Mitä tapahtui säteilylle?

[mistral]

Jos yrität hakea takaa jotain tiettyä pointtia, kerro vain se suoraan :)

Pointti on nimenomaan päästä selvyyteen siitä, kumpi vaihtoehto on oikea. Olen lukenut joitakin kosmologiakirjoja, mutta niistä ei ole jäänyt sisäiseen ajatusrakennelmaani selvää "lokeroa" avaruuden laajenemiselle. Googletin myös tämän asian, mutta esim. Wikipediasta en löytänyt varmaa vastausta. No, kun nyt asia selvisi, niin kyllähän se panee ihmettelemään (mielestäni avaruuden laajeneminen on yhtä ihmeellistä kuin ajan suhteellisuus)

GR on kokeellisesti testattu teoria siinä missä kaikki muutkin fysiikan teoriat.

Onko avaruuden laajeneminen todella testattu? Mielestäni avaruuden laajeneminen on ihan ok, mutta kuinka päästä ymmärtämään, mitenkä tämä mekanismi toimii, on täysi arvoitus.

[jussi_k_kojootti]

Onko avaruuden laajeneminen todella testattu? Mielestäni avaruuden laajeneminen on ihan ok, mutta kuinka päästä ymmärtämään, mitenkä tämä mekanismi toimii, on täysi arvoitus.

Edwin Hubble mittasi kaukaisista galaxeista punasiirtymiä, ja totesi että kaikki näyttävät etääntyvän meistä.
Samaan aikaan oli tämä uusi ja eriskummallinen teoria, GR, josta löytyi kuin löytyikin selitys/malli Hubblen havainnolle
-- avaruuden geometrian, sen koordinaatiston skaalautuminen.

Elikkäs on testattu :-]

Itse tipahdan kärryiltä siinä kun väitetään ettei maailmankaikkeus laajene galaxeissa so. gravitaatiokeskittymissä.
Miksei muka?

--
jussi

[RJ]

Onko avaruuden laajeneminen todella testattu? Mielestäni avaruuden laajeneminen on ihan ok, mutta kuinka päästä ymmärtämään, mitenkä tämä mekanismi toimii, on täysi arvoitus.

Kyseistä laajenemista ei voi mitenkään havaita lokaalisti aurinkokunnassa tai galaksin sisällä. Myöskään geometrisen laajenemisen ja ehdottamasi voiman aiheuttaman laajenemista ei voi erottaa käytännössä mitenkään toisistaan, jos voima nimenomaan postuloidaan aiheuttamaan havaittu laajeneminen :D Mitään näyttöä tämänlaisesta voimasta ei ole. Geometrisesta laajenemisesta on se näyttö, että kaikki GR:n testatut ennustukset ovat osuneet oikeaan, joten teorian on oltava ainakin oikeilla jäljillä.

Kiihtyvyyshavainnoissa virhetulkintoihin on mahdollisuus, ja vaihtoehtoisia teorioita pimeälle energialle on olemassa. Itse laajeneminen taas on aika selkeästi havaittavissa punasiirtymistä, ja se tuskin on virheellinen käsitys.

Itse tipahdan kärryiltä siinä kun väitetään ettei maailmankaikkeus laajene galaxeissa so. gravitaatiokeskittymissä.
Miksei muka?

Galaksit pysyvät kasassa oman gravitaationsa takia. Se on näkymätön naru, joka vastustaa laajenemista. Jos laajeneminen kiihtyy loputtomiin, jossain vaiheessa galaksitkin hajoavat, kun niiden gravitaatiosta ei ole enään vastusta laajenemiselle.

[mistral]

Kiitos hyvästä vastauksesta. Nyt heräsi uusi kysymys. Olen ymmärtänyt, että on kolmenlaista laajenemista: inflaatiolaajeneminen, säteilypaineen aiheuttama laajeneminen ja tämä kiihtyvä laajeneminen (pimeä energia). Jos mietitään säteilypaineen aiheuttamaa laajenemista, niin skaalautuuko avaruus tässä valon nopeudella sen perusteella, että valo ei voi rynniä avaruuden edelle? Vai tuleeko tässä 4-tilaulotteinen avaruus kuvaan, joka estää valoa voittamasta avaruuden laajenemisnopeuden? (vaikka laajenemisnopeus olisi alle c)

[RJ]

Olen ymmärtänyt, että on kolmenlaista laajenemista: inflaatiolaajeneminen, säteilypaineen aiheuttama laajeneminen ja tämä kiihtyvä laajeneminen (pimeä energia). Jos mietitään säteilypaineen aiheuttamaa laajenemista, niin skaalautuuko avaruus tässä valon nopeudella sen perusteella, että valo ei voi rynniä avaruuden edelle? Vai tuleeko tässä 4-tilaulotteinen avaruus kuvaan, joka estää valoa voittamasta avaruuden laajenemisnopeuden? (vaikka laajenemisnopeus olisi alle c)

Hmm.. en tiedä millä perusteella valitsit nuo kolme "laajenemista". Inflaatio ja pimeä energia liittyvät molemmat laajenemisvauhdin kiihtymiseen. Inflaatio on jo jonkin verran vakiintunut malli varhaisen maailmankaikkeuden nopealle laajenemiselle, ja sillä pystytään selittämään mm. taustasäteilyn tasaisuus ja maailmankaikkeuden energiatiheys, joka on hyvin lähellä ns. kriittistä tiheyttä. Ei käsittääkseni ole poissuljettua, että inflaatio ja nykyinen kiihtyvä laajeneminen (jos se osoittautuu todeksi) liittyisivät toisiinsa.

Säteilypaine ei voi aiheuttaa avaruuden laajenemista, sillä fotonit liikkuvat itse avaruudessa. Fotonien äärellinen nopeus kyllä aikaansaa toisenlaisen reunaefektin, havaintohorisontin. Kun avaruus itsessään (geometrisesti) laajenee, ei valonnopeuden ylitykselle ole mitään estettä: kaksi kappaletta voi etääntyä toisistaan nopeammin kuin valo, jos väliin syntyy uutta avaruutta. Tämän vuoksi kiihtyvässä maailmankaikkeudessa kaukaisia kappaleita katoaa ulos tiettyssä kohdassa majailevan havaitsijan näkyvistä, vaikka havaintoaikaa olisi käytössä äärettömästi.

Täällä oli puhetta reuna-aiheesta:

maailmankaikkeuden reuna

[mistral]

Hmm.. en tiedä millä perusteella valitsit nuo kolme "laajenemista".

Erottelin nämä eri laajenemiset siksi, että ne ovat niin erilaisia. Ensimmäinen kesti  1/1000000000000000000000000000000000 sekuntia (en ole nollien määrästä varma) Tällaisen luvun löysin Enqvistin jutusta "inflaation standardimalli horjuu" T-a 1/2009. Toinen laajeneminen oli "perinteinen" laajeneminen, jossa säteilypaine kiihdytti vety- ja helium-atomit suuriin laajenemisnopeuksiin. Huom. tässä toisessa laajenemisessa oletan, että avaruus laajenee käsikädessä ulimmaisten fotonien kanssa (voin olla väärässä). Ja kolmas laajeneminen on kiihtyvä sellainen, joka on vaikuttanut 8 miljardia vuotta? Käsittääkseni näissä kaikissa on eri "moottori".

Perusmuodossaan GR:n yhtälöt ennustavat universumin laajenevan tai kuvistuvan.

Jos GR:ssä on kutistuvan kaikkeuden vaihtoehto, niin tarkoittako se, että kaikki säteilykin kutistuu takaisin loppurysäykseen? Vai tarkoittaako se, että vain lähinnä materia päätyy takaisin loppurysäykseen. Tässä on se pointti, miksi kyselin 4-ulotteisesta kaikkeudesta. Siinä kaikki säteilykin palautuisi takaisin. Onko GR:ään ikäänkuin sisäänrakennettu neljäs tilaulottuvuus?

[RJ]

Erottelin nämä eri laajenemiset siksi, että ne ovat niin erilaisia. Ensimmäinen kesti  1/1000000000000000000000000000000000 sekuntia (en ole nollien määrästä varma) Tällaisen luvun löysin Enqvistin jutusta "inflaation standardimalli horjuu" T-a 1/2009. Toinen laajeneminen oli "perinteinen" laajeneminen, jossa säteilypaine kiihdytti vety- ja helium-atomit suuriin laajenemisnopeuksiin. Huom. tässä toisessa laajenemisessa oletan, että avaruus laajenee käsikädessä ulimmaisten fotonien kanssa (voin olla väärässä). Ja kolmas laajeneminen on kiihtyvä sellainen, joka on vaikuttanut 8 miljardia vuotta? Käsittääkseni näissä kaikissa on eri "moottori".

Pointti näiden kolmen vertaamisessa on hämärän peitossa, koska fotonien liike ei saa avaruutta laajenemaan. Maailmankaikkeus ei ole verrattavissa laajenevaan räjähdysaaltoon, jota selvästikin yrität ajaa takaa tuolla säteilypaineella. Aine ja säteily liikkuvat avaruuden geometrian mukaisesti, ja ainoastaan niiden gravitaatiovaikutus pystyy vaikuttamaan maailmankaikkeuden laajenemiseen. Avaruuden "ulkoreuna" on huono käsite, koska sitä varten meidän pitäisi tehdä oletuksia siitä, mitä tämän reunan ulkopuolella on. Lisäksi maailmankaikkeus voi ihan hyvin olla geometrisesti reunaton samalla tavalla kuin pallon kaksiulotteinen pinta.

Jos GR:ssä on kutistuvan kaikkeuden vaihtoehto, niin tarkoittako se, että kaikki säteilykin kutistuu takaisin loppurysäykseen? Vai tarkoittaako se, että vain lähinnä materia päätyy takaisin loppurysäykseen. Tässä on se pointti, miksi kyselin 4-ulotteisesta kaikkeudesta. Siinä kaikki säteilykin palautuisi takaisin. Onko GR:ään ikäänkuin sisäänrakennettu neljäs tilaulottuvuus?

Avaruus itsessään kutistuu tai laajenee, kaikki muu seuraa mukana. Aine ja säteily ovat avaruuden orjia, eivätkä voi muuta kuin tyytyä kohtaloonsa, jos maailmankaikkeus joskus luhistuu. "Materia kertoo avaruudelle miten kaareutua, ja avaruus kertoo materialle miten liikkua." Neljättä paikkaulottuvuutta ei tarvita tässä mihinkään.

[mistral]

Pointti näiden kolmen vertaamisessa on hämärän peitossa, koska fotonien liike ei saa avaruutta laajenemaan.

Okei, avaruus laajenee jotenkin gravitaation vaikutuksesta. Laajenemisen täytyy silloin tapahtua valon nopeudella, koska muutenhan ulospäin suuntautuneet fotonit törmäisivät seinään. Ongelma tulee silloin, kun laajenemisnopeus on pienempi kuin c. Mikä voima silloin saa fotonit kaartamaan etteivät ne törmäisi seinään? Pointti näiden kolmen vertaamisessa on niiden erilaisuus ja tämä "perinteinen laajeminen" on se mikä mietityttää.

Maailmankaikkeus ei ole verrattavissa laajenevaan räjähdysaaltoon, jota selvästikin yrität ajaa takaa tuolla säteilypaineella.

Juu, tässä menin metsään, mutta olen edelleenkin sitä mieltä, että säteilypaine on se moottori, joka on antanut materialle sen laajenemisnopeuden tässä "perinteisessä laajenemisessa".

Avaruuden "ulkoreuna" on huono käsite, koska sitä varten meidän pitäisi tehdä oletuksia siitä, mitä tämän reunan ulkopuolella on.

Jos ei avaruudella ole ulkoreunaa, niin silloin on turha puhua laajenemisesta

[jussi_k_kojootti]

Galaksit pysyvät kasassa oman gravitaationsa takia. Se on näkymätön naru, joka vastustaa laajenemista. Jos laajeneminen kiihtyy loputtomiin, jossain vaiheessa galaksitkin hajoavat, kun niiden gravitaatiosta ei ole enään vastusta laajenemiselle.

Sanoisitko, että avaruuden laajenemisnopeudessa on lokaaleja variaatioita (galaxien kohdalla laajenee hitaammin) ?

--
jussi

[RJ]

Jos ei avaruudella ole ulkoreunaa, niin silloin on turha puhua laajenemisesta

Tähän väärinkäsitykseen kiteytyy se, miksi yleistä suhteellisuusteoriaa on niin vaikea ymmärtää. Laajeneminen ei ole lähtökohtaisesti materian tai säteilyn liikkumista, vaan itse avaruus todella venyy! Uutta avaruutta ei synny ainoastaan tiettyyn osaan maailmankaikkeutta (esim. "reunoille"), vaan ihan tasavertaisesti kaikkialle.

Helpoin analogia on ilmapallon kaksiulotteinen pinta, joka laajenee palloon puhallettaessa. Pallon pinnalla olevat kaksi muurahaista etääntyvät toisistaan, jos ne eivät itse lähde liikkumaan jaloillaan. Myös pallon pinta-ala kasvaa, vaikka se on reunaton. Kosminen laajeneminen tapahtuu niin suurillä etäisyyksillä ettei galaksien oma liike (peculiar velocity), joka siis analogiassamme vastaa muurahaisten kävelyä, ole tärkeässä asemassa.

Avaruuden laajenemisen voi esittää myös yksinkertaisesti yhtälöllä. Oletetaan että galaksi on paikallaan pisteessä x' staattisessa, klassisessa maailmankaikkeudessa. Se mitä yleinen suhteellisuusteoria muuttaa, on koordinaattien luonne. Jokainen koordinaattipiste riippuu ajan funktiona muuttuvasta skaalatekijästä a. Eli sama liikkumaton galaksi pisteessä x' onkin GR:n mukaan pisteessä x seuraavan yhtälön mukaisesti:

x = a(t)*x'

Vaikka galaksi yrittäisikin olla ihan paikallaan maailmankaikkeudessa (muiden kappaleiden suhteen), muuttuu sen todellinen paikkakoordinaatti, koska skaalatekijä a on ajan funktio.

Tämän kaiken lisäksi pitäisi vielä yrittää kerrata reunakäsitteeseen liittyviä vaikeuksia yleisessä geometriassa, mutta siitä ehkä joku toinen kerta.

Sanoisitko, että avaruuden laajenemisnopeudessa on lokaaleja variaatioita (galaxien kohdalla laajenee hitaammin) ?

Enpä sanoisi :) Laajenemisen määrää maailmankaikkeuden kokonaistiheys, ei yksittäiset materiakeskittymät. Kyseessä on enemmänkin taustakankaan venyminen, jonka päällä sitten erilaiset rakenteet, galaksit jne. ovat. Toisaalta maailmankaikkeuden epähomogeenisuus aiheuttaa isoja kysymyksiä laajenemisen kiihtymiselle, ja sitä tutkitaan paljon nykyään.

[jussi_k_kojootti]

Enpä sanoisi :)

No hyvä!   Sitten saatan olla samoissa kärryissä kuin sinä, tai ainakin juoksen siinä perässä  :D

reunaton. Kosminen laajeneminen tapahtuu niin suurillä etäisyyksillä ettei galaksien oma liike (peculiar velocity), joka siis analogiassamme vastaa muurahaisten kävelyä, ole tärkeässä asemassa.

Ja edelleen (siis näin pimeän enegian aikakaudellakin) kuitenkin niin että hyvin kaukana "tulevaisuudessa" (siinä mielessä kuin alkuräjähdys on "menneisyydessä") tämä sama laajeneminen joka nyt näkyy etäisyyksissä >~ 25Mly
on kiihtyvän laajenemisen myötä siirtynyt aina vain pienempään pituusskaalaan, kunnes se lopulta repii nukleonit
ytimistään? :-)

Aikamääreet lainausmerkeissä koska ne ei mielestäni ole yksiselitteiset, olen ajan suhteen sitä mieltä että ihmisen subjektiivinen aikakokemus on lähempänä Everettin/Deutschin multiversumia kuin yleisen suhteellisuusteorian "astronomista" aikaa.  ;-]

[RJ]

Ja edelleen (siis näin pimeän enegian aikakaudellakin) kuitenkin niin että hyvin kaukana "tulevaisuudessa" (siinä mielessä kuin alkuräjähdys on "menneisyydessä") tämä sama laajeneminen joka nyt näkyy etäisyyksissä >~ 25Mly
on kiihtyvän laajenemisen myötä siirtynyt aina vain pienempään pituusskaalaan, kunnes se lopulta repii nukleonit
ytimistään? :-)

Laajenemisella ei ole varsinaisesti pituusskaalaa. On vain pituusskaala, jolla laajeneminen tulee yhtä merkittäväksi kuin gravitaatio. Jos laajeneminen kiihtyy loputtomiin, tietysti jossain vaiheessa gravitaatiorakenteet ja jopa hiukkaset hajoavat. Vähän lukuarvoja:

Hubblen parametrin arvo on noin 70 km/s/Mpa, joka tarkoittaa siis sitä, että laajeneminen aiheuttaa megaparsekin etäisyydellä oleville kohteille 70 km/s etääntymisnopeuden. Linnunradan halkaisija on 100 000 valovuotta ~ 0,03 Mpa, joten laajeneminen voi etäännyttää Linnunradan kohteita maksimissaan 70*0,03 = 2,1 km/s. Tämä on paljon pienempi nopeus kuin gravitaation aiheuttama liike, joten avaruuden laajeneminen ei vaikuta galaksissamme pituusskaaloissa. Aurinkokunnassamme laajeneminen voi vaikuttaa vain noin 0,1 mm/s.

[mistral]

Aurinkokunnassamme laajeneminen voi vaikuttaa vain noin 0,1 mm/s.

Vaikuttaa uskomattoman pieneltä. Täytyy nostaa hattua tähtitieteilijöille, jotka yrittävät päästä selvyyteen Hubblen parametristä

Tähän väärinkäsitykseen kiteytyy se, miksi yleistä suhteellisuusteoriaa on niin vaikea ymmärtää. Laajeneminen ei ole lähtökohtaisesti materian tai säteilyn liikkumista, vaan itse avaruus todella venyy! Uutta avaruutta ei synny ainoastaan tiettyyn osaan maailmankaikkeutta (esim. "reunoille"), vaan ihan tasavertaisesti kaikkialle.

Esimerkiksi, jos kaikkeus laajenee miljoona vuotta, niin eikö se tapahdu sillä liike-energialla, joka sillä alussa oli? (kiihtyvässä laajenemisessa taas energiaa tarvitaan kiihdytykseen) Vai tarvitaanko ei kiihtyväänkin laajenemiseen energiaa?

[mijuss]

Siitäpä sitten juontui mieleeni että jos halutaan pitää maailmankaikkeuden kokonaisenergia vakiona ja samaan aikaan laajentua, pitää energiatiheyden laskea.

Millä mekanismillä fotonit sen hoitavat eli ymmärtävät isommassa kaikkeudessa olla punaisempia? Ensimmäisenä mieleen tuleva vaihtoehto on että tietyn energian fotonilla aallonpituuden yksikkö ei olekkaan metri vaan jokin murto-osa maailmankaikkeuden halkaisijasta. Silloin tämä ongelma tulisi lakaistuksi maton alle. Uusi, tästä johtuva kysymys on, miten maailmankaikkeus kertoo halkaisijansa fotonille.
Ymmärtääkseni viimeaikoina havaittu laajenemisen kiihtyminen on ongelma juuri sen vuoksi että kaikkeuden kokonaisenergia näyttäisi kasvavan.
Jos ylläoleva kuvitelma olisi totta, tämäkin ongelma katoaisi.

Kaizu

Maailmankaikkeuden kokonaisenergiamäärä halutaan pitää vakiona, nollana (painovoimakentän energia kuvataan usein negatiivisena).

Ja kun säteilyn energiamäärä näyttää pienenevän laajenevassa maailmankaikkeudessa ja pimeä energia taas näyttää samaanaikaan kasvavan. Voisiko säteilyn punasiirtymään häviävä energia selittää pimeän energian ?! Alkuräjähdyksen jälkeen syntynyt säteilyhän täyttää maailmankaikkeuden tasaisesti, kuten myös pimeä energia.

[mistral]

Maailmankaikkeuden kokonaisenergiamäärä halutaan pitää vakiona, nollana (painovoimakentän energia kuvataan usein negatiivisena).

Ja kun säteilyn energiamäärä näyttää pienenevän laajenevassa maailmankaikkeudessa ja pimeä energia taas näyttää samaanaikaan kasvavan. Voisiko säteilyn punasiirtymään häviävä energia selittää pimeän energian ?! Alkuräjähdyksen jälkeen syntynyt säteilyhän täyttää maailmankaikkeuden tasaisesti, kuten myös pimeä energia.

Et ole ensimmäinen, joka tuo tämän ajatuksen. En tiedä vastausta tuohon mutta jos kaikki tekijät tunnetaan, voidaan laskemalla päästä oikeille jäljille. Toinen asia sitten on, kuinka punasiirtymän energia muuntuisi pimeäksi energiaksi.