Fragen Sie Ethan Nr. 61: Wie weit kommt die Schwerkraft?
Trotz des Rufs der Macht mit einem unendlichen Handlungsspielraum unterliegt die reale Situation im Universum Einschränkungen.
In meinen Träumen und Visionen sehe ich eine Linie, auf deren anderer Seite sich grüne Felder, schöne Blumen und schöne weiße Damen befinden, die mir durch diese Linie die Hände reichen, aber ich kann sie nicht erreichen. Ich falle immer, bevor ich zur Linie komme.
- Harriet Tabmen
Und wieder das Ende der Woche, was bedeutet, dass ich Fragen aus den von Ihnen gesendeten auswähle. Einer meiner Leser, der meine Veröffentlichungen seit 2008 verfolgt, als ich diesen Blog startete, Frank Barge, fragt:Wenn das Universum nicht unendlich ist, was ist dann mit dem Bereich der Gravitations- und elektromagnetischen Kräfte?Eine sehr schwierige Frage, wenn Sie darüber nachdenken. Schauen wir uns zunächst an, was wir über Schwerkraft und Elektromagnetismus wissen.
Wir betrachten nicht die Größe der Kräfte oder die Art der Anziehung / Abstoßung, sondern die Tatsache, dass sich diese Kräfte bei großen Entfernungen gemäß dem Gesetz des umgekehrten Quadrats ändern, dh wenn der Abstand zwischen zwei Objekten verdoppelt wird, verringert sich die Kraft ihrer Wechselwirkung um das Vierfache. Dies ist eine besondere Beziehung, der nicht nur die Schwerkraft und der Elektromagnetismus gehorchen, sondern auch andere wichtige physikalische Eigenschaften - wie Licht, Schall und Strahlung.Warum ist es so besonders? Überlegen Sie, wie sich die physikalischen Eigenschaften - beispielsweise das Sternenlicht - ausbreiten, wenn Sie sich weiter von der Quelle entfernen.
Sie breiten sich radial nach außen aus und bilden eine Kugel. Daher breitet sich der Impuls - beispielsweise des gleichen Lichts - in einer sich ständig ausdehnenden Kugelschale aus. Was ist das Besondere daran? Tatsache ist, dass die Oberfläche der Kugel durch die Formel A = 4πr 2 betrachtet wird , wobei das „r 2 “ ein wichtiger Teil ist .Immerhin, wenn sich die Fläche als r 2 ausdehnt und die Kraft als r -2 abfälltdann wird das physikalische Phänomen einen unendlichen Umfang haben. Wir können eine Kugel jeder Größe mit dem Zentrum im Objekt zeichnen - eine Schwerkraftquelle (Masse), eine Elektrizitätsquelle (Ladung), eine Lichtquelle (Stern) usw. - und die Gesamtmenge einer bestimmten Substanz, die an der Wechselwirkung auf der Oberfläche der Kugel beteiligt ist, sei es eine Kraft oder ein Strom, ist gleich, wenn wir alle Teile der Kugel zusammenfassen. Dies gilt nicht nur für die gesamte Kugel, sondern auch für jeden Raumwinkel!
Dies ist gemeint mit der unendlichen Reichweite der Kraft.Aber das Universum - zumindest der sichtbare Teil, der uns zugänglich ist - ist überhaupt nicht unendlich. Im Gegenteil, trotz der Tatsache, dass wir Licht von Milliarden von Galaxien sehen, ist dies keine so große Zahl. Die Aussicht ist wunderschön und erstaunlich (im Ernst, nehmen Sie sich Zeit, um es anzusehen). Aber trotz aller Pracht sollte man Weite nicht mit Unendlichkeit verwechseln.
Das alles sieht natürlich sehr groß aus. Aber wenn Sie darüber nachdenken, gibt es an den Stränden der Erde milliardenfach mehr Sandkörner als Galaxien im beobachtbaren Universum - und dann scheint es nicht mehr so groß zu sein. Aufgrund der Tatsache, dass das Universum nicht ewig ist, sondern nur 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall existiert, können wir nicht mehr sehen als wir sehen - Licht (und Schwerkraft) haben es einfach nicht geschafft, uns zu erreichen.
Genauer gesagt, ich habe es nicht geschafft, eine größere Entfernung zurückzulegen, die sich sphärisch von der Quelle ausbreitet. Dasselbe passiert für uns - die Schwerkraft von jedem Teilchen eines Körpers, von einem Planeten, von einer Galaxie, breitet sich sphärisch mit einer Schwerkraftgeschwindigkeit (gleich der Lichtgeschwindigkeit) aus, wobei die Kraft proportional ~ 1 / r 2 abfällt (sich aber mit zunehmender Fläche ~ r 2 ausbreitet ) seit dem Beginn "unseres Universums".
Verwechseln Sie nicht den beobachtbaren Teil des Universums - den, der durch Licht, Schwerkraft und andere Phänomene mit endlicher Geschwindigkeit erreichbar ist - vom gesamten Universum, riesig (möglicherweise unendlich), einschließlich des Teils, der nicht im beobachtbaren Teil enthalten ist.
Der rote Punkt links ist der beobachtete Teil des Universums unmittelbar nach der Inflation. Rechts ist das gesamte Universum im selben Moment (rotes Feld).Wir haben allen Grund zu der Annahme, dass das gesamte Universum viel größer ist als die beobachteten Teile, aber unsere Signale werden es nicht erreichen, weil wir sie über einen endlichen Zeitraum aussenden und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ebenfalls endlich ist.Aber dies ist kein Fehler des Universums, sondern eine Funktion!
Stellen Sie sich vor, die Signale würden sich unendlich schnell ausbreiten oder wir könnten die Schwerkraft spüren, das Licht sehen oder irgendwie Dinge wahrnehmen, die viel mehr sind, als wir jetzt von uns sehen können.Wir würden und in der Tat viele Teile des Universums katastrophal in verschiedene Richtungen ruckeln, angezogen von unverständlichen Kräften. Der ganze Nachthimmel würde mit Lichtquellen gefüllt sein, die unsere Augen nicht erreichen sollten.
Wir selbst würden viel mehr Kraft abgeben, als es in der Physik erlaubt ist. Die Gesetze der Physik würden brechen, GR würde unsere Welt nicht beschreiben, eine Katastrophe würde aufgrund eines Überangebots an Energiedichte im Universum eintreten und - dank der gravitativ gebundenen Energie - würde das Universum schnell zusammenbrechen.
Egan aus The Ghostbusters zitieren: "Das wäre schlecht."Stattdessen können Schwerkraft, Elektromagnetismus und alle anderen Kräfte der "unbegrenzten Wirkung" in solchen Entfernungen wirken, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit im 13,8 Milliarden Jahre alten Universum fortbewegen und sich gemäß unserer einzigartigen Geschichte von 46 Milliarden Lichtjahren ausdehnen . Und dies - weil die Geschwindigkeit der Schwerkraft und des Lichts identisch sind - entspricht genau der Größe des beobachteten Universums in alle Richtungen.So erstrecken sich Gravitations- und elektromagnetische Kräfte. Vielen Dank für die schwierige, aber interessante Frage. Wenn Sie eine Antwort auf Ihre Frage wünschen, senden Sie sie mir .Source: https://habr.com/ru/post/de395419/
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