Tại sao vũ trụ quan sát được lớn hơn tuổi của nó sẽ gợi ý?

Tuổi của vũ trụ được ước tính là 13,8 tỷ năm và lý thuyết hiện tại cho biết không có gì có thể vượt quá tốc độ ánh sáng, điều này có thể dẫn đến kết luận không chính xác rằng vũ trụ không thể có bán kính hơn 13,8 tỷ năm ánh sáng.

Wikipedia đề cập đến quan niệm sai lầm này như sau:

Lý do này sẽ chỉ có ý nghĩa nếu quan niệm không thời gian bằng phẳng, tĩnh của Minkowski dưới thuyết tương đối đặc biệt là chính xác. Trong vũ trụ thực, không thời gian được uốn cong theo cách tương ứng với sự giãn nở của không gian , bằng chứng là định luật Hubble . Khoảng cách thu được khi tốc độ ánh sáng nhân với một khoảng thời gian vũ trụ không có ý nghĩa vật lý trực tiếp. → Ned Wright, "Tại sao không nên sử dụng khoảng cách thời gian di chuyển ánh sáng trong Thông cáo báo chí"

Điều đó không làm rõ vấn đề đối với tôi và không có nền tảng khoa học hay toán học ngoài trường trung học, việc đọc thêm về luật của Hubble cũng không giúp được gì nhiều.

Lời giải thích của một giáo dân mà tôi đã thấy đưa ra lời giải thích rằng chính Vũ trụ không bị ràng buộc bởi các luật tương tự như mọi thứ trong đó. Điều đó sẽ có ý nghĩa - trong chừng mực như những điều này có thể - nhưng câu trích dẫn ở trên ( "Khoảng cách thu được khi tốc độ ánh sáng nhân với một khoảng thời gian vũ trụ không có ý nghĩa vật lý trực tiếp" ) có vẻ chung hơn thế.

Bất cứ ai cũng có thể đưa ra (hoặc hướng dẫn tôi đến) một lời giải thích của giáo dân tốt?

Giải thích đơn giản nhất cho lý do tại sao khoảng cách tối đa người ta có thể nhìn thấy không chỉ đơn giản là sản phẩm của tốc độ ánh sáng với tuổi của vũ trụ là vì vũ trụ không tĩnh.

Những thứ khác nhau (tức là vật chất so với năng lượng tối) có tác động khác nhau đến tọa độ của vũ trụ và ảnh hưởng của chúng có thể thay đổi theo thời gian.

Điểm khởi đầu tốt trong tất cả những điều này là phân tích tham số Hubble, cung cấp cho chúng ta hằng số Hubble tại bất kỳ thời điểm nào trong quá khứ hoặc trong tương lai do chúng ta có thể đo lường vũ trụ hiện đang được tạo ra từ đâu:

nơi các chỉ sốm,γ,k, vàΛtrênΩtham khảo các thông số mật độ của vật chất (tối và baryon), bức xạ (photon, và các hạt tương đối tính khác), độ cong (điều này chỉ phát huy tác nếu vũ trụ trên toàn cầu lệch khỏi không gian phẳng, bằng chứng chỉ ra rằng nó phù hợp với sự bằng phẳng) và năng lượng tối cuối cùng (mà bạn sẽ nhận thấy vẫn là mộthằng sốbất kể động lực của vũ trụ diễn ra như thế nào). Tôi cũng nên chỉ ra rằngký hiệu đăng ký0có nghĩa là được đongày hôm nay.

$$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$$ $m$$\gamma$$k$$\Lambda$$\Omega$$0$

Tham số trong Hubble ở trên được gọi là hệ số tỷ lệ, bằng 1 ngày nay và bằng 0 ở đầu vũ trụ. Tại sao các thành phần khác nhau quy mô khác nhau với $a$$a$ ? Chà, tất cả phụ thuộc vào những gì xảy ra khi bạn tăng kích thước của một hộp chứa những thứ bên trong. Nếu bạn có một kg vật chất bên trong khối lập phương 1 mét ở một bên và bạn tăng mỗi bên lên 2 mét, điều gì xảy ra với mật độ vật chất bên trong khối mới này? Nó giảm theo hệ số 8 (hoặc ). Đối với bức xạ, bạn nhận được một giảm tương tự của một 3 về mật độ số lượng các hạt bên trong nó, và cũng là một yếu tố bổ sung của $2^{3}$$a^{3}$$a$vì sự kéo dài của bước sóng của nó với kích thước của hộp, đem lại cho chúng ta . Mật độ năng lượng tối vẫn không đổi trong cùng loại thí nghiệm suy nghĩ này.$a^{4}$

Bởi vì các thành phần khác nhau hoạt động khác nhau khi tọa độ của vũ trụ thay đổi, có những thời đại tương ứng trong lịch sử vũ trụ nơi mỗi thành phần chi phối động lực học tổng thể. Nó cũng khá đơn giản để tìm ra. Ở yếu tố quy mô nhỏ (rất sớm), thành phần quan trọng nhất là bức xạ. Tham số Hubble sớm có thể được xấp xỉ rất gần bằng biểu thức sau:

$$H(a) = H_{0} \frac{\sqrt{\Omega_{\gamma,0}}}{a^{2}}$$

Ở xung quanh:

a

$$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$$ chúng ta có sự bình đẳng bức xạ vật chất, và từ thời điểm này trở đi chúng ta có vật chất chi phối động lực học của vũ trụ. Điều này có thể được thực hiện một lần nữa cho vật chất - năng lượng tối, trong đó người ta sẽ thấy rằng chúng ta đang sống trong giai đoạn thống trị năng lượng tối của vũ trụ. Một dự đoán về việc sống trong một pha như thế này là sựgia tốctọa độ của vũ trụ - điều đã được xác nhận (xem:Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2011). $$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$$

Vì vậy, bạn thấy, sẽ phức tạp hơn một chút khi tìm khoảng cách đến chân trời vũ trụ hơn là chỉ nhân tốc độ ánh sáng với tuổi của vũ trụ. Trên thực tế, nếu bạn muốn tìm khoảng cách này (chính thức được gọi là khoảng cách hài hước đến chân trời vũ trụ), bạn sẽ phải thực hiện tích phân sau:

$$D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{\mathrm{d}z}{\sqrt{\Omega_{m,0}(1+z)^{3} + \Omega_{\Lambda}}}$$

$z_{e}$$\sim 1100$ , bề mặt của tán xạ cuối cùng. Hóa ra đây là chân trời thực sự mà chúng ta có với tư cách là người quan sát. Độ cong thường được đặt thành không vì mô hình thành công nhất của chúng ta chỉ ra vũ trụ phẳng (hoặc gần như phẳng) và bức xạ không quan trọng ở đây vì nó chiếm ưu thế ở độ dịch chuyển đỏ cao hơn. Tôi cũng muốn chỉ ra rằng mối quan hệ này bắt nguồn từ số liệu Friedmann của LemaîtreTHER RobertsonTHER Walker , một số liệu bao gồm độ cong và mở rộng. Đây là điều mà số liệu của Minkowski thiếu.

Nói tóm lại: mọi thứ không thể tự di chuyển nhanh hơn ánh sáng đó, nhưng chúng có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng do sự giãn nở phổ quát. Càng đi xa, họ càng đi nhanh.

Tôi chỉ nghĩ về điều đó và đây là lời giải thích của giáo dân. Hãy tưởng tượng bạn đang theo dõi hai dấu chấm trên một mảnh giấy nhàu nát, các chấm đang di chuyển, nhưng khi chúng đang di chuyển, thì tờ giấy sẽ bị 'tách ra', khoảng cách thực tế giữa các chấm sẽ nhiều hơn tổng khoảng cách mà chúng có đi du lịch.

Lời giải thích hoàn toàn không khoa học ...

Hãy tưởng tượng vũ trụ là một quả bóng bay. Hai cơ thể bắt đầu gần nhau nhưng trên bề mặt đối diện. Sự giãn nở của khinh khí cầu đưa chúng ra xa nhau với tốc độ bằng nhau và tốc độ mà ánh sáng từ một điểm tại điểm xuất phát của nó chiếm gần như toàn bộ lịch sử của vũ trụ để chạm tới nhau. Khoảng cách giữa hai NGAY không gấp đôi tuổi của vũ trụ - bởi vì bạn không thể đi "xuyên qua" khinh khí cầu - mà phải đi vòng quanh bề mặt của khinh khí cầu ... 13,8 * PI tỷ năm ánh sáng = 43 tỷ năm ánh sáng.

Không đúng hoàn toàn, nhưng ít nhất tránh quá nhiều lo lắng về vật lý thiên văn và vũ trụ học!