Variatia Vitezei Luminii

[Osmiumbin]

Recent am vizionat un documentar despre variatia luminii in timp. Pe scurt se crede ca viteza luminii in trecutul universului a fost mai mare! Acest lucru este menit sa explice problema orizontului. Voi reveni cu detalii mai amanuntite despre video insa vreau sa ma documentez mai bine de pe internet!
Uite aici un articol.

[sceptic]

Mi se pare o ipoteza interesanta, dar care ridica (cel putin pentru mine ) cateva probleme:
  1. Ce implicatii ar avea aceasta ipoteza asupra stiintei oficiale?
  2. Viteza luminii este variabila in sensul ca descreste in timp, sau ca evolueaza intr-un anumit interval?
  3. Daca viteza luminii scade in mod constant, asta inseamna ca vidul devine mai "dens" (cand intreb asta ma refer la faptul ca lumina are o viteza mai mica in alte medii decat in vid)?
Ar mai fi si alte intrebari care vor aparea probabil pe parcursul discutiei...

[Osmiumbin]

Salut, bune intrebarile.
Uite daca imi aduc aminte din documentar care se numeste Einsteins Biggest Blunder, dar nu stiu pe ce post e insa iti spun ca inceputul arata ca StarWars  , sa incerc sa iti raspund.

1.Ce implicatii? Pai foarte mari, gandeste-te ca multe formule se raporteaza la viteza luminii c care e constanta insa e variabila si atunci trebuie modificat mult. Impactul este foarte mare!

2.Eu am inteles ca la inceputul Big Bangului, deci in urma ca peste 10 mld ani, viteza sa in vid (care este actual ~=300,000kmps) a fost mai mare (cu cat, nu spune) si a descrescut in timp pe masura ce universul s-a extins.

3.Este vorba si de asa numita densitate critica a universului care reprezinta o densitate anume, si care are rolul de a pastra balanta universului. Prin balanta ne referim la faptul ca daca aceasta densitate era diferita, atunci am fi avut doua posibilitati: ori universul intra dupa un timp in colaps (Big Crunch), ori avea o expansiune foarte mare care nu ar fi permis formarea de galaxii si alte corpuri! Nu spune mai multe detalii insa variatia luminii este o alternativa la inflatie, si care explica problema orizontului (vezi linkul de mai sus)!
Cu cuvintele mele este ca acest orizont (azi putin mai mare de 14 mld ani lumina, in raza) este defapt un loc din universul mare. Universul este mult mai mare decat cel vizibil. Astefl acest orizont formeaza sfere, cu un diametru de aprox 14 mld al. Se crede ca ar exista mai multe sfere/orizonturi de aest gen iar imposibilitatea noastra de a le detecta o explic mai jos:

Imginati-va ca un observator de pe pamant priveste, sa zicem spre est printr-un telescop puternic si vede numai pana la 14 mld al departere, si vede galaxia (sau quasarul) respectiva asa cum era ea acum 14 mld ani. Cu alte cuvinte, lumina a calatorit 14 mld ani sa ajunga la noi. Daca observatorul isi indreapta privirea spre vest, vede alta galaxie aflata tot la 14 mld al departare insa isi da seama ca lumina dintre galaxia de la est nu a ajuns si la cea din vest (lumina a calatorit doar 14 mld ani nu 28 mld ani), cu alte cuvinte, cele doua galaxii nu sunt vizibile una fata de alta.Acest lucru implica un orizont vizibil numai pentru noi. De aceea se crede ca ar exista mai multe orizonturi in univers, inaccesibile pentru noi, din pacate! Iar cand zic inaccesibile ma refer la orice tip de informatie care ar putea ajunge. In imaginea de mai jos este un exemplu.



When we look at the CMB it comes from 46 billion comoving light years away. However when the light was emitted the universe was much younger (300,000 years old). In that time light would have only reached as far as the smaller circles. The two points indicated on the diagram would not have been able to contact each other because their spheres of causality do not overlap.

[Osmiumbin]

Si sa explic si faza cu densitatea critica!
O buna analogie este data tot de un cosmolog din documentar:
Ne imaginam o piatra pe care o aruncam cu o viteza anume in sus. Dupa un timp ea incetineste si se intoarce pe pamant. Aruncam si mai tare iar timpul pana se opreste creste. Daca aruncam suficient de tare, ea evadeaza gravitatiei pamantului si nu se mai intoarce! Asa putem privi si universul. Puterea exploziei BB a facut ca acesta sa se extinda. Ca sa intre in colaps (sa se decelereze expansiunea) ar trebui o anumita densitate a spatiului. Insa daca nu gresesc, din momentul BB si pana acum 5 miliarde de ani, universul a avut o expansiune incetinita! Acest lucru permitea colapsul sau mai tarziu. Insa aparitia energiei intunecate a facut ca "puterea" sa de repulsie(anigravitationala) sa fie mai puternica decat gravitatia materiei intunecate si odata scapand de sub acest control, forta dominanta in univers a devenit energia intunecata, care a determinat o expansiune accelerata (ceea ce se observa si in prezent). Multe lucruri se puteau schimba daca se schimba si densitatea critica!

Teoria variatiei vitezei luminii a fost initial propusa independent de Jean-Pierre Petit in 1988, apoi de John Moffat in 1992 si actual de Andreas Albrecht si João Magueijo in 1998, poate te ajuta numele! Este o teorie foarte interesanta si daca stau mai bine sa ma gandesc, nu vad de ce nu ar putea fi. Insa nu sunt expert. 

[sceptic]

      Sunt cam buimac la ora asta si nici cunostintele mele de fizica si cosmologie nu ma prea ajuta ...Vreau sa vad daca am inteles bine: teoria inflatiei rezolva problema orizontului si implicit a omogenitatii universului, dar nu explica usoarele variatii ale radiatiei cosmice de fond. Teoria variatiei vitezei luminii in timp ar explica ambele fenomene...
       In legatura cu densitatea critica, nu am inteles fata de ce "valoare" ar trebui sa fie ea diferita pentru ca universul sa nu colapseze. Ar putea exista o valoare a acesteia astfel incat universul sa fie intr-un anumit echilibru (adica nici sa nu intre in colaps, nici sa nu se extinda la nesfarsit si nici sa nu intre in "moarte calorica")? Adica sa "balanseze" intre doua "stari"...
       In privinta energiei negre, am emis o "ipoteza" pe un alt topic cum ca odata cu extinderea accelerata a universului aceasta energie se rarefiaza (daca nu exista cumva niste "orificii" in "membrana" spatiului prin care "cineva"-Dumnezeu?, pompeaza energie in "sistem"). Daca asa stau lucrurile viteza luminii ar trebui sa fie variabila dar in sens crescator (densitatea universului ar scadea). Repet, poate nu am inteles eu bine...poate poti explica mai clar cum e cu densitatea critica.

[AlexandruLazar]

When we look at the CMB it comes from 46 billion comoving light years away. However when the light was emitted the universe was much younger (300,000 years old). In that time light would have only reached as far as the smaller circles.

Este exact ce zisesem pe topicul celălalt, cel cu viteza de expansiune a spațiului. Problema este binecunoscută, în sensul că distanțele pe care le-am măsurat până acum sunt sensibil mai mari decât ar fi putut lumina să călătorească.Ca fapt divers însă, de aici vine şi teoria inflației . Problema orizontului se rezolvă foarte uşor dacă consideri că lucrurile erau, în vremea când încă se formau, extrem de apropiate unul de altul. În plus, ipotezele la care te referi se bazează pe ideea ca Universul este plat şi are o expansiune constantă ca viteză, lucruri care au fost între timp infirmate.

Cu oareşice tentă personală, mie unuia problema orizontului mi se pare o falsă problemă. Dacă admitem că universul inițial nu avea o structură foarte asimetrică (ceea ce e rezonabil -- adică nu era jumătate plin-ochi şi-n cealaltă jumătate bătea vântul), nu mi se pare deloc surprinzător ca obiectele să aibă proprietăți asemănătoare. În plus, nu văd de ce galaxiile, stelele ş.a.m.d. ar trebui să facă schimb de energie şi căldură cu obiectele din partea cealaltă a Universului vizibil.


Edit: ca să răspund şi la mesajul lui sceptic:

1. Eu unul umblu cu energia întunecată aşa cum aş umbla cu o copiuță la examen . Ce îți pot spune este că lucrul foarte ciudat şi interesant la ea este că ea e omogen distribuită. De asemenea, faptul că se rarefiază nu ajută la nimic; nu uita că gravitația scade cu pătratul distanței, deci pe măsură ce, la scară macroscopică, aglomerațiile mari de materie se depărtează, coeziunea dintre ele scade foarte abrupt. Dacă efectul opus gravitației (forța de expansiune, să-i zicem, nu ştiu care-i termenul oficial) scade, să zicem, liniar, n-o să ajungem la niciun big crunch, ci dimpotrivă,  la o expansiune tot mai rapidă. Ba mai mult -- logic ar fi ca forța de expansiune să crească pe măsură ce efectul gravitației scade.

2. Cu echilibrul nu ştiu să-ți spun cum e treaba, dar mă cam îndoiesc că un astfel de echilibru se poate atinge. O expansiune liniară -- da; o expansiune accelerată, sau o contracție, asemenea, însă nu cred că ceea ce propui tu este posibil; sau mai bine zis, nu țin minte să fi văzut pe nicăieri o asemenea propunere, dar nu ştiu să-ți explic acum de ce nu se poate , e doar un fel de intuiție ascunsă sub faptul că îmi troznesc fălcile de somn.

[Osmiumbin]

Pentru a opri universul din expansiune intr-un viitor apropiat, este nevoie de o densitate critica a acestuia. Universul care are exact aceasta densitate critica se numeste Euclidian, sau plat. Daca densitatea ar fi peste cea critica atunci, intr-un viitor apropiat, expansiunea sa s-ar opri si ar colapsa in Big Crunch. Daca este sub aceasta densitate, atunci expansiunea va continua la nesfarsit!
Densitatea critica este undeva la valoarea de 10^-23 g/cm3, mult mai mare decat densitatea care reiese observand toata materia vizibila din univers. De aceea este nevoie de dark matter si dark energy pentru a balansa universul.

[Osmiumbin]

2. Cu echilibrul nu ştiu să-ți spun cum e treaba, dar mă cam îndoiesc că un astfel de echilibru se poate atinge. O expansiune liniară -- da; o expansiune accelerată, sau o contracție, asemenea, însă nu cred că ceea ce propui tu este posibil; sau mai bine zis, nu țin minte să fi văzut pe nicăieri o asemenea propunere, dar nu ştiu să-ți explic acum de ce nu se poate , e doar un fel de intuiție ascunsă sub faptul că îmi troznesc fălcile de somn.

Citeste postul meu de mai sus. Echilibru nu inseamna stagnarea universului, ci oprirea sa din expansiune intr-un viitor apropiat. De asemenea vezi si analogia de mai sus cu piatra care o arunci pe verticala!

[sceptic]

De asemenea, faptul că se rarefiază nu ajută la nimic; nu uita că gravitația scade cu pătratul distanței, deci pe măsură ce, la scară macroscopică, aglomerațiile mari de materie se depărtează, coeziunea dintre ele scade foarte abrupt. Dacă efectul opus gravitației (forța de expansiune, să-i zicem, nu ştiu care-i termenul oficial) scade, să zicem, liniar, n-o să ajungem la niciun big crunch, ci dimpotrivă,  la o expansiune tot mai rapidă. Ba mai mult -- logic ar fi ca forța de expansiune să crească pe măsură ce efectul gravitației scade

Gravitatia e invers proportionala cu patratul distantei dar e direct proportionala cu produsul maselor celor 2 corpuri. Sub forta gravitatiei galaxiile apropiate se vor aglomera, iar cresterea in acest fel a maselor, va compensa cresterea distantelor. In acest caz, daca forta de expansiune scade chiar si liniar big crunch-ul devine posibil.

[sceptic]

Scuze pt. modul in care arata postul anterior. Nu prea stiu cum se foloseste optiunea "quote".

[AlexandruLazar]

O să răspund pe rând .

@Osmiumbin: Nu vreau să-l parafrazez pe Cațavencu, dar după ştiința mea, un Univers care nu merge înainte, merge înapoi sau stă pe loc. Dacă echilibru înseamnă oprire din expansiune, ori am eu probleme cu logica la ora asta, ori ar însemna să stagneze din expansiunea sa. Rezultatul pe care îl cauți se poate obține uşor din ecuațiile lui Friedmann.

Foarte puțina mecanică pe care eu o ştiu îmi spune că poți obține o expansiune cu viteză constantă, dar cum poți aduce acestă viteză la 0 fără ca totul să intre în colaps după aceea, mi-e mai greu să-mi imaginez. Un astfel de echilibru mi se pare extrem de fragil.

@sceptic:

Stai liniştit, am înțeles ce vroiai să scrii.

Cred că n-ai înțeles exact ideea . La ora actuală, expansiunea se produce îndeajuns de repede (şi accelerat) încât, la scară foarte mare (şi prin foarte mare înțeleg dimensiuni mai mari de 100 MPc, unde Universul este într-adevăr omogen şi izotrop), toate grupurile de obiecte se îndepărtează unele de altele. Un big crunch nu înseamnă că toate galaxiile vin şi se adună într-un punct, lucru care are drept rezultate o mare gaură neagră -- ci că absolut toată materia şi energia din Univers fac asta, alaturi de dimensiunile spațiale şi temporale. Cu alte cuvinte, nu e ca şi când iei scoți dopul de la cada de baie şi tot Universul merge în gaura de scurgere -- ci ca şi când scoți dopul şi toată cada, baia, casa şi restul lumii intră acolo -- inclusiv gaura de scurgere.

Forța de atracție gravitațională depinde într-adevăr de masă, dar la scară universală, distribuția obiectelor este practic nesemnificativă. Chiar dacă aduni centrele de masă la un loc, efectul lor mutual, total, va fi la fel de puternic ca şi dacă ar fi împrăştiate neomogen.

De asemenea, în raționamentul tău, tu presupui că energia întunecată se rarefiază pe măsură ce Universul se extinde; presupunând că, la un moment dat, gravitația va trage marginile înapoi şi universul va începe din nou să se contracte, asta nu presupune o de-rarefiere a energiei -- caz în care expansiunea va reîncepe?

[Osmiumbin]

O să răspund pe rând .

@Osmiumbin: Nu vreau să-l parafrazez pe Cațavencu, dar după ştiința mea, un Univers care nu merge înainte, merge înapoi sau stă pe loc. Dacă echilibru înseamnă oprire din expansiune, ori am eu probleme cu logica la ora asta, ori ar însemna să stagneze din expansiunea sa. Rezultatul pe care îl cauți se poate obține uşor din ecuațiile lui Friedmann.

Foarte puțina mecanică pe care eu o ştiu îmi spune că poți obține o expansiune cu viteză constantă, dar cum poți aduce acestă viteză la 0 fără ca totul să intre în colaps după aceea, mi-e mai greu să-mi imaginez. Un astfel de echilibru mi se pare extrem de fragil.

Prin echilibru ma refer la faptul ca universul o sa ajunga la un echilibru, in viitoarul apropiat! Nu ca se afla acum in echilibru! Repet, vezi analogia u piatra din postul nr 3 al meu!

@sceptic:

Forța de atracție gravitațională depinde într-adevăr de masă, dar la scară universală, distribuția obiectelor este practic nesemnificativă. Chiar dacă aduni centrele de masă la un loc, efectul lor mutual, total, va fi la fel de puternic ca şi dacă ar fi împrăştiate neomogen.

De asemenea, în raționamentul tău, tu presupui că energia întunecată se rarefiază pe măsură ce Universul se extinde; presupunând că, la un moment dat, gravitația va trage marginile înapoi şi universul va începe din nou să se contracte, asta nu presupune o de-rarefiere a energiei -- caz în care expansiunea va reîncepe?

1. Efectul gravitatiei, curbura spatiu-timpului depide de masa si de pozitia sa. Daca pamantul curbeaza s-t, ecuatii date de raza Schwarzschild, nu il va curba la fel si daca este imprastiat in bucati!

2.Energia nu se rarefiaza! Efectul gravitatiei scade cu distanta iar energia intunecata prinde din ce in ce mai multa "putere"! Ai inteles acum?

[sceptic]

Ba da. Asta am spus pe celalalt topic. Daca energia neagra se rarefiaza in timpul extinderii, ea se va condensa in timpul contractiei. Ma gandesc ca ar exista 2 "stari" diferite ale universului (stari care s-ar situa temporal intre big-bang si o posibila "extindere la infinit") intre care universul s-ar "misca" asemenea unui resort.

[Osmiumbin]

Revin maine cu explicatii complete si bine puse la punct!

[AlexandruLazar]

Prin echilibru ma refer la faptul ca universul o sa ajunga la un echilibru, in viitoarul apropiat! Nu ca se afla acum in echilibru! Repet, vezi analogia u piatra din postul nr 3 al meu!

Parcă vorbim limbi străine . Eu prin echilibru (care nu se petrece acum, dar s-ar putea petrece cândva) înțeleg, dacă te referi la mişcare, ca Universul nici nu se dilată, nici nu se contractă, deci îşi păstrează volumul constant. Echilibrul poate avea loc instantaneu, dar nu văd cum ar putea fi de durată. Ecuațiile lui Friedmann includ ca posibilitate varianta unei expansiuni care ajunge practic liniară, însă asta depinde de proprietățile energiei.

1. Efectul gravitatiei, curbura spatiu-timpului depide de masa si de pozitia sa. Daca pamantul curbeaza s-t, ecuatii date de raza Schwarzschild, nu il va curba la fel si daca este imprastiat in bucati!

Repet: vorbim aici de obiecte extrem de mici (galaxii); ele sunt grupate în roiuri mai mici sau mai mari (clustere şi superclustere), în cadrul cărora se află la distanțe extrem de mici între ele. Aceste structuri mari se află însă la distanțe foarte mari între ele. Atunci când vorbim de scări de ordinul gigaparsecilor, e totuna că galaxiile din roiuri au între ele un kiloparsec, un parsec sau un centimetru.

Dealtfel, modelul actual al expansiunii Universului lucrează la o scară suficient de mare încât să consideri Universul ca fiind omogen şi izotrop; nu gândi acest efect în termeni locali (i.e. Pământ adunat vs. Pământ făcut bucăți). Chiar dacă schimbi distribuția locală a masei, nu schimbi nimic la scara la care vorbim: nu distribuția, ci densitatea de masă trebuie să se schimbe pentru a obține un efect mai puternic din partea gravitației. De-asta se şi vorbeşte de o densitate critică: atâta vreme cât, la scara la care măsori expansiunea, Universul e omogen şi izotrop, n-are nicio importanță cum dispui masa în cadrul lui. De aceea, expansiunea ar continua -- pe o pantă mai mult sau mai puțin abruptă, dar cu aceeaşi destinație finală, indiferent că împrăştii toată materia prin Univers sau o aduni într-un singur punct.


În schimb punctul 2 e corect: într-adevăr, din ceea ce putem constata, pe măsură ce Universul se extinde, e xpansiunea lui se accelerează, semn că forța gravitațională scade mai repede decât forța care cauzează expansiunea. Nu e obligatoriu ca cea din urmă să crească: matematic, rezultanta lor poate creşte chiar dacă ambele scad -- condiția e ca una să scadă mai repede decât cealaltă.