La Pregunta Básica Acerca De La Relatividad General?

Question

Soy un laico que ama la Física. Yo también soy horrible en matemáticas. Habiendo dicho que tengo muchas, muchas preguntas en cuanto a la física y la teoría de la Relatividad General en particular. Voy a tratar de mantener mi pregunta(s) de la manera más clara posible.

En relación a la Gravedad, las Galaxias y El Universo por favor alguien puede explicar lo siguiente:

Si la fuerza de gravedad dentro de una galaxia dada mantener dijo galaxia juntos, así como "tirando" de todos los objetos dentro de ella más cerca (hacia el centro y/o el Agujero Negro en el centro), ¿cómo la teoría General de la Relatividad en cuenta el hecho de que todas las galaxias son las carreras "alejado" de cada uno de los otros, y acelerando cada vez más y más rápido como lo hacen?

Parece que (al menos para mí), que es una "paradoja" de algún tipo. ¿Cómo puede ser que los cuerpos dentro de una galaxia dada están siendo atraídos el uno al otro a lo largo del tiempo debido a la gravedad y, sin embargo, que toda la galaxia se está moviendo lejos de todas las otras galaxias en el universo y que debe, por las leyes de la G. R., de la partida hacia la una de la otra así.

Yo entiendo un poco acerca de la expansión, el big bang, etc. Sin embargo, esta pregunta/paradoja siempre me ha interesado. De nuevo como un laico es difícil para mí entender el razonamiento matemático detrás de todo esto, pero sin embargo yo estoy, bueno en la conceptualización de estos fenómenos cuando se disponen de una forma más análoga o geométrica de la moda.

Answer 1

Me encuentro a @DarenW la analogía de algo confuso, así que voy a proponer algo un poco diferente respuesta. El repulsivo "fuerza" que hace que la expansión es importante en gran escala. Las galaxias (también las estrellas, los planetas y los seres humanos) tienen un promedio de densidad lo suficientemente grande como para ignorarlo (o, para decirlo de otra manera, que aglutinan más rápido que la expansión del Universo, los separa). Si el Universo sigue su expansión acelerada, las galaxias, las estrellas, los planetas y los seres humanos (si hay alguna en ese punto en el tiempo) va a ser, finalmente, se retiró aparte, como bien.

También me gustaría ofrecer una cita de la serie de conferencias "la computación Cuántica, desde Demócrito" por Scott Aaranson (que recomiendo encarecidamente). Ellos son en su mayoría dedicados a la complejidad del cálculo, pero en una de las últimas conferencias que él habla acerca de la cosmología:

Entonces, ¿qué es esta constante cosmológica? Básicamente, una especie de anti-gravedad. Es algo que hace que los dos puntos dados en el espacio-tiempo a retroceder lejos el uno del otro a un ritmo exponencial. ¿Cuál es el problema obvio con eso? Como el Woody Allen de la madre del personaje le dijo, "Brooklyn no es en expansión." Si esta expansión es una fuerza importante en el universo, ¿por qué no en la materia dentro de nuestro propio planeta o galaxia? Debido a que en la escala en la que vivimos, hay otras fuerzas como la gravedad, que están constantemente contrarrestar la expansión. Imaginemos dos imanes en la superficie de una lenta expansión globo: a pesar de que el globo está en expansión, los imanes aún se pegan juntos. Es sólo en la escala de todo el universo que la constante cosmológica es capaz de ganar más de la gravedad.

Usted puede hablar acerca de esto en términos del factor de escala del universo. Vamos a medir el tiempo t desde el comienzo del universo, en el marco del resto de la radiación cósmica de fondo (el habitual truco). Cómo "grande" es el universo como una función de la $t$? O, para decirlo con más cuidado, dados dos puntos de prueba, ¿cómo es que la distancia entre ellos cambia como una función del tiempo? La hipótesis detrás de la inflación es que en el mismo comienzo en el Big Bang–hay un enorme crecimiento exponencial para un par de Planck veces. Después de eso, usted tiene algunos de expansión, pero también tienen la gravedad tratando de sacar el universo. Funciona allí, que el factor de escala aumenta a medida $t^{2/3}$. Diez mil millones de años después del Big Bang, cuando la vida se empieza a formar en la Tierra, la constante cosmológica comienza ganando sobre la gravedad. Después de esto, es simplemente exponencial en todo el camino, como en el principio, pero no tan rápido.

Answer 2

La tierra es un centro de atracción de la gravedad. Todo lo que cae hacia abajo, hacia el suelo, o más precisamente el centro de la Tierra. Entonces, ¿cómo es que podemos lanzar una pelota hacia arriba? La velocidad inicial es hacia arriba, y la fuerza de la gravedad actúa para cambiar a la baja, pero sólo por una cierta cantidad por segundo. 9.8 metros por segundo por segundo.

Es la misma con la expansión cósmica - de todas las galaxias eran "lanzado hacia arriba" en un sentido, dada la enorme velocidad inicial de distancia el uno del otro. Bueno, no, es un poco extraño que eso. Decimos que el espacio mismo se está expandiendo. Pero no importa, no es, de hecho, la atracción de la gravedad de las galaxias juntos, pero sólo puede actuar tanto, cualquiera que sea kilómetro/segundo por millones de años.

Una gran pregunta entre los astrónomos décadas atrás era si la gravedad es lo suficientemente fuerte, o a la velocidad inicial lo suficientemente lenta como para que todos los venirse juntos miles de millones de años a partir de ahora, o no. Es como preguntar si una pelota lanzada hacia arriba, o cohete si eso es lo que le sucede que tiene a la mano, va más rápido que la velocidad de escape. Ahora sabemos: no se retiró de nuevo juntos. También sabemos acerca de una misteriosa fuerza repulsiva aparentemente actuando en gran escala, la "Energía Oscura". (Necesitamos un nombre mejor para él!)

Dentro de una galaxia, la fuerza de la gravedad no cambia la fuerza (no suficiente de la materia) y las estrellas a ir alegremente unos a otros y órbita alrededor del agujero negro central (si hay uno) bastante siguientes ordinaria de la mecánica orbital. Es como las moléculas en la pelota lanzada hacia arriba, pegando juntos debido a las fuertes fuerzas de corto alcance, que no importa cómo la cosa se está moviendo en un reino superior.

Answer 3

Parece que (al menos para mí), que es una "paradoja" de algún tipo.

Para mí, al menos, la idea clave que resuelve esta "paradoja" es que solo es realmente vasto escalas, por ejemplo, a unos 3 mil millones de años luz en un lado y más grande, que el universo es aproximadamente homogénea e isotrópica.

Cuando las ecuaciones de GR son resueltos por un homogéneo isótropo el espacio-tiempo, la solución es un espacio que está en expansión o contratación y, por supuesto, tenemos evidencia de que nuestro universo se está expandiendo.

Si, en todas las escalas, este homogénea e isotrópica condición fuera cierto, esta solución se mantenga en todas las escalas.

Sin embargo, en la escala más pequeña de los cúmulos de galaxias, galaxias, sistemas solares, etc., la homogénea e isotrópica suposición hace que no se mantenga. En estas escalas, la materia no está uniformemente distribuido, pero es, en cambio, "grumoso".

En estas escalas más pequeñas, hemos ligadas gravitacionalmente sistemas de planetas y lunas, estrellas y planetas, galaxias y estrellas, galaxias y otras galaxias, etc. pero esto también está de acuerdo con el GR.

En otras palabras, a pesar de la muy gran escala y pequeña escala el comportamiento del universo son muy diferentes, no hay ninguna paradoja.