Astronomía

¿Es la edad del universo relativa a la ubicación de un observador en ese universo?

¿Es la edad del universo relativa a la ubicación de un observador en ese universo?

Según Wiki, la edad del universo es de 13 mil millones de años, y me enseñaron que la radiación de fondo hacía que el universo fuera uniforme en todas las direcciones.

¿No define esto una esfera del espacio en el universo con la Tierra en el centro? Esta esfera tendría un radio de 13 mil millones de años luz.

Nosotros (en la Tierra) no pudimos ver nada fuera de esta esfera. Como la luz no existía hace más de 13 mil millones de años. Entonces, para nosotros, esto define algún tipo de ventaja para el universo.

Pero, ¿qué sucede cuando un extraterrestre en otra galaxia a 5 mil millones de años luz de distancia de la Tierra también mira hacia las estrellas? ¿No ven una radiación de fondo uniforme y miden la misma edad del universo?

Ese extraterrestre también tendría una esfera de 13 mil millones de años.

Entonces tenemos dos esferas, una para la Tierra y otra para nuestro amigo alienígena.

Estas dos esferas se superpondrían entre sí por 5 mil millones de años. Lo que significa, si miramos en la dirección opuesta a la galaxia de ese extraterrestre. Podemos ver otros 5 mil millones de años más de lo que ellos pueden.

Si medimos el ancho total de las dos esferas superpuestas, obtenemos una distancia de 18 mil millones de años luz.

Ahora agarro mi cabello con confusión. ¿Es posible que dos esferas visibles se superpongan para crear una distancia más larga que el rayo de luz más antiguo? Y a partir de ahí caigo en más preguntas. ¿Pueden dos personas medir la misma edad del universo desde diferentes puntos del universo?

Por eso creo que mi idea es incorrecta, pero ¿cómo podría estar mal y por qué?


Estás trabajando bajo el malentendido de que hasta dónde podemos ver directamente da la edad del universo. Si bien es cierto que la luz más antigua que podemos ver se emitió hace unos 13.700 millones de años, la materia que emitió esa luz está ahora a unos 46.000 millones de años luz de distancia, gracias a la expansión del universo.

El universo mismo probablemente se extiende significativamente más allá de esto y mayo sea ​​infinito. Eso no entra en conflicto con el modelo del Big Bang o la relatividad. Si el universo es infinito, entonces siempre ha sido infinito. Los lugares que están separados por más que el rayo de luz más antiguo, como usted lo expresa, no están en contacto causal y, dependiendo de los parámetros cosmológicos, es posible que nunca lo estén.

En un universo isotrópico homogéneo (y no olvides que solo podemos hacer suposiciones sobre regiones más allá de nuestro universo observable), todos los observadores estarían de acuerdo en la edad del universo y que el universo fue una vez mucho más pequeño y todos verían (en promedio) el mismo tipo de universo en todas las direcciones.

Para asegurar que los lugares que están fuera del contacto causal ahora sean homogéneos, es necesario que fueron en contacto causal en el pasado. Ésta es la naturaleza del "problema del horizonte" ".

Tomé la foto de abajo del sitio web "slideplayer", no estoy seguro de quién es el creador, pero cumple su propósito aquí y creo que resume su pregunta. En este diagrama, parece que A y B nunca pueden haberse "comunicado" y nunca pueden haberse originado en el mismo lugar. La solución proporcionada por la inflación es tener una expansión exponencial masiva del espacio en la primera fracción de segundo. En resumen, las distancias entre puntos en el espacio (o galaxias si lo desea, aunque no había galaxias en la época de la inflación) aumentan repentinamente en muchos, muchos órdenes de magnitud. Esto le da al apariencia de movimiento más rápido que la luz, aunque el límite de velocidad cósmica solo se aplica a las mediciones locales y no a la expansión del espacio en sí. El resultado final es un universo que parece homogéneo mucho más allá de los límites de un radio de la edad del universo en años luz.


Bueno, la “primera” hipótesis fue que el universo es infinito y el número de objetos espaciales es infinito. Luego, apareció la teoría del Big Bang y descubrimos que nuestro universo tiene aproximadamente 13 mil millones de años y el radio del universo observado es de 13 mil millones de años luz, y postulamos que el Universo probablemente está conectado: no hay borde y si Si pudiera detener el tiempo y moverse en una dirección, probablemente llegaría al mismo punto tal como lo haría en la superficie de la Tierra. Ahora sabemos que no era una idea muy precisa: el radio del universo observado resultó ser un poco mayor: alrededor de 14 mil millones de años, y sucede que las galaxias más distantes se alejan de nosotros más rápido que la luz, entonces este radio (14 mil millones de años) es solo el radio del universo actualmente visible (vemos cómo se veía hace 14 mil millones de años cuando el universo era mucho más pequeño). Ahora este radio ha alcanzado los 45 mil millones de años luz, pero solo podemos ver el pasado (o 14 mil millones de años). Así que vemos el pasado, no el tamaño presente. El hecho de que las galaxias que están muy alejadas unas de otras se alejen unas de otras más rápido que la luz se atribuye a la expansión del propio espacio y no viola la Teoría General de la Relatividad (podemos decir que lo hace algo impreciso, al igual que la relatividad hizo que la teoría de Newton fuera ligeramente imprecisa). Nuestro espacio a veces se ilustra como una banda de goma elástica en la que cuanto más alejados estén dos puntos, más rápido se separarán cuando extienda la banda de goma. Y nuestro espacio se está expandiendo de una manera algo similar. No vemos la parte invisible del universo (todo el universo puede tener entre 150 y 600 mil millones de años luz de diámetro; este tamaño nunca será visible y es mucho más que la distancia de 45 mil millones de años luz a la que el más distante Las galaxias visibles deben haberse movido ahora, pero todavía las observamos como si estuvieran a 13-14 mil millones de años luz de distancia). Además, no sabemos si nuestro universo es infinito o finito. Puedes imaginar uno finito como un "universo conectado", es decir, si pudiéramos detener el tiempo e ir en una dirección llegando finalmente a nuestro punto de partida. Sin embargo, si no es el caso y nuestro universo está abierto y no está conectado, podemos llamarlo infinito. Ambas teorías están bien. Desafortunadamente, ¡no sabemos cuál es la correcta! Si el Universo no está conectado, puede haber anomalías como "bordes", quiero decir, puede haber un punto en el Universo donde terminan las galaxias y no hay más galaxias más allá o algo mucho más extraño que eso. Desafortunadamente, esto está más allá de nuestro Universo visible y no tenemos forma de saberlo.

Otra cosa es que tu pregunta gira en torno al concepto de espacio. Bueno, es aproximadamente tridimensional en la vida real, si no consideramos distancias muy pequeñas (como en la mecánica cuántica) o cosmológicamente grandes. Sin embargo, sabemos que nuestro espacio podría deformarse, por lo que las cosas no son tan simples. En este momento, no sabemos mucho sobre la configuración real de nuestro espacio métrico.

Como veo, muchas personas tienen dificultades para imaginar el Universo conectado. Bueno, simplifiquemos todo enormemente. Digamos que nuestro Universo es como la Tierra, e imaginemos que la Tierra crece en tamaño, por lo que las ciudades que están lejos unas de otras se alejan más rápido unas de otras. Luego, puede tomar la longitud del ecuador y llamarlo diámetro (o simplemente usarlo en lugar del diámetro) de nuestro universo de "prueba". La mitad de la distancia del ecuador será el radio (o simplemente utilícelo en lugar del radio) de nuestro universo de “prueba”, y será el mismo en todas partes, y todo se expandirá como postulamos inicialmente. Explica la paradoja con los extraterrestres y los dos círculos que mencionaste. Tenga en cuenta que las ciudades no están creciendo en tamaño porque, como es el caso de las galaxias, aquí suponemos que nuestras ciudades están impididas por la "gravitación" expandirse. También tenga en cuenta que usamos la superficie de la Tierra en este ejemplo, que es bidimensional, y el universo es tridimensional (probablemente, o, digamos, aproximadamente para evitar imprecisiones). Esperanza, esta primitiva ilustración esférica es de alguna ayuda.

Aquí hay una cita explicativa y útil del artículo. Expansión métrica del espacio de Wikipedia:


El universo podría ser infinito en extensión o podría ser finito; pero la evidencia que conduce al modelo inflacionario del universo temprano también implica que el "universo total" es mucho más grande que el universo observable, por lo que cualquier borde o geometría o topología exótica no sería directamente observable ya que la luz no ha alcanzado escalas en que tales aspectos del universo, si existen, todavía están permitidos. A todos los efectos, es seguro asumir que el universo es infinito en extensión espacial, sin bordes ni conexiones extrañas. [15] Independientemente de la forma general del universo, la pregunta de en qué se está expandiendo el universo es una que no requiere una respuesta de acuerdo con las teorías que describen la expansión; la forma en que definimos el espacio en nuestro universo de ninguna manera requiere espacio exterior adicional en el que pueda expandirse, ya que puede ocurrir una expansión de una extensión infinita sin cambiar la extensión infinita de la extensión. Todo lo que es seguro es que la variedad de espacio en el que vivimos simplemente tiene la propiedad de que las distancias entre los objetos se hacen más grandes a medida que pasa el tiempo. Esto solo implica las simples consecuencias observacionales asociadas con la expansión métrica que se explora a continuación. No se requiere "afuera" o incrustación en el hiperespacio para que ocurra una expansión. Las visualizaciones que a menudo se ven del universo creciendo como una burbuja hacia la nada son engañosas en ese sentido. No hay razón para creer que haya algo "fuera" del universo en expansión en el que se expande el universo. Incluso si la extensión espacial general es infinita y, por lo tanto, el universo no puede ser "más grande", todavía decimos que el espacio se está expandiendo porque, localmente, la distancia característica entre los objetos está aumentando. A medida que un espacio infinito crece, permanece infinito

Es posible que desee leer el artículo completo. Creo que no está mal y está más o menos en línea con la ciencia moderna. Te dará mucha más información que mis explicaciones simplificadas. Es posible que también desee familiarizarse con la geometría euclidiana de cuatro dimensiones; creo que podría hacer que algunas cosas sean más fáciles de comprender cuando se habla de nuestro espacio métrico. Entonces, recomiendo el artículo Expansión métrica del espacio en Wikipedia como un buen comienzo; espero que no sea un gran desafío.

PD: Tenga en cuenta que mis explicaciones son simplificaciones sustanciales. Varias topologías del Universo o espacio métrico (varias combinaciones en términos de finitud, infinitud, conectividad y curvatura) podrían ser teóricamente posibles. Permítanme agregar una noción más avanzada aquí: Wheeler sugirió que la topología del espacio-tiempo podría ser fluctuante (espuma de espacio-tiempo), trayendo así la mecánica cuántica aquí. Bueno, supongo que todavía tenemos un conocimiento muy limitado en lo que respecta a nuestro espacio métrico real.


¿La medición de la edad del universo resulta en una observación objetiva?

Avíseme si hay errores o agujeros en mi lógica, hechos o suposiciones.

Estaba pensando en cuanto a que el tiempo es relativo al observador y la imposibilidad resultante de una medida objetiva del tiempo: al determinar la edad del universo, nuestra estimación actual es de unos 13.200 millones de años. Ahora, esto sería una estimación o medida basada en nuestro marco de referencia terrenal, el universo tiene 13,2 mil millones de años según lo observado por los terrestres.

Pero dado que cualquier punto del universo puede considerarse su centro, entonces el 13,2 por estimación resultaría como se observa desde cualquier otro marco de referencia en el universo. Por lo tanto, la medida de la edad de la Tierra, medida en unidades de tiempo, según el CMBR es objetiva y no relativa a ningún marco de referencia, ya que todos los marcos de referencia son iguales.

Además, ¿no se aplicaría esto a la estimación del "diámetro" del universo en años luz?


¿Todo en el universo tiene la misma edad?

Una vista de muchas galaxias a diferentes distancias del campo ultraprofundo del Hubble. Crédito de la imagen: NASA. [+] ESA G. Illingworth, D. Magee y P. Oesch, Universidad de California, Santa Cruz R. Bouwens, Universidad de Leiden y el equipo de HUDF09.

Han pasado 13.800 millones de años desde el Big Bang, algo que hemos podido fechar a partir de una variedad de líneas de evidencia. Pero esa es la cantidad de tiempo que ha pasado para nosotros Dado que el Big Bang, dado que el tiempo es relativo, ¿qué significa eso para los observadores en otras partes del Universo? Nuestra Tierra existe en nuestra galaxia, y todo lo que percibimos dentro de ella tiene los mismos 13.8 mil millones de años. Bueno, casi.

Una vista de la Vía Láctea desde la Tierra. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia Commons ForestWander, de. [+] http://www.forestwander.com/.

Verá, los planetas, las estrellas y otros puntos de luz que vemos en nuestro cielo nocturno no tienen exactamente la misma edad que nosotros. Debido a que la velocidad de la luz es finita, si miramos una estrella, digamos, a 100 años luz de distancia, la vemos como era hace 100 años, no como es hoy. Sin embargo, cuando comparas eso con 13.800 millones de años, incluso si tomas una estrella a lo largo de nuestra galaxia a 100.000 años luz de distancia, esa diferencia es insignificante. La diferencia entre 13,800,000,000 y 13,799,900,000 años no vale mucho en absoluto. Pero si empezamos a mirar otras galaxias, galaxias muy distantes, esa historia comienza a cambiar.

Un "corte" bidimensional de nuestro Universo, que muestra sus propiedades de agrupamiento. Crédito de la imagen: Sloan. [+] Digital Sky Survey (SDSS-III).

Cada "punto" en la imagen de arriba es una galaxia en sí mismo. El filamento verde que ves es una característica conocida como la Gran Muralla Sloan y se encuentra aproximadamente a mil millones de años luz de la Tierra. Las galaxias que estamos viendo en esa estructura tienen solo aproximadamente 12,8 mil millones de años, y las galaxias más lejanas que se ven en la imagen de arriba son incluso más jóvenes que eso.

De hecho, a medida que miramos cada vez más lejos, encontramos galaxias que se remontan a cuando el Universo era menor que uno mil millones de años, y era solo un pequeño porcentaje de su edad actual.

Mirando hacia atrás, una variedad de distancias corresponde a una variedad de tiempos desde el Big Bang. Imagen [+] crédito: NASA, ESA y A. Feild (STScI), a través de http://www.spacetelescope.org/images/heic0805c/.

Si nuestros telescopios (y nuestro poder de captación de luz) fueran lo suficientemente buenos, podríamos ver estrellas individuales con muy pocos elementos pesados ​​en ellos, y más del 99% de los átomos en ese momento todavía eran el hidrógeno y el helio prístinos. formado a partir del Big Bang. Casi no habría carbono, oxígeno, silicio, fósforo, hierro y más que requieran las estrellas para su producción.

Debido a eso, prácticamente no habría planetas rocosos, moléculas orgánicas y ninguna posibilidad de vida en estos lugares. Cuando vemos estas galaxias en su estado prístino temprano, estamos literalmente mirando atrás en el tiempo.

Una ilustración de la galaxia CR7, cuya luz llega a nuestro ojo desde hace 13 mil millones de años y que. [+] contiene solo estrellas formadas a partir de hidrógeno y helio prístinos, antes de que estuvieran presentes otros elementos pesados. Crédito de la imagen: M. Kornmesser / ESO.

¡Pero ese es un punto muy importante aquí! No estamos mirando estas galaxias como existen hoy, sino que es nuestra perspectiva: ¡somos nosotros los que miramos hacia atrás en el tiempo!

Para alguien en una estrella distante, en una galaxia distante o decenas de miles de millones de años luz en todo el Universo, nosotros serían los que parecían estar en el pasado. Para alguien a 100 años luz de distancia, nunca habría habido señales de una bomba nuclear en la Tierra, nunca hubiéramos inventado la computadora, ninguna transmisión de televisión se hubiera transmitido, incluso los tubos de vacío amplificadores no se hubieran inventado todavía. Para alguien en una galaxia a mil millones de años luz de distancia, nuestro Sol parecería más joven y más tenue, la Tierra habría albergado solo vida unicelular, sin plantas o animales discernibles, y los continentes de nuestros planetas serían en su mayoría estériles, cubiertos solo de hielo y suciedad.

Concepción artística del exoplaneta Kepler-186f, que puede exhibir propiedades similares a la Tierra (o temprano, pobre en vida. [+] Similar a la Tierra). Crédito de la imagen: NASA Ames / SETI Institute / JPL-Caltech.

Y lo más aterrador, para alguien que vea en lo que se convertiría en nosotros desde las galaxias visibles más distantes, nuestra Tierra y nuestro Sol no solo no existirían todavía, sino que probablemente tampoco lo haría la Vía Láctea. Más bien, seríamos una serie de pequeñas nubes de gas y protogalaxias, aún por fusionarnos en la estructura en espiral que llegaría a formar nuestro hogar. Solo existirían los cúmulos globulares más antiguos, más antiguos, que ahora se encuentran en el halo de nuestra galaxia, y serían ricos en estrellas calientes, jóvenes y azules, todas las cuales han desaparecido durante miles de millones de años.

Para cualquiera de estos observadores, ya sea en otra estrella, en otra galaxia o en todo el Universo, ellos vería un Universo muy similar al nuestro:

  • Un Universo que tiene 13.800 millones de años en la actualidad.
  • Un Universo donde, en todas las direcciones en las que miran, parecen estar viendo más atrás en el pasado.
  • Un Universo en el que el fondo cósmico de microondas se ha enfriado a 2.725 K en la actualidad.
  • Un Universo en el que la gran red cósmica parece indistinguible de la red cósmica que vemos.
  • Y un Universo donde, si nos volvieran a mirar, nos verían exactamente hace tanto tiempo como nosotros los vemos a ellos.

La estructura a gran escala en el Universo según lo mapeó el mejor estudio de galaxias anterior antes del SDSS. . [+] Crédito de la imagen: 2dF Galaxy Redshift Survey.

Con todo esto en mente, ¿no parece que hay una especie de tiempo absoluto, después de todo?

Si bien puede parecer así, ¡resulta que este no es el caso! Lo que resulta ser cierto es que el Big Bang ocurrió en todas partes del espacio hace 13.800 millones de años, y esto es cierto cuando se ve desde todas las galaxias que existen. Pero, ¿qué pasaría si hubiera galaxias por ahí que no se movieran a cientos o miles de kilómetros por segundo en relación con el marco de reposo del fondo cósmico de microondas, pero se movieran a cientos de miles de km / s, o muy cerca de la velocidad de la luz?

Una de las galaxias más rápidas conocidas en el Universo, atravesando su cúmulo (y siendo despojada. [+] De su gas) a un pequeño porcentaje de la velocidad de la luz: miles de km / s. Crédito de la imagen: NASA, ESA, Jean-Paul Kneib (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille) et al.

Así como el tiempo pasa de manera diferente para algo que se mueve cerca de la velocidad de la luz en la Tierra - una partícula, un tren o una persona - si tuviéramos un planeta, estrella o galaxia que se moviera cerca de la velocidad de la luz, y tenido Ha sido durante mucho tiempo, sería significativamente más joven que el resto del Universo!

Imagínese el siguiente escenario: cuando el Universo tenía solo mil millones de años, una galaxia, gracias a repetidas interacciones gravitacionales, aceleraba al 99% de la velocidad de la luz. Durante los 12,8 mil millones de años que han pasado nosotros Desde entonces, solo han pasado 1.800 millones de años para esa suerte (o Naciones Unidassuerte) galaxia. En comparación con las galaxias como la nuestra, parecerá más pequeña, más joven, más azul y "atrofiada" en su crecimiento.

Cómo las galaxias parecen diferentes en diferentes puntos de la historia del Universo: más pequeñas y más azules en. [+] tiempos anteriores. Crédito de la imagen: NASA, ESA, P. van Dokkum (Universidad de Yale), S. Patel (Universidad de Leiden) y el equipo 3D-HST.

Por lo tanto, el Universo debería aparecer igual para casi todos los observadores en cualquier lugar, habiendo pasado la misma cantidad de tiempo y el Universo teniendo las mismas propiedades a gran escala prácticamente en todas partes. Pero para unos pocos observadores selectos, los que han pasado un tiempo significativo moviéndose cerca de la velocidad de la luz. relativo al marco de descanso del CMB - el Universo será bastante extraño. Tan pronto como disminuyan la velocidad en relación con el CMB y se detengan, se encontrarán como jóvenes en un Universo extrañamente antiguo.

El hecho de que hayan pasado 13.800 millones de años desde el Big Bang es un hecho que se aplica a cualquier persona dentro de nuestro Universo observable, pero si estuvieras (o estás) cerca de la velocidad de la luz, ¡es posible que seas muy reacio a creerlo!


Origen del universo

Los científicos creacionistas demuestran que la primera ley de la termodinámica y la segunda ley de la termodinámica argumentan en contra de un universo eterno y también demuestran que estas leyes apuntan a que el universo está siendo creado sobrenaturalmente. [5] [6] [7]

Equívoco

Equivocación es el uso de una palabra con múltiples significados, y luego usar un significado diferente en la conclusión que en la premisa.

Por ejemplo: "El entrenador dijo que deberíamos comer ligero, así que quítese el abrigo grueso".

Los ateos, usando la falacia del equívoco, intentan oscurecer este asunto (ver: El equívoco del ateísmo y el origen del universo).

Según la teoría del Big Bang, el universo surgió a partir de una singularidad muy compacta [9] [10] hace aproximadamente 13.700 millones de años, y se ha estado expandiendo desde entonces. Este es el consenso científico actual y está de acuerdo con la gran mayoría de la comunidad científica. [11]

Los relatos bíblicos cristianos antiguos no están de acuerdo con la ciencia contemporánea, y los adherentes a ellos son conocidos como creacionistas jóvenes de la Tierra. El obispo James Ussher calculó que el universo se creó el 23 de octubre de 4004 a. C. Si bien esta no es la única cronología bíblica que se ha desarrollado, casi todas las cronologías dan una fecha de creación cercana al 4000 a. C. & # 91 Cita necesaria & # 93 .

Esto da lugar al "problema de la luz de las estrellas" para algunos cristianos, aunque no hay nada intrínsecamente ilógico en la creación de la luz. en el lugar para informar a la humanidad de la existencia de objetos a más de 6000 años luz. Los creyentes en la relatividad han construido una serie de modelos que explican que la edad del universo se ve afectada por los efectos de deformación del tiempo de la gravedad según lo predicho por la Teoría General de la Relatividad de Einstein, de modo que la edad del universo medida por un observador hipotético en el límite del universo puede ser de 14 mil millones de años, pero según lo medido por un observador en la Tierra es de solo 6,000 años. [12]

Un cálculo reciente situó el universo visible en unos 156 mil millones de años luz de diámetro. [13] Esto crea un dilema de movimiento más rápido que la luz, pero se especula que la expansión del espacio en sí puede exceder la velocidad de la luz incluso si los objetos dentro de él que se mueven por sí mismos no pueden. [13] Como analogía, imagina hormigas (galaxias), que no pueden caminar más rápido de 20 centímetros por segundo, sentadas en un cordón elástico. Normalmente, dos hormigas que se alejan una de la otra no pueden exceder una velocidad de 40 & # 160 cm / s entre sí (velocidad de la luz). Sin embargo, si el cordón se estira mientras las hormigas se mueven (expansión del espacio), la velocidad de las hormigas entre sí puede ser mayor.


¿Qué tan grande es el espacio? Vistas interactivas del universo en diferentes escalas. 4 de diciembre de 2014 13:35 Suscribirse

Es interesante notar que literalmente no tenemos idea de cuán grande es el universo. El universo observable tiene al menos 93 mil millones de años luz de diámetro, pero ciertamente es mucho más grande y posiblemente infinito.

Una cosa que encuentro alucinante sobre ese hecho es que, dado que el límite superior es infinito, y no tenemos otros universos como puntos de datos, ni siquiera podemos asignar probabilidades a ningún rango de tamaño. Por ejemplo, no podemos decir que hay un 90% de posibilidades de que sea menor que X años luz, para cualquier valor finito de X, o que sea mayor que Y para cualquier valor de Y por encima del mínimo. Eso derrite mi cerebro.
publicado por justkevin a las 2:12 p. m. del 4 de diciembre de 2014 [3 favoritos]

Cuando surge el tema de un gran universo, me gusta señalar mi proyecto personal favorito. Lo actualicé por última vez hace unos 8 años, pero todavía me encanta volver a visitarlo de vez en cuando:

Realmente debería volver y hacer más con ese sitio. Tal vez actualice el aspecto para que sea más moderno, agregue algunas comparaciones más, tal vez agregue la integración de Android para que la gente pueda compararse con el universo.
publicado por HappyEngineer a las 2:39 PM el 4 de diciembre de 2014

haricotvert: & quotSi estuviera viajando a la velocidad de la luz, el universo no tendría tamaño porque dondequiera que "fuera" saldría y llegaría exactamente a la misma hora, lo que significa que no se podría haber recorrido ninguna distancia.& quot

No.
publicado por señal a las 5:06 p. m. el 4 de diciembre de 2014

'Espacio. Parece seguir y seguir para siempre. Luego llegas al final y un mono empieza a tirarte barriles.

Phillip Fry
publicado por Hola, soy David McGahan a las 5:21 p. m. del 4 de diciembre de 2014 [1 favorito]

haricotvert: Depende de lo que quieras decir con el tamaño del universo. Por lo general, lo que la gente quiere decir es la distancia recorrida por los fotones en el fondo cósmico de microondas, que se emitió hace unos 13.800 millones de años (Gya) cuando el universo pasó de ser un plasma ionizado caliente, como la superficie del sol, a un gas eléctricamente neutro. . Por lo tanto, es común pensar que el universo tiene un radio de 13,8 mil millones de años luz (Gly). Pero la expansión del universo ha alejado esos objetos de nosotros desde entonces, ahora están a unos 45 Gly de nosotros, y son arrastrados por la expansión cósmica más rápido que la velocidad de la luz. (Solo admitiré que tengo algunos problemas para mantener la terminología correcta). Y además, debido a que podemos ver que el fondo de microondas es muy uniforme en temperatura, tenemos que inferir que cualquier borde o límite o cambio significativo en la estructura del universo es mucho más grande que la porción dentro de nuestro horizonte observable de billones de años luz, muy probablemente. Eso es solo el radio. El volumen del universo que podemos ver es una fracción muy pequeña del tamaño del universo.

De hecho, todo lo que esté más allá de 10 Gly o 15 Gly está más allá de nuestro `` horizonte de comunicación '': debido a que la expansión del universo se está acelerando, cualquier señal que enviemos hacia ellos (como un comentarista de Metafiltro que viaje cerca de la velocidad de la luz) nunca llegará. En la medida en que tenga sentido hablar de un observador de la velocidad de la luz que encuentra la ubicación del horizonte CMB, en realidad no estaría terriblemente deformado por la esfera que vemos.

También hay muchos otros problemas en juego. La cosmología es complicada.
publicado por fantabulous timewaster a las 5:50 p. m. del 4 de diciembre de 2014 [6 favoritos]

Si estuviera viajando a la velocidad de la luz, el universo no tendría tamaño porque dondequiera que "fuera" saldría y llegaría exactamente a la misma hora, lo que significa que no se podría haber recorrido ninguna distancia.

Hablamos del tamaño del Universo en la foliación espacio-temporal en la que el CMB es isotrópico.

En palabras que no están diseñadas para convencerte de que fui a la escuela de posgrado, cuando hablamos del tamaño del Universo visible, estamos hablando del tamaño en el marco de descanso en el que la radiación de fondo del resplandor del Big Bang ( el fondo cósmico de microondas (CMB) no tiene una dirección que parezca más caliente debido al movimiento relativo de un observador hacia ella.

Funcionalmente, esto es casi lo mismo que el marco de reposo de la Tierra. El Sol se mueve en relación con el CMB a 371 km / s, que es bastante rápido, pero solo 0.001c, por lo que el factor gamma relativo (el factor de dilatación del tiempo o de contracción de la longitud) es de aproximadamente 1.000001. Entonces tenemos que hacer correcciones para esto, pero no es un gran cambio.

Usamos este marco de descanso porque es efectivamente el marco de descanso del Big Bang. De vez en cuando pierdo el sueño preguntándome cómo eligió el Universo ese marco, pero tuvo que elegir algo, por lo que probablemente no haya un gran misterio allí. Entonces eligió ese marco en particular, y todo en el Universo que no se aceleró a velocidades enormes de alguna manera se está moviendo relativamente lento en relación con ese marco.

En este marco, calcular la evolución del Universo a lo largo del tiempo (para calcular, por ejemplo, la edad o el tamaño) es mucho más sencillo que cualquier otro marco, por eso lo usamos. Eso debería tener sentido: este es el marco en el que el Universo es plano e isótropo, por lo que no hay una dirección especial, y las cosas son aproximadamente iguales en todas partes, lo que hace que las ecuaciones diferenciales en evolución hacia adelante en el tiempo sean manejables. La llanura y la naturaleza isotrópica del Universo es un hecho no trivial, podrías haber construido un Universo muy parecido al nuestro que no lo fuera. Dado que nuestro Universo tiene estas propiedades (vea mis publicaciones aquí sobre la inflación para saber por qué podría ser así), podemos hablar del tamaño y la edad del Universo en el marco especial único que eligió el propio Universo.

Alguien se muda al 99.999999999. El% de la velocidad de la luz desde el nacimiento del Universo mediría diferentes longitudes y edades en relación con ellos mismos, pero también verían un CMB desplazado masivamente al azul en una dirección y al rojo en la otra, por lo que ellos también podrían averiguar que hay un marco de referencia especial y todas estas propiedades universales en ese marco, al igual que cualquier otro observador (como nosotros). Entonces será mejor que empiecen a preguntarse qué diablos hicieron para moverse tan rápido en relación con eso.

Para un fotón, por supuesto, el tiempo no existe, y la edad del Universo es una declaración sin sentido. Por supuesto, los fotones tampoco tienen mucha personalidad, por lo que preguntarles sobre la atemporalidad del tiempo no es un ejercicio útil.
publicado por physicsmatt a las 5:59 p. m. del 4 de diciembre de 2014 [8 favoritos]

Gracias por esas fabulosas explicaciones, física y fabulosa pérdida de tiempo. ¡Muy apreciado!

¿Creen los astrónomos que el universo existe realmente más allá del punto en que su expansión excede la velocidad de la luz? Me parece que habría algún tipo de & quot; horizonte de sucesos & quot; debido a la expansión cósmica, que los objetos nos parecerían moverse cada vez más lento debido a su aceleración hasta que alcanzan la velocidad de la luz y simplemente se detienen. ¿Es eso cierto, y si es así, no sería realmente el fin del universo para todos los propósitos prácticos?
publicado por haricotvert a las 6:50 p. m. el 4 de diciembre de 2014

Su pregunta es muy buena y la respuesta es complicada porque no solo hay múltiples ideas que deben transmitirse, sino que hay diferentes respuestas dependiendo del tipo de Universo en el que vivamos.

Resumen ejecutivo: en nuestro Universo, existe un horizonte de eventos cósmicos, más allá del cual nunca podremos ver la luz de los eventos que ocurren "ahora" debido a la expansión del Universo.

Ahora entremos en ello. Cuando hacemos cosmología, trabajamos en un marco de referencia narcisista donde nosotros, las personas que hacen el cálculo, vivimos en el centro del marco de coordenadas, en reposo. Todo lo demás, entonces, se aleja de nosotros. Ahora, podríamos, si quisiéramos, trasladar nuestros resultados a otro punto en el espacio, en cuyo caso ese punto estaría en reposo y todo se alejaría de ellos, incluyéndonos a nosotros en el punto central original.

La analogía habitual es vivir en la superficie de un globo inflado: todos en el globo se ven a sí mismos en reposo y el resto de la superficie se aleja de ellos. El verdadero "centro" del globo está en una coordenada ortogonal a la superficie, al igual que el "centro" del Universo es ortogonal a nuestro espacio 3-D (está atrás en el tiempo). However, any observer on the balloon surface could call themselves the "center" of the 2-D surface and work from there, and so any observer in the Universe can call their location the center of the 3-D surface for mathematical simplicity. (This assumes they are in the CMB rest frame, otherwise the observer sees special directions, but we already went over that.)

OK, so we sit in the center of our coordinate frame, and look around us. Since there is a cosmic speed limit, information can only propagate at the speed of light (or slower), so we are not aware of what's going on "now" elsewhere in the Universe. (Again, everything I'm going to say here will be using a specific slicing of time relative to the rest frame of the CMB) We have to wait until the light reaches us. Of course, as the light moves towards us, the Universe stretches due to cosmic expansion, and so the light takes longer to reach us than you would have expected if you just took the initial distance between the origin of the light and us at time of emission and divided that length by the speed of light. The light will also be red-shifted as it travels.

This means that at any given moment, there is the particle horizon: the furthest distance away from us at any moment at which we can see events occurring. Obviously, as the Universe gets older, our particle horizon gets larger: we can see "more" of the Universe because we have more time for the light to reach us. The size of the particle horizon at any moment depends on how the Universe's size changed at every moment from the "start" to today. That is, it is related to the integral of the rate of expansion of the Universe. This is driven by the types of energy density in the Universe, which we measure by a combination of particle physics (calculating how radiation drives expansion compared to non-relativistic massive particles, for example) and direct measurements of how fast distant objects seem to be receding from us as a function of their apparent distance.

Now, if the Universe was built only of matter and radiation, the particle horizon grows to infinity. That is, if you wait an infinite amount of time, you can, in principle, see infinitely distant events. Matter and radiation have specific meanings here: matter density dilutes as cube of the length scale increase, because if you have a room with matter in it, and make each side of the room twice as long while keeping the total amount of stuff the same, you have 1/2^3 the density. Radiation goes like scale^4, since the energy of radiation is in the wavelength, and that redshifts as the Universe expands.

There's a way of picturing this, called a Penrose diagram. I started trying to explain those here, but it's really hard to do without a picture, and so maybe I'll have to take it off-site.

Anyway, the point is that in a Universe of only matter and radiation, you can if you are patient see whatever you want, just due to how the Universe expands. However, we don't live in such a Universe. Our Universe has dark energy. Now, we don't know what the hell this stuff "is" on a level that makes a particle physicist like me happy. We don't know even how exactly it dilutes as the Universe expands. It is consistent, however, with not diluting at all as you increase the size of the Universe. Which is pretty nuts if you think about it. But such things are possible. If dark energy has that precise property, it's a "cosmological constant" (it could also dilute a little as the Universe expands, or even increase in density a little as the Universe expands. We need to make more precise measurements of the expansion history to reduce the error bars.)

With a cosmological constant, the expansion rate of the Universe will keep increasing. Since a cosmological constant is constant, eventually it will be the only stuff around that is important in terms of how the Universe expands, regardless of how much matter or radiation you started with, or how small your cosmological constant value is. Today, the Universe is 68% dark energy, but earlier in time it was less dominated by this type of energy. In the future, the relative amount of dark energy will grow asymptotically to 100%. The energy density of dark energy (Lambda) remains constant though (again, assuming it's a perfect cosmological constant).

In such a Universe, there is an event horizon: a distance beyond which the light from events that occur will never reach you, no matter how long you wait. This horizon is small if the cosmological constant is big, and large if the constant is small (small Lambda means small rate of acceleration, so we should see further before the Universe's acceleration kicks in enough). So our event horizon goes like 1/Lambda.

So, in a Universe like the one we thought we lived in prior to 1998, you can see everything, assuming you're immortal, patient, and willing to build impossibly good telescopes that can see impossibly low energies. In the real Universe, the one with a small non-zero Lambda, that one you can't. We have a horizon, and beyond that we can have no idea of what's going on. Ever.

Now, just to bend brains a bit more before I leave, I will remind the observant reader of a few things. We're talking about an event horizon, which defines a boundary between what I can in principle see and communicate with and what I can't. Black holes also have event horizons. Hawking proved that black hole event horizons radiate. They have to radiate because black holes have entropy, and they have to have entropy because otherwise there's a way to violate the 2nd law of thermodynamics (throw a high entropy system into a black hole. If the black hole doesn't have entropy, viola, you have the perfect trash compactor for entropy. This would be bad for physics. ) Later, it was realized that black hole entropy means that all the information inside a volume can be painted somehow onto the 2D surface of the horizon around the volume. This makes very little sense from the perspective of quantum field theory, but appears to be true. Look up my posts here about the Holographic Principle.

Since our Universe has Lambda not equal to zero (such a Universe is called a 'de Sitter' universe), we too have a horizon. Every observer has an event horizon, but that horizon is different for each observer, just as every observer can see themselves as the center point from which everything expands away from. All these horizons also have entropy, and radiate. According the Holographic Principle, everything that is occurring or can occur or will occur in our visible Universe is somehow painted onto the 2D cosmological event horizon. Fun, isn't it?
posted by physicsmatt at 6:50 AM on December 5, 2014 [17 favorites]

I suppose one point that might help is to clarify when we say "expansion of the universe" we aren't meaning "movement of matter away from the "center" or origin point of the big bang" but that space itself is literally expanding, not just a uniform cosmic empty space where "the universe" (i.e. the matter/energy we think of as "stuff") expands into. That's one of the trickiest ideas to get your head around, though once you grok that it helps simplify a lot of stuff.

It sounds that haricotvert groks that, but figured I'd drop that in for people who are reading this who might not.

I mean I think my understanding is (mostly) right in that regards?
posted by symbioid at 8:44 AM on December 5, 2014

Well - we theorize it from an information theoretic principle, but I don't know if we can say we "know" in the same sense we know E=MC^2 or even that black holes evaporate.

Not that I don't love that idea. I think theoretically it's a fun idea to mess with, and I know we have those laser interferometers testing things regarding this, but I haven't followed up on the latest news on that.

(says someone who occassionaly reads books on this and again - would prefer if a real physicist chimed in).

Speaking of - physicsmatt, you say the current universe fits a "deSitter universe" description, but it sounds like the tecnical definition of a deSitter Universe is one that doesn't contain Mass/Energy (matter) and thus requires mostly empty space? The wiki article makes it sounds like early/pre big-bang universe was deSitter space, and that eventually via expansion, the . well the matter will be "diluted" enough such that the effects of space expansion will be the dominant force and thus a real deSitter space again, whereas we're not technically in one now due to the local and networked effects of mass on the fabrice of space time. Is that reading correct?
posted by symbioid at 11:11 AM on December 5, 2014

Well, there's no purpose to the universe of physics, but that's all just a model (or, more accurately, a whole bunch of models). An incredibly useful model, but it's not the way things "really are". It's a kind of net cast over reality through the expedient of measurement -- and again, there's no question this is an immensely practical way of proceeding -- but most people mistake the resultant model for the real thing, and wind up asking questions like "What's the purpose?" which make no sense in the context of the model. "What's the purpose?" is an infinitely regressive question in the context of a hypothetical world of discrete objects and forces interacting with each other causally in space and time, because whatever purpose you came up with, there would then have to be a purpose FOR the purpose, and so on. But that just means that if you want to know why you're here, physics (or any kind of materialism) is the wrong model -- not that there's no purpose or that the universe actually is material.

That said, it is indeed liberating to realize that the physical model admits of no purpose as we habitually think of purposes. Definitely takes the pressure off! Then you can sit back and enjoy the stars.
posted by haricotvert at 12:46 PM on December 5, 2014 [1 favorite]

symboid, oops yes, you are correct. Right now we're not a perfect de Sitter because there's still matter and radiation density around. Asymptotically, we will approach perfect de Sitterness in the far future (modulo quantum fluctuations and other mysteries of the Universe we don't understand today). I got a bit sloppy and called our present Universe "de Sitter" since that's often how I refer to it in day-to-day work (since we're usually referring to asymptotic properties at that point). A certain laziness of language is surprisingly common in my line of work (figuring out when you can be lazy and when you can't is part of the grad school process).

Usually I remember to de-lazify when writing these things up here, or at least sneak it by you all with razzle-dazzle when I don't. Damn you for noticing (puts symboid on The List).
posted by physicsmatt at 4:15 PM on December 5, 2014 [1 favorite]

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Age of universe

Basically, we can set an overall reference frame by using the temperature of the CMB. An observer anywhere in our universe, no matter their reference frame, can look at the CMB and measure its temperature (provided they have the right instrument).

We can define a global reference frame by the following two criteria:
1. An observer in the global reference frame sees a CMB which is has the same average temperature in every direction (that is, it has no dipole). This means that the observer is at rest with respect to the CMB.
2. At a given time t, the every observer sees the same temperature of the CMB. That is to say, we can define a global "now" by saying that all observers "now" see the same temperature of the CMB that we see (2.725K). These observers will see the total time passed since the big bang as being the same, so we can use the same time coordinate.

This is perhaps a bit technical. But the upshot is that the fact that our universe is, on average, the same in every location and in every direction means that there is a convenient choice of reference frame. With this convenient choice, we can talk about things like the age of the universe in a sensible way, in a way that observers on far-away galaxies will agree with.


The Future

We are currently at the end of the first year.

Length of Day increases by 1 second 1 January at 00:01:45
Constellations no longer recognisable 1 January at 00:03:30
East Africa splits off after Great Rift Valley flooded 1 January at 05:50
Mediterranean Sea closes
Gregorian Calendar has Northern Hemisphere Summer in late Deccember
2 January at 04:12
The Sun (and Earth) will have completed an orbit around the Galactic centre 6 January
The Moon will be too far from the Earth to cause a Total Eclipse of the Sun 14 January
Because of increase in Sun's luminosity, plate tectonics slows and stops
This lowers atmospheric carbon dioxide to the point where photosynthesis stops
Most higher plants die
14 January
Atmospheric carbon dioxide falls to a level that kills all multi-cellular life 19 January
The Sun's luminosity increases by 10%
A wet green house effect causes the evaporation of the Earth's oceans
24 January
All non-bacteriological life extinct 1 February
Earth's liquid core solidifies shutting down the magnetic field 25 February
Earth's surface temperature reaches 147 degrees killing all life 9 March
The Moon's distance from the Earth has increased to the point where the Earth's axial tilt becomes chaotic 14 March
Earth's surface conditions comparable to Venus now 26 March
Andromeda Galaxy collides with our Galaxy - no effect on the Earth 7 April
Sun begins to expand into a Red Giant star becoming hundreds of times more luminous 11 May
Sun reaches its maximum size as a Red Giant and swallows the Earth 11 July
Sun becomes a tiny White Dwarf star after shedding much of its mass 13 July
Sun cools to the point where it is no longer emitting light 16 December
The expansion of the Universe places all galaxies outside the Local Group beyond observation 6 years 7 months
The 47 galaxies of the Local Group coalesce into one large galaxy 30 years
Star formation ends as galactic gas depleted 650 years
All stars are non-energy producing remnants 8000 years
The Sun will have cooled to 5 degrees above Absolute Zero 65000 years

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Lecture 2: Origins of Modern Science, Astronomy, and Astrobiology

Ancient Greek (i.e. Aristotelian) philosophy asserts that: The Earth is fixed and unmoving at the center of the Universe The laws on Earth are different than those in the Heavens Copernicus advocates heliocentric model, and begins the "Copernican Revolution" Kepler uses Tycho's data to refine model Galileo shows the Earth is not the center of the solar system Newton demonstrates that the very same laws of physics govern the Earth and Heavens. Physical estimates of the age of Earth indicate that it is much older than our records of human civilization Estimates of the scale of the Universe indicate it is very large By the mid-20th century, the key pieces of knowledge are in place for the development of astrobiology Technological advances turn philosophy into science.

Stars are pinpoints of light that appear to move from East to West. The Sun is a bright disk

1/2 degree across that moves East to West, but in one year moves relative 360 degrees relative to the stars (from West to East). The Moon is a pale disk

1/2 degree across that moves East to West, but in one month moves relative 360 degrees relative to the stars (from West to East), and has phases.

The Geocentric System Geocentric = Earth-Centered Anaximander of Miletus (611-546 BC) The first Greek philosopher to suggest a geocentric system: Earth was a flat disk (cylinder) fixed and unmoving at the center. Sun, Moon & Stars were affixed to rotating crystalline spheres centered on the Earth. Sun, Moon & Stars were physical objects.

Aristotle (384-322 BC) Pupil of Plato, tutor of Alexander. His On the Heavens refined previous systems 55 crystalline spheres within spheres Incorporated physical reasoning: Earth fixed and unmoving at the center as it was too big to move, including rotation. All spheres were in uniform circular motion.

The Aristotelian System makes certain basic assumptions: The Earth is a sphere, fixed & unmoving at the center of the Universe. Natural state of motion on Earth is rest. The natural state of the heavens is unceasing uniform circular motion. A rotating or revolving Earth is "unnatural".

The Aristotelian system makes a distinction between the heavens versus the Earth Heavens: Perfection Uniform circular motion Constant motion The Earth: Center of the Universe Sphere, fixed & unmoving Natural state of motion on Earth is rest.

The "rules" of the Earth do no apply to the heavens.
A basic assumption that affects all subsequent ideas.

The problem of the planets

Planets: (Greek: planetai = wanderers) Objects that move relative to the "fixed" stars. Stay within a few degrees of the Ecliptic. In general, the planets move eastward relative to the "fixed" stars. Sometimes, however, the planets appear to Slow down, stop, start moving westward, or RETROGRADE, stop again, and then resume moving eastward. Very hard to understand in the simple geocentric uniform motion picture.

Elaborated on a system of 'epicycles,' creating a geocentric model that explained retrograde motion Epicyclic models have a number of successes: Reproduces the retrograde motion of planets.

The Ultimate Geocentric System Ptolemy's final system was quite complex: 40 epicycles & deferents required. It provided accurate predictions of the motions of the planets, Sun, and Moon. It was to prevail virtually unchallenged for nearly 1500 years. Was rooted and associated with fundamentally Aristotelian ideas Essentially precludes even the notion of life elsewhere.

Sun at the center. Earth rotates about its axis Earth revolves about the Sun. + Explains retrograde motion naturally. - Didn't work much better, although it was more elegant. - No observational evidence (no parallaxes!)

Scientific Objections to Copernican Model No observational evidence of orbital motion: Parallax As Earth orbits around the Sun, it moves 2 AU from one side to another in 6 months. A nearby star would appear to shift position with respect to more distant stars. The apparent shift is the "stellar parallax" Parallax was not observed in Copernicus' time, suggest that the Earth does not move.

Brilliant German Mathematician Staunch Copernican Convinced the Universe was governed by physical laws. Obsessed with finding harmony in the heavens. Had a genius for data analysis Inherited Tycho's data Mars was the key to unlocking the secrets of planetary motion. Kepler began analyzing Tycho's data on the orbit of Mars. Last data point did not fit by 8 arcminutes Kepler listened to the data: Knew Tycho's data were accurate to 1-2 arcminutes. Kepler questioned his assumptions: Forced to abandon uniform circular motion. Concluded Mars' orbit was not a circle, but instead an ellipse with the Sun at one focus.

Italian contemporary of Kepler: Gifted mathematician Brilliant observer & experimenter Preferred experimentation and measurement to philosophical rhetoric. Staunch anti-Aristotelian Often at odds with the scholarly establishment Built a telescope and observed the sky Observed: Sunspots,mountains on the moon, -> showed that the heavens were not perfect phases of Venus -> showed that Venus orbits the Sun moons of Jupiter -> showed that there were other centers of motion other than the Earth

Newton Unified all motions into three simple laws. Replaced older, empirical or philosophical descriptions with quantifiable, physical explanations of the nature of the World. Explained the motion of all objects with the same set of self-consistent rules. Developed the law of Universal Gravitation which governs all things Demonstrated that the physical laws which govern motion are the same everywhere

The Copernican Revolution Completed We do not occupy a special or privileged place in the Universe. The Universe and everything in it can be understood and predicted using a set of laws ("rules"). The entire Universe obeys the same rules.

How Old is the Earth? James Ussher (1581-1656) Protestant Archbishop of Armagh Classical & biblical scholar Sought a critical chronology of human history, including the date of the Creation. Annals of the World (1658): Sunday, October 23, 4004 BC First Sunday after the Autumnal Equinox in 4004 BC (Julian Calendar).

All of the estimates from Ussher and before are based upon the same central assumption: Human history can be equated with the physical history of the Earth. Not surprising given the vestigial Aristotelian philosophy.

After the Copernican revolution, physical estimates of the Earth's age were sought. Example: Charles Darwin Theory of Natural Selection Slow changes in species over time Takes a long time for profound changes Concluded that the Earth probably had to be more than 500 million years old

Radioactive Dating of the Earth Oldest surface rocks known are 4.3 Gyr old The best estimate of the age of the Earth: 4.5 billion years Edad del Universo 14 billion years Civilization: less than 10,000 years

How big is the Universe? The Parallax View Stars are more distant than people thought All stellar parallaxes are less than 1 arcsecond Cannot measure parallaxes with naked eye. First observed in 1837 by Friedrich Wilhelm Bessel for the star 61 Cygni. Used a telescope Measured a parallax of 0.3-arcsec Means its distance is

630,000 times the distance to the Sun!

By the early 1900s, there were two lines of thought about the "Scale of the Universe" How big is the Milky Way? How distant are the Spiral Nebulae? Island Universe Hypothesis: Spiral Nebulae are much more distant than the "edge" of our Galaxy, and so very large (as big as our Galaxy). Nebular Hypothesis: The Spiral Nebulae are nearby, thus inside our Galaxy and and thus smaller than it.

Debate was ended in 1923 by Edwin Hubble Used the new 100 inch telescope on Mt. Wilson Found variable stars that he used to estimate the distance to Andromeda Nebula Found it was much further away than the size of the Milky Way, and thus was not in the Galaxy Also found that it was the same size as the Milky Way

The Birth of Astrobiology By the middle of the 20th Century, the key pieces of knowledge were in place We do not occupy a special or privileged place in the Universe. The Universe and everything in it can be understood and predicted using a set of laws ("rules"). The entire Universe obeys the same rules. The Universe is big! The Universe it old (but we are young)!

All that was required to turn astrobiology from philosophy to science was the development of technology.

See A Note about Graphics to learn why the graphics shown in the lectures are generally not reproduced with these notes.


Lecture 19: Special and General Relativity

Result was a set of laws formulated from the perspective of an absolute "God's Eye View" of the Universe.

Einstein's Challenge

  • We cannot take a "God's eye view" of the Universe.
  • We can only compare our view with that of other observers.
  • All information we have is carried by light.
  • But, light moves at a finite speed .

Result is an irreducible relativity of our physical perspective.

Seeing the world

All information about the Universe is carried by light.

Speed of Light : c = 300,000 km/sec

  • 65 mph = 0.028 km/sec = 9.3x10 -8 c
  • light travel time in the lecture hall (front-to-back) =

Our everyday experience of the world is with phenomena at speeds much slower than the speed of light.

1st Postulate of Special Relativity

The laws of physics are the same for all uniformly moving observers.

"Uniformly" = "with a constant velocity "

  • No such thing as "absolute rest".
  • Any uniformly moving observer can consider themselves to be "at rest".

2nd Postulate of Special Relativity

The speed of light in a vacuum is the same for all observers, regardless of their motion relative to the source.

  • The speed of light is a Universal Constant .
  • We cannot send or receive information faster than the speed of light.

This has been experimentally verified in all cases.

Essential Relativity

  • Both measure the same speed of light
  • Both find the same physical laws relating distance, time, mass, etc.
  • But, both measure different distances, times, masses, etc. applying those laws.

The key is the role of light .

The Relativity of Time: A Thought Experiment

Consider a simple photon clock:

  • Laser fires to a mirror 1.5 meters away
  • Light bounces to a detector
  • Photon Path Length = 3 meters
  • One "Tick" = Time of Flight = 3 meters / c = 10 -8 seconds

Relativity with Dick & Jane

  • Constant Relative Speed = 0.8 c
  • Jane is carrying a photon clock
  • Each measures how long it takes between "ticks" of Jane's photon clock.

Jane's clock as seen by Jane:

Jane's clock as seen by Dick:

He Said, She Said.

  • Jane's Speed = 0
  • Dick's Speed = 0.8c
  • Photon Speed = c
  • Path Length = 3 m
  • 1 Tick = 10 -8 sec
  • Jane says: "My Clock Runs OK"
  • Jane's Speed = 0.8c
  • Dick's Speed = 0
  • Photon Speed = c
  • Path Length = 5 m
  • 1 Tick = 1.67x10 -8 sec
  • Dick says: "Jane's Clock is running slower ."

Relative Time

Our result is true for all clocks.

  • Times passes at different rates for observers moving relative to each other.
  • At speeds small compared to c, the difference is very small.

Verified experimentally using atomic clocks on airplanes and satellites.

Consequences of Relativity

  • Do not measure the same times kept by clocks.
  • Disagree on what events occur simultaneously.
  • Do not measure the same lengths of objects.
  • Do not measure the same masses for objects.

Spacetime

  • Space & Time are relative .
  • United by light into Spacetime .
  • Only spacetime has an absolute reality independent of the observer.

Light the Unifier

  • All uniformly moving observers see the same physical laws.
  • All observers measure the same speed of light.

What about Gravity?

Special Relativity is restricted to uniformly moving ( unaccelerated ) observers.

But, objects are accelerated by gravity. (Newton: "They feel a gravitational force .")

Einstein took 8 years to generalize relativity.

This was to lead to a completely new theory of gravity.

Newtonian Gravity

  • Matter tells gravitation how to exert a Force .
  • A Force tells matter how to accelerate .

A mass m is accelerated by another mass M:

Einstein's Discontents

    The force law (line 1) implies instantaneous knowledge of the distance, R, but information is only transmitted at the speed of light .

"I frame no hypothesis."

The Principle of Equivalence

There is no distinction between gravitational and inertial accelerations.

General Relativity

Gravitation binds matter to matter.

But how does matter "know" that the other matter is "out there"?

  • Special Relativity used light to unify space & time into spacetime, but left matter separate.
  • Need to unite matter & gravity with spacetime.

Enter Geometry

Newton's laws lead to a geometric description of motion:

Use geometry to describe the paths of objects moving through space.

Need to describe the geometry of spacetime .

The Shortest Path.

  • The shortest path between two points is a straight line .
  • Parallel lines stay parallel always.
  • The shortest path is a curved line .
  • Lines that start parallel can converge or diverge at some distance away.

Geometry the Unifier

Moving objects follow straight lines.

Curved Spacetime

  • The least paths are curved lines.
  • More mass = Greater spacetime curvature.
  • Closer = Greater spacetime curvature.

A freely falling object follows a curved path.

A New Theory of Gravity

Replaces the Newtonian idea of a "force" with the curvature of spacetime.

GR has so far withstood all experimental tests.

The Precessing Orbit of Mercury

Mercury's orbit major axis precesses slowly by

Einstein 1, Newton 0

  • Spacetime curvature changes as Mercury gets closer to the sun on its orbit.
  • Gives the orbit a little twist.
  • This adds an extra 43 arcsec/century!!

Bending of Starlight

Light travels on the shortest path through spacetime.


Data are from the 1922 Total Solar Eclipse.

Another Prediction: Gravitational Lenses (1980s)

The Binary Pulsar

1975 : Hulse & Taylor discover a binary pulsar

  • Accelerating masses emit Gravity Waves.
  • Loss of energy from Gravity Waves should make the pulsars orbit closer.

Hulse & Taylor won the 1994 Nobel Prize for this discovery.

What about Newton?

Newton's laws are approximations of GR.

Notas:

If you do not make this correction and instead measure the precession relative to the equinox, you get the values quoted in some books, namely 5600.73 arcsec/century observed, and 5557.62 arcsec/century predicted by Newtonian gravity. However, of the predicted 5557.62 arcsec/century, only

523 arcsec/century is actually due to the combined gravitational tugs of the other planets on Mercury the rest is due entirely to the poor choice of reference frame. The 43 arcsec/century discrepancy between observations and the Newtonian prediction, of course, remains unchanged.


Is the age of the universe relative to an observer's location in that universe? - Astronomía

My bright teenage son, after considerable calculation, has concluded that the universe is approximately 162 sextillion miles wide. He based his calculation on the basic 186K mi/sec speed of light x the estimated 13.8 billion year age of the universe. When I pointed out that 13.8 billion years of expansion is not the same as 13.8 billion LIGHT years of expansion, he asserted that I was in fundamental error on that point. I don't mind being in error, but do mind that one of us, now, has clearly gone astray in his basic understanding. If it is me, please set me straight!

From the current rate of expansion of the Universe, astronomers infer that the age of the observable Universe is about 13.8 billion years. In other words, if we assume that the Universe has been expanding at a constant rate since the Big Bang, then the rate of expansion tells us how far back in time the expansion started, which we take to be the beginning of the Universe. If the Universe is 13.8 billion years old, then light has had 13.8 billion years to propagate, and so the statements "13.8 billion years old" and "13.8 billion light years apart" are completely equivalent.

The catch is going from light-years to miles. In the local Universe, we know the conversion, since for all intents and purposes we live in a locally flat, spatially "euclidean" Universe ("euclidean" just means that the three angles of a triangle on a surface add to 180 degrees this is true for a sheet of paper (which is flat), but not on the surface of a sphere or a saddle (which are both curved)). However, when we look at large distances we have to take the 4-dimensional curvature of the Universe into account. In essence, your son has calculated an accurate "radius" for the observable Universe provided that the Universe is flat (a sort of 4-dimensional sheet in spacetime in which light travels in straight lines), and that the rate of expansion of the Universe has remained constant.

Today, we think that half of your son's assumptions are right. Observations indicate that the Universe is either flat, or so big that the curvature is negligible. However, there is recent evidence that the rate of expansion of the Universe is increasing with time that is, galaxies are moving away from each other *faster* today than they were in the past. This means that the observable Universe is *more* than 13.8 billion years old. It also means that the energy density of the Universe at present is dominated by "dark energy", a substance with "negative mass" that pushes the Universe apart rather than pulling it together like regular matter does (sound like science fiction? It still is, for the most part, since scientists don't yet have any idea what dark energy is. ). The presence of dark energy also affects the curvature of the Universe in the past, which then throws off the conversion from light-years to miles. This is perhaps the best reason why cosmologists avoid using actual distances altogether, unless they are trying to figure out precisely what that conversion factor is.

After 13.8 billion years of expansion, is the universe 13.8 or 27.2 billion years "wide". My son asserts that because the expansion is one of space rather than matter, its total dimension = its time of expansion. This logic escapes me. If is is "expanding," surely it is doing so in all directions at once, thus yielding, to my (admittedly fallible) logic the necessity of its "furthest limits" moving diametrically away from each other. I.e., being two years separated in one year's expansion. Am I confusing time and distance here?

Note that in the above paragraphs I have been careful to use the term "observable Universe" rather than Universe. The Universe itself, or the maximum amount of space that we will eventually be able to see given an infinite amount of time, may well be infinite. In quoting a size of the Universe we infer how far we can see in one direction (13.8 billion light years), and how far we can see in the other direction (13.8 billion light years) and add the two to get a size (27.2 billion light years). An age of 13.8 billion light years in each direction therefore leads us to infer that we are at the centre of a sphere with radius 13.8 billion light-years, and hence that the Universe is 27.2 billion light-years "across". The trick, however, is that because the Universe is homogeneous and isotropic, every observer must measure a size of the Universe that is 27.2 billion light years. even ones that are at the "edge" of our observable Universe! This means that either the Universe is sufficiently curved that space doubles back on itself (like on the surface of a sphere), or that the actual Universe is much larger than the observable one. We currently think that the latter possibility is the case.

This page was last updated on July 18, 2015.

Sobre el Autor

Kristine Spekkens

Kristine studies the dynamics of galaxies and what they can teach us about dark matter in the universe. She got her Ph.D from Cornell in August 2005, was a Jansky post-doctoral fellow at Rutgers University from 2005-2008, and is now a faculty member at the Royal Military College of Canada and at Queen's University.


Watch the video: La ciencia reproduce primer instante del universo (Enero 2022).