Pergunte a Ethan: Como o tecido do espaço-tempo se expande mais rápido que a velocidade da luz?
O tecido do espaço em expansão significa que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela parece se afastar de nós. No entanto, isso não significa que as galáxias estejam realmente se movendo pelo Universo a velocidades mais rápidas que a luz; o tecido do próprio espaço está continuamente mudando em propriedades. (NASA, CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD)
Nada no Universo pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz. Então, como o próprio espaço faz isso?
Uma das regras fundamentais que todos aprendemos na física – estabelecida por Einstein há mais de 100 anos – é que existe um limite de velocidade final que tudo no Universo deve obedecer: a velocidade da luz. Essa velocidade fundamental, 299.792.458 m/s, é a velocidade na qual todas as partículas sem massa devem viajar pelo vácuo do espaço. Se você tem massa, só pode se aproximar (mas nunca alcançar) essa velocidade; se você viajar através de um meio em vez de um vácuo, você só pode viajar mais devagar do que esse limite cósmico final. Mas se isso for verdade, então como podemos ver objetos em nosso Universo, que começou com um Big Bang cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, que estão a até 46 bilhões de anos-luz de distância? Esse é o cerne da pergunta de Robert Lipinski, que pergunta:
Por que o tecido do espaço-tempo se expande mais rápido que a velocidade da luz?
É um dos conceitos mais difíceis de entender em toda a física, mas estamos à altura do desafio. Vamos descobrir.
Um aspecto revolucionário do movimento relativístico, proposto por Einstein, mas previamente construído por Lorentz, Fitzgerald e outros, é que objetos em movimento rápido pareciam se contrair no espaço e dilatar no tempo. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, mais seus comprimentos parecem ser contraídos, enquanto mais o tempo parece dilatar para o mundo exterior. Essa imagem, da mecânica relativista, substituiu a antiga visão newtoniana da mecânica clássica, mas também traz implicações tremendas para teorias que não são relativisticamente invariantes, como a gravidade newtoniana. (CURT RENHAW)
Quando Einstein apresentou a noção de Relatividade Especial em 1905, ela foi tão direta quanto revolucionária. Começou considerando um fenômeno com o qual todos interagimos: uma onda de luz. Por muitas décadas, Einstein e seus contemporâneos sabiam que a luz é uma onda eletromagnética: uma onda portadora de energia com campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase. E, no vácuo, movia-se sempre à mesma velocidade: a velocidade da luz.
Esta última parte foi a mais preocupante para os cientistas. Se você estivesse em um trem movendo-se a 100 milhas por hora (161 km/h) e você jogasse uma bola de beisebol a 100 milhas por hora (161 km/h) para a frente, essa bola se moveria a 200 milhas -por hora (322 km/h) da perspectiva de alguém em terra firme. Mas a luz não funcionava assim; ele sempre se move na mesma velocidade através do vácuo do espaço vazio, de todas as perspectivas imagináveis.
Se os comprimentos dos braços forem os mesmos e a velocidade ao longo de ambos os braços for a mesma, então qualquer coisa viajando em ambas as direções perpendiculares chegará ao mesmo tempo. Mas se houver um vento de proa/vento de cauda efetivo em uma direção sobre a outra, ou os comprimentos dos braços mudarem um em relação ao outro, haverá um atraso nos tempos de chegada. (COLABORAÇÃO CIENTÍFICA DA LIGO)
Isso foi demonstrado com grande precisão na década de 1880 pelo cientista Albert Michelson e seu assistente, Edward Morley. Em seu experimento, eles pegaram um feixe de luz coerente (do mesmo comprimento de onda) e o passaram por um divisor de feixe: um dispositivo que divide a luz em dois componentes perpendiculares. A luz então percorre os dois caminhos de comprimentos idênticos até atingir um espelho, refletir de volta e ser recombinada para criar um padrão de interferência.
Agora, aqui está o ponto chave: se um caminho é mais curto do que o outro, ou se a luz se move mais rápido (ou mais lento) em uma direção que o outro, o padrão de interferência vai mudar. Isso acontece com enorme precisão nos detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo, onde passam as ondas gravitacionais mudar o comprimento do caminho das duas direções diferentes. Mas, mesmo com o movimento da Terra em relação ao Sol em ~ 30 km / s, o padrão de interferência visto na experiência de Michelson-Morley nunca mudou.
O interferômetro de Michelson (em cima) mostrou uma mudança insignificante nos padrões de luz (em baixo, sólido) em comparação com o que era esperado se a relatividade de Galileu fosse verdadeira (em baixo, pontilhada). A velocidade da luz era a mesma, independentemente da direção em que o interferômetro estivesse orientado, inclusive com, perpendicular ou contra o movimento da Terra através do espaço. (ALBERT A. MICHELSON (1881); A. A. MICHELSON E E. MORLEY (1887))
Isso nos ensinou algo incrivelmente importante: a velocidade da luz é independente de qualquer movimento relativo no espaço. Não importa quem você é, onde você está, com que rapidez ou em que direção você viaja pelo Universo, você sempre observará todas as ondas de luz viajando pelo espaço no mesmo limite de velocidade universal: a velocidade da luz no vácuo. Se você e a fonte se afastarem um do outro, o comprimento de onda da luz será desviado para o vermelho; se vocês se movem mutuamente um em direção ao outro, o comprimento de onda é deslocado para o azul. Mas a velocidade da luz em si nunca muda através do vácuo do espaço.
Essa ideia foi revolucionária quando Einstein a propôs, com muitos físicos profissionais (erroneamente) resistindo a ela por décadas. A oposição não o tornou menos verdadeiro, no entanto. Mas o grande prêmio ainda permanecia: incorporar a gravitação na equação.
testes científicos incontáveis da teoria geral da relatividade de Einstein foram realizados, sujeitando a idéia de alguns dos mais restrições rigorosas já obtidos pela humanidade. A presença de matéria e energia no espaço diz espaço-tempo como se curvar, e que o espaço-tempo curvo diz à matéria e energia como se mover. (Ligo CIENTÍFICA COLABORAÇÃO / T. PYLE / Caltech / MIT)
Antes de Einstein, a gravitação era um fenômeno newtoniano. De acordo com Newton, o espaço e o tempo eram entidades absolutas, e não relativas. A força de atração gravitacional entre quaisquer duas massas teve que se propagar infinitamente rápido, em vez de ser limitada pela velocidade da luz.
A maior revolução que Einstein trouxe para a física foi a derrubada dessa imagem da gravitação. Claro, você poderia usar a gravidade newtoniana como uma aproximação muito boa para quase todas as condições, mas em situações em que matéria ou energia passasse perto de uma grande massa, Newton não lhe daria as respostas corretas.
A órbita de Mercúrio precessou mais do que Newton previu. A luz que passa perto do Sol durante um eclipse dobra em uma quantidade maior do que Newton poderia explicar.
Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Esta foi a primeira confirmação observacional da Relatividade Geral de Einstein e parece estar alinhada com a visualização do “tecido do espaço dobrado”. (THE ILUSTRADO LONDRES NEWS, 1919)
Como as evidências mostraram claramente, a Relatividade Geral de Einstein – onde massa e energia curvavam o espaço e esse espaço curvado determinava o movimento de massa e energia – havia substituído a gravidade newtoniana. Essa nova conceituação da gravitação e do próprio tecido do espaço-tempo trouxe consigo outra revelação: o fato de que o tecido do Universo, se estivesse cheio de quantidades aproximadamente iguais de matéria e energia em todos os lugares, não poderia ser estático. e imutável.
Em vez disso, como as observações já na década de 1920 começaram a mostrar definitivamente, havia uma relação sistemática entre a distância de um objeto de nós e a quantidade que sua luz foi observada no desvio para o vermelho. Claro, as galáxias se movem pelo espaço em relação umas às outras, mas apenas a velocidades de alguns milhares de km/s. No entanto, quando vemos os redshifts reais de galáxias distantes, eles correspondem a velocidades de recessão muito, muito maiores do que esses valores.
A relação distância/desvio para o vermelho, incluindo os objetos mais distantes de todos, vistos de suas supernovas do tipo Ia. Os dados favorecem fortemente um Universo em aceleração. Observe como o eixo y inclui velocidades que excedem a velocidade da luz, mas isso não conta a história completa sobre o que realmente está acontecendo com o Universo em expansão. (NED WRIGHT, COM BASE NOS DADOS MAIS RECENTES DE BETOULE ET AL.)
A razão pela qual estamos vendo esses redshifts cósmicos aumentarem com a distância, como os cientistas rapidamente perceberam, é porque o próprio tecido do Universo está se expandindo. Assim como passas em um pão fermentado de massa de pão de passas, todas as galáxias do Universo veem as outras galáxias se afastando delas, com as passas (ou galáxias) mais distantes parecendo se afastar em taxas mais rápidas.
Mas por que isso?
Não é porque as passas estão se movendo em relação à massa em que estão inseridas, nem porque as galáxias individuais estão se movendo através do tecido do espaço. Em vez disso, é devido ao fato de que a própria massa – assim como o próprio tecido do espaço – está se expandindo, e as passas (ou galáxias) estão apenas para o passeio.
O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)
Enquanto isso, como esses objetos são galáxias, eles estão cheios de estrelas emissoras de luz. Eles emitem luz continuamente desde o momento em que são ligados pela primeira vez, mas só podemos observá-los a partir do momento em que a luz chega aos nossos olhos depois de viajar pelo Universo.
Não o universo newtoniano, veja bem: o universo einsteiniano em expansão.
Isso significa que existem galáxias lá fora cuja luz só agora está chegando aqui na Terra pela primeira vez, depois de viajar pelo Universo por mais de 13 bilhões de anos. As primeiras estrelas e galáxias se formaram apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, e descobrimos galáxias desde quando o Universo tinha apenas 3% de sua idade atual. E, no entanto, essa luz foi tão severamente desviada para o vermelho pelo Universo em expansão que a luz era ultravioleta quando foi emitida, mas já está longe no infravermelho quando podemos observá-la.
Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais perto do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias acabam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz feito pelo fóton trocado entre eles. (ROB KNOP)
Se perguntássemos, de nossa perspectiva, o que isso significa para a velocidade desta galáxia distante que só agora estamos observando, concluiríamos que esta galáxia está se afastando de nós bem acima da velocidade da luz. Mas, na realidade, não apenas essa galáxia não está se movendo pelo Universo a uma velocidade relativisticamente impossível, mas dificilmente está se movendo! Em vez de velocidades superiores a 299.792 km/s (a velocidade da luz no vácuo), essas galáxias estão se movendo pelo espaço apenas a ~2% da velocidade da luz ou menos.
Mas o próprio espaço está se expandindo, e isso é responsável pela esmagadora maioria do desvio para o vermelho que vemos. E o espaço não se expande com velocidade; ela se expande a uma velocidade por unidade de distância: um tipo muito diferente de taxa. Quando você vê números como 67 km/s/Mpc ou 73 km/s/Mpc (os dois valores mais comuns que os cosmólogos medem), são velocidades (km/s) por unidade de distância (Mpc, ou cerca de 3,3 milhões de anos-luz). ).
A restrição de que nada pode se mover mais rápido que a luz só se aplica ao movimento de objetos através do espaço. A taxa na qual o próprio espaço se expande – essa velocidade por unidade de distância – não tem limites físicos em seu limite superior.
O tamanho do nosso Universo visível (amarelo), juntamente com o montante que pode atingir (magenta). O limite do universo visível é de 46,1 bilhões de anos-luz, já que é o limite de quão longe um objeto que a luz emitida que seria apenas nos chegam hoje seria depois expandindo para longe de nós para 13,8 bilhões de anos. No entanto, além de cerca de 18 bilhões de anos-luz, nunca podemos acessar uma galáxia mesmo que viajou para ele na velocidade da luz. (E. Siegel, BASEADOS UTILIZADORES EM TRABALHO POR Commons AZCOLVIN 429 e Frédéric MICHEL)
Pode parecer estranho considerar tudo o que isso implica. Como temos energia escura, a taxa de expansão nunca cairá a zero; ele permanecerá em um valor positivo e finito. Isso significa que, embora apenas 13,8 bilhões de anos tenham se passado desde o Big Bang, podemos observar a luz de objetos que já estão a 46,1 bilhões de anos-luz de distância. E isso significa que além de uma fração dessa distância – cerca de 18 bilhões de anos-luz – nenhum objeto lançado hoje da Terra poderia alcançá-lo.
Mas nenhum objeto está realmente se movendo através do universo mais rápido do que a velocidade da luz. O Universo está se expandindo, mas a expansão não tem uma velocidade; que tem uma velocidade por unidade de distância, que é equivalente a uma frequência, ou um tempo inversa. Um dos fatos mais surpreendentes sobre o universo é que se você fazer as conversões e tomar o inverso da taxa de expansão, você pode calcular o tempo que você sair.
A resposta? Aproximadamente 13,8 bilhões de anos: a idade do Universo. Não há uma razão fundamental para esse fato; é apenas uma fascinante coincidência cósmica.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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