Pregúntele a Ethan No. 39: ¿Por qué la luz se estira a medida que el universo se expande?
Dicen que el universo se está expandiendo. Esto debería resolver el problema con los atascos.
Stephen Wright
El lector pregunta:, – . , . . ? , , , , ?
Una pregunta muy grande, así que comencemos de nuevo para que tengamos un contexto.
No es ningún secreto que la parte visible del Universo se origina en el Big Bang: un conjunto de condiciones iniciales bajo las cuales era más caliente, más denso, más compacto, y luego comenzó a expandirse rápidamente. El universo se está expandiendo hasta el día de hoy, y todo lo que no está conectado por la gravedad continúa expandiéndose indefinidamente.En principio, podemos imaginar que dibujaremos una esfera alrededor de un volumen dado del Universo, cubriendo toda la energía de masa dentro de nosotros mismos. Y si luego retrocedemos el reloj, resulta que el mismo número de partículas estará encerrado en una esfera más pequeña.
Simplemente no olvide que este no es el tipo de espacio que imaginaron nuestros tatarabuelos: donde las coordenadas son fijas, las distancias entre los puntos están claramente definidas y los observadores de diferentes puntos están completamente de acuerdo entre sí en cuanto a qué, dónde y cuándo sucede. Este es un universo que funciona de acuerdo con las leyes de la Teoría General de la Relatividad, donde el espacio y el tiempo dependen de la energía, el momento y la ubicación del observador.Si fuéramos un observador único y longevo en el Universo, y miraríamos la ubicación de las galaxias, como hace miles de millones de años, y ahora, ¿qué veríamos?
Veríamos que la posición relativa de las galaxias cambia de la misma manera que la ubicación de los granos en la prueba, creciendo en levadura. Las semillas en sí mismas no aumentan, están unidas por la gravedad. El Universo se está expandiendo a su alrededor, como resultado de lo cual las distancias entre ellos están aumentando. Pero los planetas, estrellas, galaxias e incluso grupos y cúmulos no se expanden con el universo. Se alejan de otras estructuras con las que no están asociados.En otras palabras, si tu cintura se expande, ¡no es culpa del universo!
¿Por qué está pasando esto?La falla son las propiedades del espacio-tiempo. La evolución del universo, o la forma en que el espacio se comprime o expande desde el punto de vista del observador, está regulado por la cantidad de energía y materia en el universo. Esta es una propiedad clave descrita por GR: la materia y la energía presentes en el Universo determinan la evolución del espacio-tiempo.
Entonces, ¿qué pasa con la luz? De hecho, uno puede imaginar la superficie de una bola inflada en la que se dibujan líneas. Dado que la energía de los fotones está determinada por su longitud de onda, parece razonable que con la expansión del Universo, la longitud de onda aumente y se produzca un desplazamiento al rojo.
Pero, ¿por qué sucede esto y otros efectos no lo afectan? Tal vez el universo se está expandiendo, pero de repente el desplazamiento al rojo no es causado por esta razón.En particular, existe el efecto Doppler, por lo que la sirena de la policía suena más alta si el automóvil se mueve en su dirección, y más baja si viaja desde usted.
A medida que las ondas de sonido se comprimen en la dirección del movimiento y se estiran en el sentido opuesto, también lo hace la luz. Si la fuente de luz se aleja de usted, la luz se desplaza hacia el rojo, y si se dirige hacia usted, entonces se vuelve azul.Pero según GTR, la gravedad también debe influir en la energía del fotón. El espacio-tiempo y la materia están estrechamente relacionados con la energía. Imagina cómo alrededor del planeta Tierra el espacio está curvado debido a la presencia de masa.
Cuando enviamos señales desde la órbita de la Tierra a la superficie y de regreso (GPS), debemos tener en cuenta los efectos relativistas no solo para el movimiento (STR), sino también para el campo gravitacional (GR) de la Tierra.Imagine que tenemos un par de electrones y positrones colgando muy por encima de la Tierra. Cuando se aniquilan, la energía se liberará en forma de dos fotones con una cierta energía, energía equivalente a la masa de partículas en reposo.
¿Qué pasa si estos fotones vuelan a la Tierra? ¿Tendrán la misma energía en su superficie que en el espacio?No, porque esto violaría la ley de conservación de la energía. Si dejamos caer nuestras partículas, se caerían y ganarían energía cinética, moviéndose cada vez más rápido. Y antes de caer a la Tierra, se encontrarían y aniquilarían.
No importa si las partículas se aniquilan inmediatamente o se caen primero; de acuerdo con la ley de conservación, la energía de los fotones también debería tener un cambio gravitacional debido a los cambios en las propiedades gravitacionales del espacio.Explico esto para que te des cuenta de que los cambios al rojo pueden ocurrir por dos razones. Tome las galaxias que se encuentran cerca de nosotros, y muy lejos.
¿El desplazamiento al rojo ocurre debido al estiramiento del espacio (razón gravitacional), o sucede porque las galaxias se alejan de nosotros?Resulta que la última afirmación es verdadera. Como existe una restricción en la velocidad máxima, la velocidad de la luz, las galaxias ubicadas a una gran distancia de nosotros no deberían tener la misma relación de desplazamiento al rojo a la distancia a ellas, como predice GR. En el gráfico, la predicción de GTR se muestra en negro, y la predicción que no correlaciona el desplazamiento al rojo con el espacio-tiempo (sino que simplemente multiplica la velocidad de la luz por el tiempo transcurrido) se muestra en rojo.
Esta es una prueba cosmológica importante: si la longitud de onda de la luz no se estira junto con la expansión del Universo, entonces la radiación cósmica de fondo de microondas no puede explicarse, y toda la teoría del Big Bang deja de funcionar.Afortunadamente, GTR pasa perfectamente esta prueba, y las longitudes de onda junto con las frecuencias cambian con la expansión del Universo. Esto se ha medido de varias maneras, incluida la temperatura de varias épocas en la historia del universo.
Es por eso que, en un universo que obedece las leyes de la relatividad general (y nuestro universo es solo eso), la luz experimenta un cambio rojo cuando el universo se expande o, en otras palabras, cuando cambian las propiedades gravitacionales del espacio.Source: https://habr.com/ru/post/es387965/
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