Astronomie

L'âge de l'univers est-il relatif à l'emplacement d'un observateur dans cet univers ?

L'âge de l'univers est-il relatif à l'emplacement d'un observateur dans cet univers ?

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Selon Wiki, l'âge de l'univers est de 13 milliards d'années, et on m'a appris que le rayonnement de fond rendait l'univers uniforme dans toutes les directions.

Cela ne définit-il pas une sphère de l'espace dans l'univers avec la Terre au centre ? Cette sphère aurait un rayon de 13 milliards d'années-lumière.

Nous (sur Terre) ne pouvions rien voir en dehors de cette sphère. Comme la lumière n'existait pas il y a plus de 13 milliards d'années. Donc, pour nous, cela définit une sorte de bord pour l'univers.

Mais que se passe-t-il lorsqu'un extraterrestre dans une autre galaxie à 5 milliards d'années-lumière de la Terre regarde également vers les étoiles. Ne voient-ils pas un rayonnement de fond uniforme et ne mesurent-ils pas le même âge de l'univers ?

Cet extraterrestre aurait également une sphère de 13 milliards d'années.

Nous avons donc deux sphères, une pour la Terre et une pour notre ami extraterrestre.

Ces deux sphères se chevaucheraient de 5 milliards d'années. Ce qui veut dire, si nous regardons dans la direction opposée à la galaxie de cet extraterrestre. Nous pouvons voir 5 milliards d'années supplémentaires plus loin qu'eux.

Si nous mesurons la largeur totale des deux sphères qui se chevauchent, nous obtenons une distance de 18 milliards d'années-lumière.

Je saisis maintenant mes cheveux dans la confusion. Est-il possible que deux sphères visibles se chevauchent pour créer une distance plus longue que le plus ancien rayon de lumière ? Et à partir de là, je tombe dans plus de questions. Deux personnes peuvent-elles mesurer le même âge de l'univers à partir de points différents de l'univers.

C'est pourquoi je pense que mon idée est fausse, mais comment pourrait-elle être fausse et pourquoi ?


Vous travaillez sous l'incompréhension que la distance à laquelle nous pouvons voir donne directement l'âge de l'univers. S'il est vrai que la plus ancienne lumière que nous puissions voir a été émise il y a environ 13,7 milliards d'années, la substance qui a émis cette lumière est maintenant à environ 46 milliards d'années-lumière, grâce à l'expansion de l'univers.

L'univers lui-même s'étend probablement bien au-delà de cela et mai être infini. Cela n'entre pas en conflit avec le modèle du big bang ou la relativité. Si l'univers est infini, alors il a toujours été infini. Les endroits qui sont séparés par plus que le rayon lumineux le plus ancien, comme vous le dites, ne sont pas en contact causal et, selon les paramètres cosmologiques, peuvent ne jamais l'être.

Dans un univers homogène et isotrope (et n'oubliez pas que nous ne pouvons faire que des hypothèses sur les régions au-delà de notre univers observable), tous les observateurs seraient d'accord sur l'âge de l'univers et que l'univers était autrefois beaucoup plus petit et tous verraient (sur moyenne) le même genre d'univers dans toutes les directions.

Pour s'assurer que les lieux qui sont en dehors du contact causal sont maintenant homogènes, il faut ont été en contact causal dans le passé. C'est la nature du "problème d'horizon"".

J'ai pris la photo ci-dessous sur le site Web "slideplayer", je ne sais pas qui est l'auteur, mais elle remplit son objectif ici et je pense qu'elle résume votre question. Il apparaît dans ce schéma que A et B ne peuvent jamais avoir "communiqué" et ne peuvent jamais provenir du même endroit. La solution apportée par le gonflage est d'avoir une expansion exponentielle massive de l'espace dans la première fraction de seconde. En bref, les distances entre les points de l'espace (ou les galaxies si vous préférez, bien qu'il n'y ait pas eu de galaxies à l'époque de l'inflation) augmentent soudainement de très nombreux ordres de grandeur. Cela donne le apparence du mouvement plus rapide que la lumière, bien que la limite de vitesse cosmique ne s'applique qu'aux mesures locales et non à l'expansion de l'espace lui-même. Le résultat final est un univers qui apparaît homogène bien au-delà des limites d'un rayon de l'âge de l'univers en années-lumière.


Eh bien, la « première » hypothèse était que l'univers est infini et le nombre d'objets spatiaux est infini. Ensuite, la théorie du Big Bang est arrivée et nous avons découvert que notre univers a environ 13 milliards d'années et que le rayon de l'univers observé est de 13 milliards d'années-lumière, et nous avons postulé que l'Univers est probablement connecté : il n'y a pas de bord et si vous pourrait arrêter le temps et se déplacer dans une direction, vous arriveriez probablement au même point, tout comme vous le feriez à la surface de la Terre. Or on sait que ce n'était pas une idée très précise : le rayon de l'univers observé s'est avéré un peu plus grand : environ 14 milliards d'années, et il arrive que les galaxies les plus éloignées s'éloignent de nous plus vite que la lumière, donc ce rayon (14 milliards d'années) n'est que le rayon de l'univers actuellement visible (nous voyons à quoi il ressemblait il y a 14 milliards d'années lorsque l'univers était beaucoup plus petit). Or ce rayon a atteint 45 milliards d'années-lumière mais nous ne pouvons voir que le passé (ou 14 milliards d'années). Alors nous voyons le passé, pas la taille actuelle. Le fait que les galaxies très éloignées les unes des autres s'éloignent les unes des autres plus rapidement que la lumière est attribué à l'expansion de l'espace lui-même et ne viole pas la théorie de la relativité générale (on peut dire que cela la rend quelque peu imprécise, tout comme la relativité rendait la théorie de Newton légèrement imprécise). Notre espace est parfois illustré par un élastique sur lequel plus deux points sont éloignés, plus ils s'écarteront rapidement lorsque vous étendez l'élastique. Et notre espace s'agrandit de manière un peu similaire. Nous ne voyons pas la partie invisible de l'univers (l'univers entier peut avoir un diamètre de 150 à 600 milliards d'années-lumière - cette taille ne sera jamais visible et c'est bien plus que la distance de 45 milliards d'années-lumière à laquelle le plus éloigné les galaxies visibles doivent avoir déjà bougé mais nous les observons toujours comme si elles se trouvaient à 13-14 milliards d'années-lumière). De plus, nous ne savons pas si notre univers est infini ou fini. Vous pouvez imaginer un univers fini comme un « univers connecté », c'est-à-dire si nous pouvions arrêter le temps et aller dans une direction pour arriver finalement à notre point de départ. Si, cependant, ce n'est pas le cas et que notre univers est ouvert et non connecté, nous pouvons l'appeler infini. Les deux théories sont bonnes. Malheureusement, nous ne savons pas lequel est correct ! Si l'Univers n'est pas connecté, il pourrait y avoir des anomalies comme des "bords", je veux dire, il peut y avoir un point dans l'Univers où les galaxies se terminent et il n'y a plus de galaxies plus loin ou quelque chose de beaucoup plus étrange que cela. Ceci est malheureusement au-delà de notre Univers visible et nous n'avons aucun moyen de le savoir.

Une autre chose est que votre question tourne autour du concept d'espace. Eh bien, c'est à peu près tridimensionnel dans la vie réelle, si nous ne considérons pas de très petites distances (comme en mécanique quantique) ou de grandes distances cosmologiques. Pourtant, nous savons que notre espace peut se déformer, donc les choses ne sont pas si simples. À l'heure actuelle, nous ne savons pas grand-chose sur la configuration réelle de notre espace métrique.

Comme je le vois, beaucoup de gens ont du mal à imaginer l'univers connecté. Eh bien, simplifions tout grandement. Disons que notre Univers est comme la Terre, et imaginons que la Terre grandit en taille, donc les villes qui sont éloignées les unes des autres s'éloignent les unes des autres le plus rapidement. Ensuite, vous pouvez prendre la longueur de l'équateur et l'appeler le diamètre (ou simplement l'utiliser à la place du diamètre) de notre univers « test ». La moitié de la distance de l'équateur sera le rayon (ou utilisez-le simplement à la place du rayon) de notre univers « test », et ce sera le même partout, et tout sera en expansion comme nous l'avons initialement postulé. Cela explique le paradoxe avec les extraterrestres et les deux cercles que vous avez mentionnés. Notez que les villes ne grossissent pas car, comme c'est le cas pour les galaxies, nous supposons ici que nos villes sont tenues par « gravitation » de s'étendre. Notez également que nous utilisons la surface de la Terre dans cet exemple, qui est en deux dimensions, et l'univers est en trois dimensions (probablement, ou, disons, approximativement pour éviter l'imprécision). Espérons que cette illustration sphérique primitive est d'une certaine aide.

Voici une citation explicative et utile de l'article Expansion métrique de l'espace de Wikipédia :


L'univers pourrait avoir une étendue infinie ou il pourrait être fini; mais les preuves qui mènent au modèle inflationniste de l'univers primitif impliquent également que "l'univers total" est beaucoup plus grand que l'univers observable, et donc les bords ou les géométries ou topologies exotiques ne seraient pas directement observables car la lumière n'a pas atteint les échelles sur quels aspects de l'univers, s'ils existent, sont encore autorisés. À toutes fins utiles, il est prudent de supposer que l'univers est infini dans son étendue spatiale, sans bord ni connexion étrange.[15] Quelle que soit la forme générale de l'univers, la question de savoir dans quoi l'univers s'étend est une question qui ne nécessite pas de réponse selon les théories qui décrivent l'expansion ; la façon dont nous définissons l'espace dans notre univers ne nécessite en aucun cas un espace extérieur supplémentaire dans lequel il peut s'étendre puisqu'une expansion d'une étendue infinie peut se produire sans changer l'étendue infinie de l'étendue. Tout ce qui est certain, c'est que la multiplicité de l'espace dans lequel nous vivons a simplement la propriété que les distances entre les objets augmentent avec le temps. Cela implique seulement les conséquences observationnelles simples associées à l'expansion métrique explorée ci-dessous. Aucun "extérieur" ou intégration dans l'hyperespace n'est requis pour qu'une expansion se produise. Les visualisations souvent vues de l'univers grandissant comme une bulle dans le néant sont trompeuses à cet égard. Il n'y a aucune raison de croire qu'il y ait quoi que ce soit "à l'extérieur" de l'univers en expansion dans lequel l'univers s'étend. Même si l'étendue spatiale globale est infinie et que l'univers ne peut donc pas "s'agrandir", nous disons toujours que l'espace est en expansion car, localement, la distance caractéristique entre les objets augmente. Comme un espace infini grandit, il reste infini

Vous voudrez peut-être lire l'article complet. Je pense que ce n'est pas mal et à peu près conforme à la science moderne. Cela vous donnera bien plus d'informations que mes explications simplifiées. Vous voudrez peut-être aussi vous familiariser avec la géométrie euclidienne à quatre dimensions - je pense que cela pourrait rendre certaines choses plus faciles à comprendre lorsque l'on parle de notre espace métrique. Alors je recommande l'article Expansion métrique de l'espace dans Wikipedia comme un bon début - j'espère que ce n'est pas très difficile.

PS : Veuillez noter que mes explications sont des simplifications substantielles. Diverses topologies de l'Univers ou de l'espace métrique (diverses combinaisons en termes de finitude, d'infinité, de connexité et de courbure) pourraient être théoriquement possibles. Permettez-moi d'ajouter ici une notion plus avancée : Wheeler a suggéré que la topologie de l'espace-temps pourrait être fluctuante (mousse de l'espace-temps), introduisant ainsi la mécanique quantique ici. Eh bien, je suppose que nous avons encore une connaissance très limitée en ce qui concerne notre espace métrique réel.


La mesure de l'âge de l'univers aboutit-elle à une observation objective ?

Faites-moi savoir s'il y a des erreurs ou des trous dans ma logique, mes faits ou mes hypothèses.

Je pensais au temps relatif à l'observateur et à l'impossibilité qui en résulte d'une mesure objective du temps : pour déterminer l'âge de l'univers, notre estimation actuelle est d'environ 13,2 milliards d'années. Maintenant, ce serait une estimation ou une mesure basée sur notre cadre de référence terrestre, l'univers ayant 13,2 milliards d'années tel qu'observé par les terriens.

Mais puisque n'importe quel point de l'univers peut être considéré comme son centre, alors l'estimation 13.2by résulterait comme observé à partir de n'importe quel autre cadre de référence dans l'univers. Par conséquent, la mesure de l'âge de la terre, telle qu'elle est mesurée en unités de temps, selon le CMBR est objective et non relative à un référentiel puisque chaque référentiel est le même.

Cela ne s'appliquerait-il pas non plus à l'estimation du "diamètre" de l'univers en années-lumière ?


Tout dans l'univers a-t-il le même âge ?

Une vue de nombreuses galaxies à différentes distances du champ ultra-profond de Hubble. Crédit image : NASA. [+] ESA G. Illingworth, D. Magee, et P. Oesch, Université de Californie, Santa Cruz R. Bouwens, Université de Leiden et l'équipe HUDF09.

Cela fait 13,8 milliards d'années depuis le Big Bang, quelque chose que nous avons pu dater à partir d'une variété de preuves. Mais c'est le temps qui s'est écoulé pour nous puisque le Big Bang puisque le temps est relatif, qu'est-ce que cela signifie pour les observateurs dans d'autres parties de l'Univers ? Notre Terre existe dans notre galaxie, et tout ce que nous y percevons date de 13,8 milliards d'années. Enfin presque.

Une vue de la Voie lactée depuis la Terre. Crédit image : Utilisateur de Wikimedia Commons ForestWander, de . [+] http://www.forestwander.com/.

Vous voyez, les planètes, les étoiles et autres points de lumière que nous voyons dans notre ciel nocturne n'ont pas exactement le même âge que nous. Parce que la vitesse de la lumière est finie, si nous regardons une étoile à 100 années-lumière, nous la voyons telle qu'elle était il y a 100 ans, pas telle qu'elle est aujourd'hui. Cependant, lorsque vous comparez cela à 13,8 milliards d'années - même si vous prenez une étoile tout au long de notre galaxie à 100 000 années-lumière - cette différence est insignifiante. La différence entre 13 800 000 000 et 13 799 900 000 ans ne vaut pas grand-chose. Mais si nous commençons à regarder d'autres galaxies - des galaxies très éloignées, cette histoire commence à changer.

Une "tranche" bidimensionnelle de notre Univers, montrant ses propriétés de regroupement. Crédit image : Sloan. [+] Sondage numérique du ciel (SDSS-III).

Chaque "point" dans l'image ci-dessus est une galaxie en soi. Le filament vert que vous voyez est une caractéristique connue sous le nom de Grande Muraille de Sloan et est situé à environ un milliard d'années-lumière de la Terre. Les galaxies que nous voyons dans cette structure n'ont qu'environ 12,8 milliards d'années, et les galaxies les plus éloignées vues dans l'image ci-dessus sont encore plus jeunes que cela.

En fait, en regardant de plus en plus loin, nous avons trouvé des galaxies qui remontent aussi loin que lorsque l'Univers était inférieur à une milliards d'années et n'avait que quelques pour cent de son âge actuel.

En regardant en arrière, une variété de distances correspond à une variété de temps depuis le Big Bang. Image. [+] crédit : NASA, ESA et A. Feild (STScI), via http://www.spacetelescope.org/images/heic0805c/.

Si nos télescopes (et notre puissance de collecte de lumière) étaient assez bons, nous serions capables de voir des étoiles individuelles contenant très peu d'éléments lourds, ainsi plus de 99% des atomes à cette époque étaient encore l'hydrogène et l'hélium vierges. formé à partir du Big Bang. Il n'y aurait presque pas de carbone, d'oxygène, de silicium, de phosphore, de fer et plus encore qui nécessite la fabrication d'étoiles.

À cause de cela, il n'y aurait pratiquement pas de planètes rocheuses, pas de molécules organiques et aucune chance de vie dans ces endroits. Lorsque nous voyons ces galaxies dans leur premier état vierge, nous sommes au sens propre regarder dans le temps.

Une illustration de la galaxie CR7, dont la lumière arrive à notre œil il y a 13 milliards d'années et qui . [+] ne contient que des étoiles formées à partir d'hydrogène et d'hélium vierges, avant la présence d'autres éléments lourds. Crédit image : M. Kornmesser / ESO.

Mais c'est un point très important ici! Nous ne regardons pas ces galaxies telles qu'elles existent aujourd'hui, mais c'est plutôt notre perspective : c'est nous qui regardons en arrière !

A quelqu'un sur une étoile lointaine, dans une galaxie lointaine ou à des dizaines de milliards d'années-lumière à travers l'Univers, nous seraient ceux qui semblaient appartenir au passé. Pour quelqu'un à 100 années-lumière, il n'y aurait jamais eu de signes d'une bombe nucléaire sur Terre, nous n'aurions jamais inventé l'ordinateur, aucune émission de télévision n'aurait jamais été transmise, même les tubes à vide amplificateurs n'auraient pas encore été inventés. Pour quelqu'un dans une galaxie distante d'un milliard d'années-lumière, notre Soleil apparaîtrait plus jeune et plus sombre, la Terre n'aurait abrité que la vie unicellulaire, sans plantes ni animaux discernables, et les continents de nos planètes seraient pour la plupart stériles, recouverts uniquement de glace et saleté.

Conception d'artiste de l'exoplanète Kepler-186f, qui peut présenter des propriétés semblables à celles de la Terre (ou au début, pauvres en vie . [+] Terre-like). Crédit image : NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech.

Et le plus effrayant, pour quelqu'un qui regarde qu'allons-nous devenir des galaxies les plus lointaines et les plus visibles, notre Terre et notre Soleil n'existeraient pas encore, mais très probablement la Voie Lactée non plus. Au contraire, nous serions une série de petits nuages ​​de gaz et de proto-galaxies, à fusionner dans la structure en spirale qui formerait notre maison. Seuls les amas globulaires les plus anciens et les plus anciens – que l'on trouve maintenant dans le halo de notre galaxie – existeraient, et ils seraient riches d'étoiles chaudes, jeunes et bleues, qui ont toutes disparu depuis des milliards d'années.

À n'importe lequel de ces observateurs, que ce soit sur une autre étoile, dans une autre galaxie ou à travers l'Univers, elles ou ils verrait un Univers très similaire à nous :

  • Un Univers vieux de 13,8 milliards d'années aujourd'hui.
  • Un univers où, dans toutes les directions où ils regardent, ils semblent voir plus loin dans le passé.
  • Un univers dans lequel le fond diffus cosmologique s'est refroidi à 2,725 K aujourd'hui.
  • Un univers dans lequel la grande toile cosmique apparaît indiscernable de la toile cosmique que nous voyons.
  • Et un Univers où, s'ils nous regardaient en arrière, ils nous verraient exactement aussi longtemps que nous les voyons.

La structure à grande échelle de l'Univers telle que cartographiée par le meilleur relevé de galaxies précédent avant SDSS. . [+] Crédit image : 2dF Galaxy Redshift Survey.

Avec tout cela à l'esprit, ne semble-t-il pas qu'il y ait une sorte de temps absolu, après tout ?

Bien que cela puisse paraître ainsi, il s'avère que ce n'est pas tout à fait le cas ! Ce qui s'avère être vrai, c'est que le Big Bang s'est produit partout dans l'espace il y a 13,8 milliards d'années, et cela est vrai vu de toutes les galaxies là-bas. Mais que se passerait-il s'il y avait des galaxies là-bas qui ne se déplaçaient pas à des centaines ou des milliers de kilomètres par seconde par rapport à la trame de repos du fond diffus cosmologique, mais se déplaçaient à des centaines de milliers de km/s, ou très proche de la vitesse de la lumière ?

L'une des galaxies les plus rapides connues de l'Univers, traversant son amas (et dépouillée . [+] de son gaz) à quelques pour cent de la vitesse de la lumière : des milliers de km/s. Crédit image : NASA, ESA, Jean-Paul Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille) et al.

Tout comme le temps passe différemment pour quelque chose se déplaçant près de la vitesse de la lumière sur Terre - une particule, un train ou une personne - si nous avions une planète, une étoile ou une galaxie qui se déplaçait près de la vitesse de la lumière, et eu depuis longtemps, ce serait nettement plus jeune que le reste de l'Univers !

Imaginez le scénario suivant : à l'époque où l'Univers n'avait qu'un milliard d'années, une galaxie était, grâce à des interactions gravitationnelles répétées, accélérée à 99 % de la vitesse de la lumière. Pour les 12,8 milliards d'années qui se sont écoulées depuis nous depuis ce temps, seulement 1,8 milliard d'années se sont écoulées pour ce chanceux (ou ONUchanceux) galaxie. Par rapport aux galaxies comme la nôtre, elle apparaîtra plus petite, plus jeune, plus bleue et « rabougrie » dans sa croissance.

Comment les galaxies apparaissent différentes à différents moments de l'histoire de l'Univers : plus petites et plus bleues à . [+] fois plus tôt. Crédit image : NASA, ESA, P. van Dokkum (Université de Yale), S. Patel (Université de Leiden) et l'équipe 3D-HST.

Ainsi, l'Univers devrait apparaître le même pour presque tous les observateurs n'importe où, avec le même laps de temps s'étant écoulé et l'Univers ayant les mêmes propriétés à grande échelle à peu près partout. Mais pour quelques observateurs sélectionnés - ceux qui ont passé beaucoup de temps à se déplacer près de la vitesse de la lumière par rapport au cadre de repos du CMB — l'Univers sera assez bizarre. Dès qu'ils ralentiront par rapport au CMB et s'arrêteront, ils se retrouveront jeunes dans un Univers étrangement ancien.

Le fait que cela fait 13,8 milliards d'années depuis le Big Bang est un fait qui s'applique à tout le monde dans notre Univers observable, mais si vous étiez (ou êtes) proche de la vitesse de la lumière, vous pourriez être très réticent à le croire !


Origine de l'univers

Les scientifiques créationnistes démontrent que la première loi de la thermodynamique et la deuxième loi de la thermodynamique s'opposent à un univers éternel et ils démontrent également que ces lois indiquent que l'univers est créé de manière surnaturelle. [5] [6] [7]

Équivoque

L'équivoque est l'utilisation d'un mot avec des significations multiples, puis l'utilisation d'un sens différent dans la conclusion que dans la prémisse.

Par exemple : "L'entraîneur a dit que nous devrions manger léger, alors enlevez votre gros manteau."

Les athées, en utilisant le sophisme de l'équivoque, tentent d'obscurcir cette question (voir : Athéisme équivoque et l'origine de l'univers).

Selon la théorie du Big Bang, l'univers est né d'une singularité très compacte [9] [10] il y a environ 13,7 milliards d'années et n'a cessé de s'étendre depuis. Ceci est le consensus scientifique actuel et est accepté par la grande majorité de la communauté scientifique. [11]

Les anciens récits bibliques chrétiens sont en désaccord avec la science contemporaine, et les adhérents à ceux-ci sont connus sous le nom de jeunes créationnistes de la Terre. L'évêque James Ussher a calculé que l'univers a été créé le 23 octobre 4004 av. Bien que ce ne soit pas la seule chronologie biblique qui a été développée, presque toutes les chronologies donnent une date de création proche de 4000 av. [Citation requise] .

Cela donne lieu au "problème de la lumière des étoiles" pour certains chrétiens, bien qu'il n'y ait rien de fondamentalement illogique dans la création de la lumière in situ informer l'humanité de l'existence d'objets à plus de 6000 années-lumière. Les croyants en la relativité ont construit un certain nombre de modèles qui expliquent l'âge de l'univers comme étant affecté par les effets de distorsion temporelle de la gravité, comme prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein, de sorte que l'âge de l'univers tel que mesuré par un observateur hypothétique à le bord de l'univers pourrait être de 14 milliards d'années, mais tel que mesuré par un observateur sur Terre n'est que de 6 000 ans. [12]

Un calcul récent a placé l'univers visible à environ 156 milliards d'années-lumière de diamètre. [13] Cela crée un dilemme de mouvement plus rapide que la lumière, mais il est supposé que l'expansion de l'espace elle-même peut dépasser la vitesse de la lumière même si les objets à l'intérieur se déplaçant seuls ne le peuvent pas. [13] Par analogie, imaginez des fourmis (galaxies), qui ne peuvent pas marcher plus vite que 20 centimètres par seconde, assises sur un cordon élastique. Normalement, deux fourmis s'éloignant l'une de l'autre ne pouvaient pas dépasser une vitesse de 40 & 160 cm/s l'une par rapport à l'autre (vitesse de la lumière). Cependant, si le cordon est tendu pendant que les fourmis se déplacent (expansion de l'espace), la vitesse des fourmis les unes par rapport aux autres peut être plus importante.


Quelle est la taille de l'espace? Vues interactives de l'univers à différentes échelles 4 décembre 2014 13:35 Abonnez-vous

Il est intéressant de noter que nous n'avons littéralement aucune idée de la taille de l'univers. L'univers observable fait au moins 93 milliards d'années-lumière de diamètre, mais il est certainement beaucoup plus grand et très probablement infini.

Une chose que je trouve ahurissante à propos de ce fait est que puisque la limite supérieure est l'infini et que nous n'avons pas d'autres univers comme points de données, nous ne pouvons même pas attribuer de probabilités à des plages de taille. Par exemple, nous ne pouvons pas dire qu'il y a 90% de chances qu'il soit inférieur à X années-lumière, pour toute valeur finie de X, ou qu'il soit supérieur à Y pour toute valeur de Y supérieure au minimum. Cela fait fondre mon cerveau.
posté par justkevin à 14:12 le 4 décembre 2014 [3 favoris]

Quand le sujet d'un immense univers revient, j'aime pointer du doigt mon projet personnel préféré. Je l'ai mis à jour pour la dernière fois il y a environ 8 ans, mais j'aime toujours le revoir de temps en temps :

Je devrais vraiment revenir en arrière et faire plus avec ce site. Peut-être mettre à jour le look pour qu'il soit plus moderne, ajouter quelques comparaisons supplémentaires, peut-être ajouter une intégration Android afin que les gens puissent se comparer à l'univers.
posté par HappyEngineer à 14:39 le 4 décembre 2014

haricotvert: "Si je voyageais à la vitesse de la lumière, l'univers n'aurait pas de taille car partout où je "allais", je partirais et arriverais exactement au même moment, ce qui signifie qu'aucune distance n'aurait pu être parcourue."

Nan.
posté par signal à 17h06 le 4 décembre 2014

'Espace. Cela semble durer indéfiniment. Ensuite, vous arrivez à la fin, et un singe commence à vous lancer des barils.

Philippe Fry
posté par Bonjour, je suis David McGahan à 17:21 le 4 décembre 2014 [1 favori]

haricotvert : Cela dépend de ce que vous entendez par la taille de l'univers. Habituellement, ce que les gens veulent dire, c'est la distance parcourue par les photons dans le fond diffus cosmologique, qui a été émis il y a environ 13,8 milliards d'années (Gya) lorsque l'univers est passé d'un plasma ionisé chaud, comme la surface du soleil, à un gaz électriquement neutre. . Il est donc courant de penser que l'univers a un rayon de 13,8 milliards d'années-lumière (Gly). Mais l'expansion de l'univers a emporté ces objets loin de nous depuis lors, ils sont maintenant à environ 45 Gly de nous, et étant emportés par l'expansion cosmique plus rapidement que la vitesse de la lumière. (Je dois juste admettre que j'ai un peu de mal à garder la terminologie correcte.) Et de plus, parce que nous pouvons voir que le fond des micro-ondes est très uniforme en température, nous devons en déduire que tout bord ou limite ou changement significatif dans la structure de l'univers est beaucoup plus grande que la portion à l'intérieur de notre horizon observable de milliers de milliards d'années-lumière, très probablement. C'est juste le rayon. Le volume de l'univers que nous pouvons voir est une très petite fraction de la taille de l'univers.

En fait, tout ce qui est au-delà de 10 Gly ou 15 Gly est au-delà de notre "horizon de communication" : parce que l'expansion de l'univers s'accélère, tout signal que nous envoyons vers eux (comme un commentateur Metafilter voyageant près de la vitesse de la lumière) n'arrivera jamais réellement. Dans la mesure où il est logique de parler d'un observateur de la vitesse de la lumière trouvant l'emplacement de l'horizon CMB, il ne serait en fait pas terriblement déformé par rapport à la sphère que nous voyons.

Il y a aussi beaucoup d'autres problèmes en jeu. La cosmologie est compliquée.
posté par fantabulous timewaster à 17h50 le 4 décembre 2014 [6 favoris]

Si je voyageais à la vitesse de la lumière, l'univers n'aurait pas de taille car partout où je "allais", je partirais et arriverais exactement au même moment, ce qui signifie qu'aucune distance n'aurait pu être parcourue.

On parle de la taille de l'Univers dans le feuilletage spatio-temporel dans lequel le CMB est isotrope.

En termes qui ne sont pas destinés à vous convaincre que je suis allé à l'école supérieure, lorsque nous parlons de la taille de l'Univers visible, nous parlons de la taille dans le cadre de repos dans lequel le rayonnement de fond provenant de la rémanence du Big Bang ( le Cosmic Microwave Background - CMB) n'a pas de direction qui semble être plus chaude en raison du mouvement relatif d'un observateur vers elle.

Fonctionnellement, c'est presque le même que le cadre de repos de la Terre. Le Soleil se déplace par rapport au CMB à 371 km/s, ce qui est sacrément rapide, mais seulement 0,001c, donc le facteur gamma relatif (le facteur de dilatation temporelle ou de contraction de longueur) est d'environ 1 000001. Nous devons donc faire des corrections pour cela, mais ce n'est pas un grand changement.

Nous utilisons ce cadre de repos car c'est effectivement le cadre de repos du Big Bang. Je perds parfois le sommeil en me demandant comment l'Univers a choisi ce cadre, mais il a dû choisir quelque chose, donc probablement pas de grand mystère là-bas. Il a donc choisi ce cadre particulier, et tout dans l'Univers qui n'a pas été accéléré à des vitesses énormes se déplace d'une manière ou d'une autre relativement lentement par rapport à ce cadre.

Dans ce cadre, calculer l'évolution de l'Univers dans le temps (pour calculer par exemple l'âge ou la taille) est beaucoup plus simple que n'importe quel autre cadre, c'est pourquoi nous l'utilisons. Cela devrait avoir du sens : c'est le cadre selon lequel l'Univers est plat et isotrope, il n'y a donc pas de direction particulière, et les choses sont à peu près les mêmes partout, ce qui rend les équations différentielles en évolution dans le temps traitables. La planéité et la nature isotrope de l'Univers sont un fait non trivial, vous auriez pu construire un Univers très semblable au nôtre qui ne l'était pas. Étant donné que notre Univers a ces propriétés (voir mes articles ici sur l'inflation pour savoir pourquoi cela pourrait être), nous pouvons parler de la taille et de l'âge de l'Univers dans le cadre spécial unique que l'Univers lui-même a choisi.

Quelqu'un déménage au 99.99999999999. % de la vitesse de la lumière depuis la naissance de l'Univers mesurerait des longueurs et des âges différents par rapport à eux-mêmes, mais ils verraient aussi un CMB massivement décalé vers le bleu dans une direction et décalé vers le rouge dans l'autre, et ainsi eux aussi pourraient comprendre qu'il y a un cadre de référence spécial et toutes ces propriétés universelles dans ce cadre, comme tout autre observateur (comme nous). Ensuite, ils feraient mieux de commencer à se demander ce qu'ils ont fait pour avancer si vite par rapport à ça.

Pour un photon, bien sûr, le temps n'existe pas, et l'âge de l'Univers est une déclaration dénuée de sens. Bien sûr, les photons n'ont pas non plus beaucoup de personnalité, donc leur demander de l'intemporalité du temps n'est pas un exercice utile.
posté par physicsmatt à 17:59 le 4 décembre 2014 [8 favoris]

Merci pour ces super explications, physiquemat et perte de temps fantastique. Très apprécié!

Les astronomes croient-ils que l'univers existe réellement au-delà du point où son expansion dépasse la vitesse de la lumière ? Il me semble qu'il y aurait une sorte d'"horizon des événements" en raison de l'expansion cosmique - que les objets nous sembleraient se déplacer de plus en plus lentement en raison de leur accélération jusqu'à ce qu'ils atteignent la vitesse de la lumière et s'arrêtent. Est-ce vrai, et si oui, ne serait-ce pas vraiment la fin de l'univers à toutes fins pratiques ?
posté par haricotvert à 18:50 le 4 décembre 2014

Votre question est très bonne, et la réponse est compliquée car non seulement il y a plusieurs idées qui doivent être transmises, mais il y a des réponses différentes selon le type d'univers dans lequel nous vivons.

Résumé exécutif : dans notre Univers, il existe un horizon d'événements cosmique, au-delà duquel nous ne pouvons jamais voir la lumière des événements se produisant « maintenant », en raison de l'expansion de l'Univers.

Entrons maintenant dedans. Quand on fait de la cosmologie, on travaille dans un référentiel narcissique où nous, les personnes qui font le calcul, vivons au centre du référentiel, au repos. Tout le reste alors s'éloigne de nous. Maintenant, nous pourrions, si nous le voulions, traduire nos résultats vers un autre point de l'espace, auquel cas ce point serait au repos et tout s'éloignerait d'eux, y compris nous au point central d'origine.

L'analogie habituelle est de vivre à la surface d'un ballon qui se gonfle : tout le monde sur le ballon se voit au repos et le reste de la surface s'éloigne d'eux. Le vrai "centre" du ballon est dans une coordonnée orthogonale à la surface, tout comme le "centre" de l'Univers est orthogonal à notre espace 3-D (c'est le retour dans le temps). 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 Age of the Universe 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.

Notes:

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? - Astronomie

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.

A propos de l'auteur

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.

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