Pergunte a Ethan nº 39: Por que a luz se estende à medida que o universo se expande?
Eles dizem que o universo está se expandindo. Isso deve resolver o problema com engarrafamentos.
Stephen Wright.
O leitor pergunta:, – . , . . ? , , , , ?
Uma pergunta muito grande, então vamos começar de novo para termos um contexto.
Não é segredo que a parte visível do Universo se origina no Big Bang: um conjunto de condições iniciais sob as quais era mais quente, mais denso, mais compacto, e então começou a se expandir rapidamente. O universo está se expandindo até hoje, e tudo o que não está conectado pela gravidade continua a se expandir indefinidamente.Em princípio, podemos imaginar que desenharemos uma esfera em torno de um determinado volume do Universo, cobrindo toda a energia de massa dentro de nós. E se voltarmos o relógio, acontece que o mesmo número de partículas será encerrado em uma esfera menor.
Só não esqueça que este não é o tipo de espaço que nossos bisavôs imaginavam - onde as coordenadas são fixas, as distâncias entre os pontos são claramente definidas e os observadores de diferentes pontos concordam completamente entre si em relação a quê, onde e quando. Este é um universo que trabalha de acordo com as leis da Teoria Geral da Relatividade, onde o espaço e o tempo dependem da energia, do momento e da localização do observador.Se fôssemos um único observador de longa duração no Universo, e veríamos a localização das galáxias - há bilhões de anos atrás, e agora, o que veríamos?
Veríamos que a posição relativa das galáxias muda da mesma maneira que a localização dos grãos no teste, crescendo em leveduras. As sementes em si não aumentam - elas são limitadas pela gravidade. O Universo está se expandindo ao seu redor, como resultado das distâncias entre eles. Mas planetas, estrelas, galáxias e até grupos e aglomerados não se expandem com o universo. Eles se afastam de outras estruturas às quais não estão associados.Em outras palavras, se a sua cintura se expandir, não é culpa do universo!
Por que isso está acontecendo?A falha é das propriedades do espaço-tempo. A evolução do universo, ou a maneira pela qual o espaço é compactado ou expandido do ponto de vista do observador, é regulada pela quantidade de energia e matéria no universo. Esta é uma propriedade chave descrita por GR: matéria e energia presentes no Universo determinam a evolução do espaço-tempo.
Então, o que há com a luz? De fato, pode-se imaginar a superfície de uma bola inflada na qual linhas são desenhadas. Como a energia dos fótons é determinada pelo comprimento de onda, parece razoável que, com a expansão do Universo, o comprimento de onda aumente e ocorra um desvio para o vermelho.
Mas por que isso está acontecendo e outros efeitos não o afetam? Talvez o universo esteja se expandindo, mas de repente o desvio para o vermelho não é causado por esse motivo.Em particular, há o efeito Doppler, devido ao qual a sirene da polícia soa mais alto se o carro estiver se movendo em sua direção e mais baixa se estiver viajando de você.
Como as ondas sonoras são comprimidas na direção do movimento e esticadas no sentido oposto, o mesmo acontece com a luz. Se a fonte de luz se afastar de você, a luz sofrerá um desvio para o vermelho e, se estiver em sua direção - então azul.Mas, de acordo com a GTR, a gravidade também deve influenciar a energia do fóton. Espaço-tempo e matéria estão intimamente relacionados à energia. Imagine como ao redor do planeta o espaço da Terra é curvado devido à presença de massa.
Quando enviamos sinais da órbita da Terra para a superfície e para trás (GPS), precisamos levar em consideração os efeitos relativísticos não apenas para o movimento (STR), mas também para o campo gravitacional da Terra (GR).Imagine que temos um par de elétrons e pósitrons pendurados acima da Terra. Quando eles são aniquilados, a energia será liberada na forma de dois fótons com uma certa energia - energia equivalente à massa restante de partículas.
O que acontece se esses fótons voarem para a Terra? Eles terão a mesma energia em sua superfície que eles tinham no espaço?Não, pois isso violaria a lei de conservação de energia. Se deixássemos cair nossas partículas, elas cairiam e ganhariam energia cinética, movendo-se cada vez mais rápido. E antes de cair na Terra, eles se encontrariam e aniquilariam.
Não importa se as partículas se aniquilam imediatamente ou caem primeiro - de acordo com a lei de conservação, a energia dos fótons também deve sofrer uma mudança gravitacional devido a alterações nas propriedades gravitacionais do espaço.Eu explico isso para que você perceba que o desvio para o vermelho pode ocorrer por dois motivos. Pegue as galáxias que estão localizadas perto de nós e muito distantes.
O desvio para o vermelho ocorre devido ao alongamento do espaço (razão gravitacional) ou acontece porque as galáxias se afastam de nós?Acontece que a última afirmação é verdadeira. Como existe uma restrição à velocidade máxima, a velocidade da luz, galáxias localizadas a uma grande distância de nós, ao que parece, não deve ter a mesma taxa de desvio de vermelho para a distância a elas, como prevê GR. No gráfico, a previsão da GTR é mostrada em preto, e a previsão que não correlaciona o desvio para o vermelho com o espaço-tempo (mas apenas multiplicando a velocidade da luz pelo tempo decorrido) é mostrada em vermelho.
Este é um teste cosmológico importante: se o comprimento de onda da luz não esticar junto com a expansão do Universo, a radiação cósmica de fundo no microondas não pode ser explicada, e toda a teoria do Big Bang para de funcionar.Felizmente, a GTR passa perfeitamente nesse teste, e os comprimentos de onda e as frequências mudam com a expansão do Universo. Isso foi medido de várias maneiras, incluindo a temperatura de várias épocas na história do universo.
É por isso que, em um universo que obedece às leis da relatividade geral (e nosso universo é exatamente isso), a luz experimenta um desvio para o vermelho quando o universo se expande, ou, em outras palavras, quando as propriedades gravitacionais do espaço mudam.Source: https://habr.com/ru/post/pt387965/
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