Запитайте Ітана чи існують різні типи простору та часу
Одне з найінтуїтивніших наслідків теорії відносності Ейнштейна у тому, що немає абсолютного простору чи абсолютного часу. Якщо запитати вас, де і коли ви перебуваєте, ви відповісте. Але якщо ми з вами розійдемося на велику відстань, і я спитаю вас, де і коли, як вам здається, я перебуваю, то наші з вами відповіді не обов'язково збігатимуться. Виявляється, у загальній теорії відносності немає універсального методу визначення простору та часу (і відстаней) крім того місця, де ви. В результаті ми маємо безліч способів визначати такі речі, і саме з цим пов'язане питання читача:
Я хотів би побачити ваше пояснення конформного часу та супутньої відстані – що це таке, коли і як їх використовують у порівнянні зі звичним часом та відстанню.
Використовуючи у звичайній мові такі поняття, як «час» і «відстань», ми робимо безліч припущень, про які дуже рідко замислюємося.
Якщо ви вважаєте, що ви можете повідомити мене, що там, де я перебуваю, час дня дорівнює 10:05 ранку, а знаходжуся я від вас на відстані 700 метрів, ви можете не розуміти, на якій підставі ви впевнені у своїх оцінках. Ви припускаєте, що наш з вами годинник йде з однаковою швидкістю, що він походить з одного місця, в якому ми з вами узгодили значення часу, і що коли ми знову зведемо цей годинник разом, вони також будуть узгоджуватися один з одним. Все просто, чи не так?
Але це можливо тільки якщо виконуються дві важливі умови: 1. Нічого не рухається по відношенню до решти. Якщо два об'єкти набувають швидкості один щодо одного, вони відчувають перебігчасу (і відчуття відстані) по-різному. Нестабільні частинки, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла, здаються нам довше через розтягнення часу, а космонавти на борту МКС, що швидко рухаються навколо Землі, старіють трохи не так, як люди, що знаходяться нерухомо на Землі. 2. Простір абсолютно плоский, чого ніколи не буває. У Всесвіті працює ОТО, а згідно з нею існування матерії та енергії означає, що простір викривлено, і що годинник йде з різними швидкостями залежно від глибини занурення у гравітаційне поле. Годинник на верхівці Емпайр-стейт-білдинг щороку відстає на кілька мікросекунд від годинника біля її підніжжя.
Ті ж обмеження діють і для відстаней: рух і кривизна простору унеможливлюють спостерігачів у різних місцях прийняти універсальний стандарт відстаней. Але для справді великих відстаней починає відігравати ще дещо: факт розширення самої тканини простору Всесвіту на космічних масштабах. Ми вже не можемо говорити про відстані між галактиками як про те, що можна виміряти якоюсь узгодженою лінійкою, оскільки простір між галактиками згодом розширюється. І це призводить до проблем, коли ми починаємо говорити, наприклад, про найвіддаленіші галактики у Всесвіті.
Поточний космічний рекордсмен по відстанях розташований на червоному зміщенні в 11,1, що означає, що за час існування Всесвіту, 13,8 млрд років з Великого вибуху, його світло дійшло до нас, побувши в дорозі 13,4 млрд років. Але як далеко від нас ця галактика? Ви могли б на основі часу, витраченого на шлях, вирішити, що вона знаходиться на відстані 13,4 млрд світлових років – але це навряд чи так. Коли світло, що дійшло до нас, було випущено цією галактикою, вонаперебувала не більше, ніж за два млрд світлових років від нас. Завдяки розширенню Всесвіту ми, використовуючи загальноприйнятий стандарт вимірювань, можемо сказати, що зараз він знаходиться за 32 млрд світлових років від нас. Універсальний стандарт відстаней важко визначити в Всесвіті, що розширюється, в якому відстані змінюються з часом.
Так що одне з понять, що ми вводимо, при відповіді на запитання читача – концепція різних типів відстаней. Він запитує нас про одне з них – про супутню відстань. Це одне з моїх улюблених понять: воно має на увазі, що відстані у Всесвіті змінюються через Хаблівське розширення, тому воно виключає розширення з обчислень. Це дуже зручно для проведення симуляцій формування таких структур Всесвіту, як зірки, галактики, скупчення та нитки. Гравітація, звичайно, робить свій внесок, але і Всесвіт весь цей час розширюється. Знаючи, як зробити виправлення відстаней на розширення, ми можемо побачити, як еволюціонують великомасштабні структури Всесвіту. Візуально за цим спостерігати набагато цікавіше, ніж стежити за розширенням Всесвіту і намагатися розрізнити процес формування структур.
Оскільки простір і час нерозривно пов'язані в концепцію простору-часу, що об'єднує їх, нам необхідне нове поняття про час, що відповідає кожному з нових понять відстаней, які ми винайдемо. Тимчасовим партнером супутньої відстані буде конформний час. Якби ми могли чарівним чином миттєво заморозити все розширення Всесвіту у всіх місцях, то конформний час відповідає тому, що світловому променю буде потрібно часу на шлях з якогось місця до вас.
Для найбільш віддаленої від нас галактики у Всесвіті конформний час становитиме 32 млрд років. Для сприйманоговідстані від Великого вибуху воно становитиме 46 млрд років. І це незважаючи на те, що від Великого вибуху до випромінювання світла першою галактикою пройшло 400 млн років. На ранніх етапах розширення Всесвіту було таким швидким – і результат цього відчувається і сьогодні – що різниця у 14 млрд років конформного часу відповідає різниці у 400 млн років «правильного» часу (того, який ми називаємо просто «час»).
Якщо міркувати про події, що відбуваються на Землі, де нічого не рухається зі швидкостями, близькими до світлової і не змінюється занадто сильно в гравітаційному полі, різні типи «відстаней» і «часів» збігатимуться. Але якщо говорити про Всесвіт, що розширюється, на космічних масштабах, то правильна відстань і правильний час можуть бути не такими корисними і цікавими, як супутня відстань і конформний час. І наступного разу, коли ви побачите симуляцію Всесвіту і побачите, що Всесвіт не виглядає таким, що розширюється, майте на увазі, що симуляція проходить з використанням супутніх відстаней, хоча і може використовувати правильний час.
А коли ви почуєте щось про дуже віддалений об'єкт, що знаходиться від нас на відстані меншій, ніж 14 млрд світлових років, майте на увазі, що, швидше за все, йдеться про супутню відстань. Згідно з нашими звичайними, правильними лінійками, ця відстань, швидше за все, буде набагато більшою!