Viteza BIG BANG!

[Adi]

Am inteles. Multumesc, Alexandru! Chiar esti grozav. Ehe, nu imi vine sa cred ca nu imi fixasem inca aceasta notiune fundamentala precum constanta lui Hubble. Deci e ca si cum ai avea un bat de metal care se alungeste la cresterea temperaturii. Si te intrebi, in fiecare secunda, cu ce procent ii creste lungimea? Am inteles bine? Numai ca in cazul Universului, lungimea e data de raza de curbura a spatiu-timpului, nu? Mersi mult.

[AlexandruLazar]

Exact! Adică, e ca şi cum ai fi o furnică şi te afli pe bățul de metal de pe care nu te poți da jos. Nu poți măsura viteza cu care se măreşte bățul, din cauză că nu te poti da jos de pe el, şi atunci ca să vezi care e viteza cu care bățul se măreşte, vezi cu cât se îndepărtează capătul lui de tine în fiecare secundă.

Problema e ceva mai subtilă pentru că într-adevăr, la scară foarte larga, intervine problema măsurării acelei distanțe (şi în plus, în astronomie, problema faptului că efectul nu se poate observa local, unde spațiul este împiedicat să se lărgească de gravitație). De aceea, galaxiile mai apropiate par a se mişca mai încet decât cele îndepărtate: pentru că e mai puțin spațiu care să se lărgească între noi şi ele. Aşa încât, dacă vrei, e ca şi cum bățul respectiv s-ar dilata foarte puternic, dar numai în anumite regiuni; dilatarea, acolo unde influența gravitației e practic nulă, se face la aceeaşi viteză. Dar o regiune mai îndepărtată va părea că se mişcă mai repede, pentru că, după ce că ea se dilată, mai există şi regiunea din spatele ei, care se dilată şi ea.

[Osmiumbin]

Eu as masura viteza de expansiune in alt mod! Pentru ca nu este o viteza liniara ci una radiala atunci avem de-a face cu volumul universului care variaza in timp, nu cu o dimensiune anume. Asa ca, (doar o idee) am putea masura viteza nu in m/s ci in m³/s  De fap, combinand cu constanta Hubble ne da ceva de genu m³/s/Mpc  Sper sa nu gandesc prostii

[AlexandruLazar]

Problema măsurării expansiunii, aşa cum o pui tu, este de a stabili mai întâi ce anume vrei să măsori.

Ceea ce noi putem măsura este exclusiv viteza cu care corpurile se îndepărtează de noi. Nu putem măsura viteza cu care marginea Universului se îndepărtează de noi, pentru că nu putem vedea. Atunci ce am putea măsura?

Răspunsul stă în măsurarea constantei lui Hubble. Practic, ideea e următoarea. Să zicem că măsurăm viteza cu care două galaxii, G1 aflată la distanța d1, şi G2, aflată la distanța d2>d1, se îndepărtează de noi. De dragul calculelor, hai să luăm d1 = 1 MPc şi d2 = 2 MPc Presupunem (pentru simplitate) că G1 şi G2 nu au mişcare proprie una față de alta sau față de noi (deci că cele trei corpuri "stau pe loc". La scara la care lucrăm, oricum nu ne afectează). Vedem că G1 se mişcă față de noi cu viteza v1, şi apoi măsurăm v2. v2 e mai mare ca v1, pentru că G2 e mai departe. Dacă observăm (de pildă) v1 = 10 km/s şi v2 = 20 km/s, asta ne spune că o distanță de 1 MPc introduce, în fiecare secundă, 10 km în plus. Adică, un spațiu (măsurat liniar) de 1 MPc se extinde cu 10 km/s.

De ce nu măsurăm în trei dimensiuni (m^3/s)? Pentru că nu prea are rost: spațiul se extinde la fel în toate direcțiile (din nou, neglijăm efectele locale ale gravitației!). De aceea, dacă am fi în G1, am vedea atât G2, cât şi fosta noastră locație, îndepărtându-se amândouă cu 10 km/s.

De-asta e atât de importantă constanta lui Hubble: pentru că ea măsoară efectiv care este rata de expansiune a Universului. Ea dă, de fapt, viteza pe care o cauți, dar efectele ei sunt imprevizibile. O galaxie aflată la 1000 MPc şi având ea însăşi o mişcare proprie de 1000 km/s va avea, în final, o viteză observabilă enormă. Măsurarea constantei lui Hubble este însă foarte dificilă, din următoarele motive:

- Atunci când o măsori, trebuie să lucrezi la o scară extrem de mare, pentru că spațiul este "strâns" de gravitație.

- Măsurarea constantei lui Hubble (o să încerc să revin cu un post mai detaliat) depinde foarte mult de măsurarea corectă a distanțelor. Asta merge pentru stele apropiate prin paralaxă, la distanțe mai mari însă erorile sunt şi ele mai mari. La ora actuală, eroarea atinsă pentru constanta lui Hubble e prea mare pentru multe din lucrurile care ne trebuie (în jur de 15%).

[Osmiumbin]

Da, uite aici 

[Adi]

Alexandru, multumesc mult, am inteles tot ce ai spus. Explici foarte bine. Ma bucur ca un specialist (in devenire) in astronomie este pe forumul nostru, asa cum si eu si alti doctoranzi suntem specialisti (tot in devenire) in alte domenii ale stiintei. Ma bucur ca ne-ai descoperit.

[OT]
Ai vreo sugestie/contacte cum am putea ajunge si la alti colegi de-ai tai? In special, sunt atatia studenti la fizica in tara, dar nu le-am scris, nu le stiu contactele de la asociatiile de profil in tara. Orice sugestii sunt binevenite. Tare mult ma bucur cand ne descopera lumea din articolele ce apar in presa preluate de la noi, sau de pe google, sau de pe alte forumuri.
[/OT]

[AlexandruLazar]

Îți dai seama că la rândul meu sunt foarte bucuros că v-am găsit (sau mai bine zis că mi-ai găsit blogul şi m-ai invitat aici ). Din păcate, eu sunt student la Inginerie Electrică, nicidecum la Fizică, dar o să încerc să întreb profesorii de fizică de aici dacă au vreo idee.

Osmimbin... exact nu citisem topicul acela, altfel în mod sigur l-aş fi dat.

[Osmiumbin]

L-ai fi dat unde?

[Adi]

Îți dai seama că la rândul meu sunt foarte bucuros că v-am găsit (sau mai bine zis că mi-ai găsit blogul şi m-ai invitat aici ). Din păcate, eu sunt student la Inginerie Electrică, nicidecum la Fizică, dar o să încerc să întreb profesorii de fizică de aici dacă au vreo idee.

Alex, sa nu te superi pe mine, dar am scris pe cateva bloguri ce pareau de stiinta. Imi reaminti care este blogul tau? In alta ordine de idei, studenti la inginerie, nu doar la stiinte, sunt bineveniti pe site. Poate ai colegi interesati, ori de a citi, ori de a contribui pe forum, ori de a scrie cate un articolas, ori de toate ...

[AlexandruLazar]

L-ai fi dat unde?

În răspunsul meu pentru Adi .

Blog-ul meu este la http://wrds.wordpress.com (din păcate mi-au picat în cap multă muncă şi acum facultatea, aşa că n-am mai terminat articolul despre LHC de-acolo, din lipsă de timp; dar o să-mi fac eu timp şi de el).

[AlexandruLazar]

Ok, răspunsul pe care îl promiteam despre măsurarea constantei lui Hubble vine . Îmi cer scuze pentru postarea consecutivă; mesajul meu de mai sus nu mai poate fi editat acum.

Măsurarea constantei lui Hubble porneşte de la legea aceluiaşi Hubble privind viteza de recesie. Precum ştiți, dilatarea spațiului face ca obiectele îndepărtate să pară a se îndepărta toate de noi, cu o viteză tot mai mare pe măsură ce distanța dintre ele şi noi este mai mare. Aceasta cu precizarea că efectul se face simțit numai la scară foarte mare. La nivel local, unde există corpuri masive ce curbează spațiul, expansiunea acestuia nu se mai face simțită (ca urmare a acreției: tendința naturală a spațiului este aceea de a se extinde, însă influența gravitației îl "strânge" la un loc. Efectul e cunoscut sub numele de "the finger of God". Da, Sfinxule?).

Legea lui Hubble arată cam aşa: v=H₀*D, unde:

* v este viteza de recesie (viteza cu care se îndepărtează) un obiect,
* D este distanța până la obiectul respectiv la un moment t,
* H₀ este constanta lui Hubble la un moment t.

De notat este faptul că, în realitate, constanta lui Hubble nu e chiar constantă, ci depinde de timpul considerat. Dar, pentru un moment anume, ea are aceeaşi valoare în tot Universul.

Măsurarea constantei lui Hubble se face deci destul de uşor ca principiu. Pe scurt, se măsoară viteza de recesie pentru un număr de obiecte (cât mai mare, pentru a anula efectul erorilor de măsură) şi se coroborează cu distanța până la ele. Ordinea în care aceste două determinări se fac nu contează, pentru că vorbim de distanțe de ordinul kiloparsecilor sau megaparsecilor, față de care viteze de expansiune de 70, 80 de km/s sunt nesemnificative şi nu afectează rezultatul final. De fapt, distanțe atât de mari nici măcar nu pot fi măsurate cu precizie de ordinul miilor sau zecilor de mii de kilometri, aşa că nu-i niciun bai.

Există deci două probleme foarte spinoase în materie: măsurarea vitezei de recesie şi măsurarea distanței. Distanțele mari nu se pot măsura cu acuratețe foarte mare, decât în puține cazuri. De aici şi eroare mare din constanta lui Hubble.

Cam aşa se măsoară viteza de expansiune a universului, în sensul că constanta lui Hubble oferă o bună măsură a acesteia. Mențiunea obligatorie este aceea că observațiile pe care noi le facem sunt întârziate (lumina are nevoie de timp să ajungă la noi). De aceea, măsurătorile nu sunt consistente, în sensul că, din obsevațiile actuale, constanta Hubble pare să fi fost (surprinzător) mai mică la un moment dat în trecut. Asta implică faptul că expansiunea universului nostru este, de fapt, accelerată, de unde întreaga dezbatere actuală privind energia întunecată şi diverşii parametri la care se referea şi Adi. În particular, problema stă în faptul că majoritatea astronomilor se aşteptau la un univers plat aflat într-o expansiune constantă sau tot mai lentă (gravitația tinzând să o oprească). Dacă gravitația e suficient de mare, totul s-ar sfârşi într-un big crunch (universul ar începe să se contracte). Dacă gravitația ar fi prea mică, el ar continua să se extindă la nesfârşit. Aşteptarea era să vedem o constantă a lui Hubble mai mare în trecut, indicând faptul că universul se extinde tot mai  încet -- dar de fapt, e de-a-ndoaselea, ceea ce implică faptul că există "ceva" al cărui efect de inflație e mai puternic decât efectul de contracție al gravitației.

Determinarea constantei lui Hubble ne-ar permite şi să aflăm cu precizie vârsta Universului. De asemenea, ar avea importanță şi în determinarea topologiei exacte a Universului. Dar mai multe despre asta poate într-un alt post, sau poate într-un material mai lung .


Oricum, capcana de evitat este următoarea: expansiunea metrică a universului nu implică o modificare a vitezelor. Obiectele care se află la 15, 20, 30 de miliarde de ani lumină de noi sau mai mult nu se află acolo pentru că au o mişcare proprie superluminică, ci pentru că spațiul însuşi s-a dilatat. Lucrul acesta nu contravine teoriei relativității, pentru că în interiorul sistemului de referință care este Universul, viteza lor e cât se poate de ok. Măsurarea distanțelor, timpului şi implicit a vitezei în afara Universului este nu numai lipsită de sens, ci şi imposibilă în contextul teoriei relativității.

[Alexandru Rautu]

Imi pare rau, daca postul meu rupe oarecum discutia de pana acuma... Sa zicem ca-i

OFF TOPIC:

In primul rand, voi face prelua o afirmatie a lui Stephen Hawking, care afirma ca majoritatea oamenilor de stiinta sunt de acord ca Universul a luat nastere printr-o singularitate, singularitate in care legile actuale ale fizicii nu isi regasesc piedestalul, desi este posibi ca legile actuale ale fizicii coroborate intr-o teorie puternic cimentata sa explice cum a luat nastere Universul!

Akhenatan, inteleg ce spui si sunt de acord ca teoria actuala spune ca o gaura neagra este o singularitate si ca Universul era inainte de Big Bang tot o singularitate.

Hmmm... asa sa fie oare? A fost universul o singularitate? Nu stiu de ce, dar nu-s convins deloc... adica, cu alte cuvinte, universul a fost o "gaura neagra" 

Big Bang-ul asta e un moment din istoria universului... despre care nu se stie nimica - mai ales ce-a fost inaintea sa! E o afirmatie destul de imprudenta sa spunem ca universul a fost o singularitate, zic io'. Dar daca ma uit bine la metrica modelului cu inflatie, se pare a fi o "gaura neagra"! Modelul asta cu inflatie nu prea a dat succes in cosmologie, plus ca i-am mai "bagat pe gat" si ideea de "dark matter", materie intunecata, ca sa putem sa-l facem compatibil cu ce vedem...

Cosmologie e bantuita de zeci de modele si pana nu se stabileste un model care sa explice cu adevarat ce se intampla, nu se poate vorbi despre "existenta unui Big Bang", "ce-a fost inaintea Big Bang-ului", sau "ce a fost universul inainte de Big Bang".

Ca sa ma fac explicit! Exista un model care considera universul ca un sistem de autoorganizare, fiind initial "omogen"! Aceasta omogenitate in cadru acestui model poate constitui "Big Bang-ul", adica universul inainte de "Big Bang" in acest cazul acesta nu este decat o distributie uniforma a materiei, care are dimensiunea fractala 3, si care se autoorganizeaza, tindand spre o alta stare, ce are o anumita dimensiune fractala (dintre cate stiu, e vorba despre dimensiunea fractala a unui Cub Cantor, 1.8927, parca?). In fine...

Asadar, Big Bang-ul are diferite conotatii in functie de modelul folosit, putand fi considerat altceva decat aceea "magica explozie" (care de fapt, nu vorba de o explozie in adevaratul sens al cuvantului, ci de-o expansiune...).

Dar de ce suntem asa de interesati de "Big Bang" si de "inceputul universului"?  Richard Feynman, spunea cu ceva timp in urma (nu e un citat, ci o parafrazare de-a mea, dar pastrez ghilimelele ca sa fac o anumita distinctie): "Ce este astazi considerat o parte a fizicei? Astazi, se considera ca fizica se ocupa cu cautarea legilor unui anumit sistem, ce porneste de la anumite conditii intiale, si de modul cum evolueaza dupa acesta. Dar cum au ajuns in acesta conditie, e o alta problema, si reintorcandu-ne la analogia cu tabla de sah, fizica este interesata de cum piesele evolueaza, dar nu cum a fost asezate acestea pe tabla in prima instanta; asta nu e problema unui fizicean, e problema istoricilor..."

[Adi]

Ca sa clarific, teoria actuala zice ca Universul a fost o singularitate inainte de Big Bang (energie mare in un volum foarte mic). Si cum singularitatile nu prea au sens fizic, banuim ca teoria prezenta este incompleta si ne trebuie o noua teorie (cuantica a gravitatiei) pentru a descrie Universul in timpul Big Bangului. Asta am vrut sa spun, ca sa fie clar.

[AlexandruLazar]

Adevarat. Asta e una din marile problemei ale cosmologiei actuale: diversele modele construite sunt cu adevarat reprezentari fidele ale realitatii? Sau, dimpotriva, sunt ele doar niste reprezentari comode matematic ale unei realitati fizice total diferite.

Intr-adevar, o singularitate nu are sens din punct de vedere fizic, dar propriu-zis multe dintre intrebarile legate de Big Bang nu au, din acelasi motiv, sens. Un exemplu bun este "ce-a fost inainte de Big Bang". Timpul a inceput, realmente, odata cu Big Bang-ul. De aceea, nu exista niciun "inainte de Big Bang".

Referitor la cele spuse de dl Rautu, am numai doua aspecte de punctat:

1. Daca distributia initiala a materiei ar fi fost omogena, am avea o problema . Dimpotriva, faptul ca exista in spatiu mari aglomerari de materie si vaste zone care sunt practic vide sugereaza faptul ca organizarea initiala nu a fost una omogena, iar motivul acestei neomogenitati este unul din misterele mari in domeniu.

2. Ideea de dark matter nu a fost bagata pe gat pentru a petici inflatia -- de fapt, termenul in sine dateaza din perioada cand nici macar nu se stia cu siguranta daca Universul se dilata sau nu si explica de fapt cu totul altceva.

Totusi, sunt de acord cu faptul ca Big Bang-ul trebuie totusi analizat cu prudenta. O buna parte din punctele sale esentiale au fost ce-i drept testate experimental, dar exista inca multe necunoscute, asa ca in forma ei finala si testata, teoria Big Bang-ului s-ar putea sa sune foarte diferit de ceea ce avem acum ca ipoteza de lucru.

[cris]

Universul din pacate este intunecat.Noi vedem o mica zona unde sa produs Big Bang-ul si care dupa o vreme se va stinge si imprastia.Forma cu adevarat longeviva este gaura neagra.