Demandez à Ethan n ° 39: pourquoi la lumière s'étend-elle à mesure que l'univers se dilate?

Ils disent que l'univers est en expansion. Cela devrait résoudre le problème des embouteillages.
Stephen Wright.

Le lecteur demande:

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Une très grande question, alors recommençons pour avoir un contexte.



Ce n'est un secret pour personne que la partie visible de l'Univers provient du Big Bang: un ensemble de conditions initiales dans lesquelles elle était plus chaude, plus dense, plus compacte, puis elle a commencé à se développer rapidement. L'univers se développe à ce jour, et tout ce qui n'est pas connecté par la gravité continue de se développer indéfiniment.

En principe, nous pouvons imaginer que nous allons dessiner une sphère autour d'un volume donné de l'Univers, couvrant toute l'énergie de masse en nous-mêmes. Et si nous remontons ensuite l'horloge, il s'avère que le même nombre de particules sera enfermé dans une sphère plus petite.



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Nous verrions que la position relative des galaxies change de la même manière que l'emplacement des grains dans le test, poussant sur la levure. Les graines elles-mêmes n'augmentent pas - elles sont liées par la gravité. L'Univers se développe autour d'eux, ce qui fait que les distances entre eux augmentent. Mais les planètes, les étoiles, les galaxies et même les groupes et les amas ne se développent pas avec l'univers. Ils s'éloignent des autres structures auxquelles ils ne sont pas associés.

En d'autres termes, si votre tour de taille se dilate, ce n'est pas la faute de l'univers!



Pourquoi cela se produit-il?

La faute est aux propriétés de l'espace-temps. L'évolution de l'univers, ou la manière dont l'espace est comprimé ou agrandi du point de vue de l'observateur, est régulée par la quantité d'énergie et de matière dans l'univers. C'est une propriété clé décrite par GR: la matière et l'énergie présentes dans l'Univers déterminent l'évolution de l'espace-temps.



Alors qu'est-ce qui se passe avec la lumière? En effet, on peut imaginer la surface d'une boule gonflée sur laquelle sont tracées des lignes. Étant donné que l'énergie des photons est déterminée par leur longueur d'onde, il semble raisonnable qu'avec l'expansion de l'Univers, la longueur d'onde augmente et un décalage vers le rouge se produit.



Mais pourquoi cela se produit-il et d'autres effets ne l'affectent-ils pas? Peut-être que l'univers est en expansion, mais soudainement, le décalage vers le rouge n'est pas causé par cette raison.

En particulier, il y a l'effet Doppler, à cause duquel la sirène de police sonne plus haut si la voiture se déplace dans votre direction et plus basse si elle vient de vous.



Comme les ondes sonores sont compressées dans le sens du mouvement et étirées à l'opposé, la lumière aussi. Si la source de lumière s'éloigne de vous, la lumière subit un décalage vers le rouge, et si vers vous - alors vers le bleu.

Mais selon GTR, la gravité doit également influencer l'énergie des photons. L'espace-temps et la matière sont étroitement liés à l'énergie. Imaginez comment l'espace autour de la planète Terre est incurvé en raison de la présence de masse.



Lorsque nous envoyons des signaux de l'orbite de la Terre vers la surface et le dos (GPS), nous devons prendre en compte les effets relativistes non seulement pour le mouvement (STR), mais aussi pour le champ gravitationnel de la Terre (GR).

Imaginez que nous ayons une paire d'électrons et de positrons suspendus au-dessus de la Terre. Lorsqu'elles seront annihilées, l'énergie sera libérée sous forme de deux photons avec une certaine énergie - énergie équivalente à la masse restante des particules.



Que se passe-t-il si ces photons volent vers la Terre? Auront-ils à sa surface la même énergie que dans l'espace?

Non, car cela violerait la loi de conservation de l'énergie. Si nous laissions tomber nos particules, elles tomberaient et gagneraient de l'énergie cinétique, se déplaçant de plus en plus vite. Et avant de tomber sur Terre, ils se rencontraient et s'anéantissaient.



Peu importe que les particules s'annihilent immédiatement ou tombent en premier - selon la loi de conservation, l'énergie des photons doit également subir un changement gravitationnel en raison des changements dans les propriétés gravitationnelles de l'espace.

J'explique cela afin que vous réalisiez que des décalages vers le rouge peuvent se produire pour deux raisons. Prenez les galaxies qui sont situées près de nous et très loin.



Le décalage vers le rouge se produit-il en raison de l'étirement de l'espace (raison gravitationnelle), ou se produit-il parce que les galaxies s'éloignent de nous?

Il s'avère que la dernière affirmation est vraie. Puisqu'il y a une restriction sur la vitesse maximale, la vitesse de la lumière, les galaxies situées à une grande distance de nous ne devraient pas avoir le même rapport de décalage vers la distance à elles, comme le prédit GR. Sur le graphique, la prédiction de GTR est montrée en noir et la prédiction qui ne corrèle pas le décalage vers le rouge avec l'espace-temps (mais multipliant simplement la vitesse de la lumière par le temps écoulé) est montrée en rouge.



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