прыдумляем. Фактычна адставанне часу адступлення - гэта фактычны час. Калі б вы магічна (і гэта было б магічным актам) "замарозілі" пашырэнне Сусвету, усюды, імгненна, адпаведны час адпавядае таму, колькі часу спатрэбіцца прамянёў святла, каб падабрацца з аднаго месца непасрэдна да вас.

Для самай далёкай галактыкі ў Сусвеце гэта адпавядае часу 32 мільярды гадоў. Для ўспрыманага месца гарачага Вялікага выбуху, гэта адпавядае пэўнаму часу ў 46 мільярдаў гадоў. Гэта сапраўды так, нават калі прайшло толькі 400 мільёнаў гадоў паміж Вялікім выбухам і выпраменьваннем святла з той далёкай галактыкі; пашырэнне прасторы было настолькі імклівым - і гэтыя адрозненні распаўсюджваюцца і сёння - так што розніца ў 14 мільярдаў гадоў у канформны час адпавядае "правільнаму часу" (таму мы звычайна прысвойваем значэнне "час") усяго 400 мільёнаў гадоў.

Гісторыя пашырэння Сусвету, у тым ліку і тое, з чаго ён складаецца ў цяперашні час. Крэдыт на малюнак: супрацоўніцтва ESA і Планка (галоўнае), з мадыфікацыямі Э. Зігеля; NASA / wikimedia commons user 老陳 (устаўка).

Калі вы кажаце пра рэчы, якія знаходзяцца тут, на Зямлі, і нішто не рухаецца блізка да хуткасці святла альбо вельмі моцна змяняецца ў яго гравітацыйным полі, усе розныя тыпы "адлегласці" і "часу", якія вы можаце выкарыстоўваць, амаль аднолькавыя. Але калі вы кажаце пра пашырэнне Сусвету ў вялікім, касмічным маштабе, належная адлегласць і належны час могуць апынуцца не такімі карыснымі (ці цікавымі) для таго, каб думаць пра тое, як пераадолець адлегласць і адпавядаць часу. У наступны раз, калі вы ўбачыце мадэляванне Сусвету, і заўважыце, што ён, здаецца, не пашыраецца, памятайце, што гэта таму, што для мадэлявання выкарыстоўваецца адлегласць для пераадолення, хаця яна таксама можа выкарыстоўваць належны час.

І калі вы пачуеце размову пра звышдалёкі аб'ект, якому адведзена адлегласць менш за 14 мільярдаў светлавых гадоў, майце на ўвазе, што гэта, верагодна, таксама выкарыстанне дыстанцыі для выгібу. На думку нашых звычайных правільных кіраўнікоў, гэта, верагодна, значна далей!

Дасылайце свае пытанні Ітана да startwithabang на gmail dot com!

Гэтая публікацыя ўпершыню з'явілася ў Forbes і прадастаўляецца вам прыхільнікамі Patreon без рэкламы. Каментуйце наш форум і купіце нашу першую кнігу: Beyond The Galaxy!