Tanyakan Ethan No. 39: Mengapa cahaya merentang saat alam semesta mengembang?
Mereka mengatakan bahwa alam semesta mengembang. Ini harus menyelesaikan masalah dengan kemacetan lalu lintas.
Stephen Wright.
Pembaca bertanya:, – . , . . ? , , , , ?
Pertanyaan yang sangat besar, jadi mari kita mulai dari awal sehingga kita memiliki konteks.
Bukan rahasia lagi bahwa bagian yang terlihat dari Semesta berasal dari Dentuman Besar: serangkaian kondisi awal yang menjadikannya lebih panas, lebih padat, lebih padat, dan kemudian mulai berkembang dengan cepat. Alam semesta mengembang hingga hari ini, dan segala sesuatu yang tidak terhubung oleh gravitasi terus mengembang tanpa batas.Pada prinsipnya, kita dapat membayangkan bahwa kita akan menggambar bola di sekitar volume Semesta yang diberikan, yang mencakup semua energi massa di dalam diri kita. Dan jika kita memutar kembali jam, ternyata jumlah partikel yang sama akan terlampir dalam bola yang lebih kecil.
Hanya saja, jangan lupa bahwa ini bukan jenis ruang yang dibayangkan kakek buyut kita - di mana koordinatnya ditetapkan, jarak antara titik-titik tersebut didefinisikan dengan jelas dan pengamat dari titik yang berbeda sepenuhnya setuju satu sama lain mengenai apa, di mana dan kapan terjadi. Ini adalah alam semesta yang bekerja menurut hukum Teori Relativitas Umum, di mana ruang dan waktu bergantung pada energi, momentum, dan lokasi pengamat.Jika kita adalah pengamat tunggal yang berumur panjang di Semesta, dan kita akan melihat lokasi galaksi - seperti miliaran tahun yang lalu, dan sekarang, apa yang akan kita lihat?
Kita akan melihat bahwa posisi relatif galaksi berubah dengan cara yang sama dengan lokasi butir dalam pengujian, yang tumbuh pada ragi. Benih itu sendiri tidak bertambah - mereka terikat oleh gravitasi. Semesta berkembang di sekitar mereka, akibatnya jarak di antara mereka meningkat. Tetapi planet, bintang, galaksi, dan bahkan kelompok serta kelompok tidak berkembang bersama alam semesta. Mereka menjauh dari struktur lain yang tidak berhubungan dengannya.Dengan kata lain, jika pinggang Anda mengembang, itu bukan kesalahan alam semesta!
Mengapa ini terjadi?Kesalahannya adalah sifat-sifat ruang-waktu. Evolusi alam semesta, atau cara di mana ruang dikompresi atau diperluas dari sudut pandang pengamat, diatur oleh jumlah energi dan materi di alam semesta. Ini adalah sifat utama yang dijelaskan oleh GR: materi dan energi yang ada di Semesta menentukan evolusi ruang-waktu.
Jadi, ada apa dengan cahaya itu? Memang, orang bisa membayangkan permukaan bola yang melambung di mana garis digambar. Karena energi foton ditentukan oleh panjang gelombangnya, masuk akal bahwa dengan perluasan Semesta, panjang gelombang meningkat dan terjadi pergeseran merah.
Tetapi mengapa ini terjadi, dan apakah efek lain tidak mempengaruhinya? Mungkin alam semesta mengembang, tetapi tiba-tiba pergeseran merah tidak disebabkan oleh alasan ini.Secara khusus, ada efek Doppler, karena sirene polisi terdengar lebih tinggi jika mobil bergerak ke arah Anda, dan lebih rendah jika bepergian dari Anda.
Ketika gelombang suara dikompresi ke arah gerak dan direntangkan di seberangnya, begitu pula cahaya. Jika sumber cahaya menjauh dari Anda, lampu mengalami pergeseran merah, dan jika ke arah Anda - maka biru.Tetapi menurut GTR, gravitasi juga harus memengaruhi energi foton. Ruang-waktu dan materi berkaitan erat dengan energi. Bayangkan bagaimana di sekitar planet ini, ruang Bumi melengkung karena adanya massa.
Ketika kami mengirim sinyal dari orbit Bumi ke permukaan dan belakang (GPS), kita perlu memperhitungkan efek relativistik tidak hanya untuk gerakan (STR), tetapi juga untuk medan gravitasi Bumi (GR).Bayangkan kita memiliki sepasang elektron dan positron yang menggantung tinggi di atas Bumi. Ketika mereka dimusnahkan, energi akan dilepaskan dalam bentuk dua foton dengan energi - energi tertentu yang setara dengan massa partikel lainnya.
Apa yang terjadi jika foton ini terbang ke Bumi? Akankah mereka memiliki energi yang sama di permukaannya seperti di ruang angkasa?Tidak, karena ini akan melanggar hukum konservasi energi. Jika kita menjatuhkan partikel kita, mereka akan jatuh dan mendapatkan energi kinetik, bergerak lebih cepat dan lebih cepat. Dan sebelum jatuh ke Bumi, mereka akan bertemu dan memusnahkan.
Tidak masalah apakah partikel-partikel itu segera musnah atau jatuh lebih dulu - menurut hukum konservasi, energi foton juga harus mengalami pergeseran gravitasi karena perubahan sifat gravitasi ruang.Saya menjelaskan ini sehingga Anda menyadari bahwa pergeseran merah dapat terjadi karena dua alasan. Ambil galaksi yang terletak di dekat kita, dan sangat jauh.
Apakah pergeseran merah terjadi karena peregangan ruang (alasan gravitasi), atau apakah itu terjadi karena galaksi menjauh dari kita?Ternyata pernyataan terakhir itu benar. Karena ada batasan pada kecepatan maksimum, kecepatan cahaya, galaksi yang terletak sangat jauh dari kita seharusnya tidak memiliki rasio pergeseran merah yang sama dengan jarak ke mereka, seperti yang diprediksi GR. Pada grafik, prediksi GTR ditampilkan dalam warna hitam, dan prediksi yang tidak berkorelasi pergeseran merah dengan ruang-waktu (tetapi hanya mengalikan kecepatan cahaya dengan waktu yang berlalu) ditunjukkan dalam warna merah.
Ini adalah tes kosmologis yang penting: jika panjang gelombang cahaya tidak meregang seiring dengan perluasan Alam Semesta, maka radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik tidak dapat dijelaskan, dan seluruh teori Dentuman Besar berhenti bekerja.Untungnya, GTR dengan sempurna melewati tes ini, dan panjang gelombang seiring dengan perubahan frekuensi dengan ekspansi Semesta. Ini telah diukur dengan berbagai cara, termasuk suhu berbagai era dalam sejarah alam semesta.
Itulah sebabnya, di alam semesta yang mematuhi hukum relativitas umum (dan alam semesta kita hanya itu), cahaya mengalami pergeseran merah ketika alam semesta mengembang, atau, dengan kata lain, ketika sifat gravitasi ruang berubah.Source: https://habr.com/ru/post/id387965/
All Articles