Mengapa alam semesta yang diamati lebih besar dari usianya?

Zaman Semesta diperkirakan 13,8 miliar tahun, dan teori saat ini menyatakan tidak ada yang dapat melebihi kecepatan cahaya, yang dapat mengarah pada kesimpulan yang salah bahwa alam semesta tidak dapat memiliki jari-jari lebih dari 13,8 miliar tahun cahaya.

Wikipedia menangani kesalahpahaman ini sebagai berikut:

Alasan ini hanya masuk akal jika konsep ruangwaktu Minkowski yang datar dan statis di bawah relativitas khusus benar. Di Alam Semesta yang sebenarnya, ruangwaktu melengkung dengan cara yang sesuai dengan perluasan ruang , sebagaimana dibuktikan oleh hukum Hubble . Jarak yang diperoleh karena kecepatan cahaya dikalikan dengan interval waktu kosmologis tidak memiliki signifikansi fisik langsung. → Ned Wright, "Mengapa Jarak Waktu Perjalanan Ringan tidak boleh digunakan dalam Siaran Pers"

Itu tidak menjelaskan masalah bagi saya, dan tidak memiliki latar belakang sains atau matematika di luar sekolah menengah, membaca lebih lanjut hukum Hubble juga tidak banyak membantu.

Penjelasan satu orang awam yang saya lihat menawarkan penjelasan bahwa Semesta itu sendiri tidak terikat oleh hukum yang sama dengan benda-benda di dalamnya. Itu masuk akal - sejauh hal ini bisa - tetapi kutipan di atas ( "Jarak yang diperoleh ketika kecepatan cahaya dikalikan dengan interval waktu kosmologis tidak memiliki signifikansi fisik langsung" ) tampaknya lebih umum daripada itu.

Adakah yang bisa menawarkan (atau mengarahkan saya ke) penjelasan awam yang baik?

Penjelasan termudah untuk mengapa jarak maksimum yang dapat dilihat seseorang bukan hanya produk dari kecepatan cahaya dengan usia alam semesta adalah karena alam semesta tidak statis.

Hal-hal berbeda (yaitu materi vs energi gelap) memiliki efek berbeda pada koordinat alam semesta, dan pengaruhnya dapat berubah seiring waktu.

Titik awal yang baik dalam semua ini adalah untuk menganalisis parameter Hubble, yang memberi kita konstanta Hubble di titik mana pun di masa lalu atau di masa depan mengingat kita dapat mengukur dari apa jagat raya saat ini dibuat:

$$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$$ mana subskripsi , , , dan on mengacu pada parameter kepadatan materi (gelap dan baryonik), radiasi (foton, dan partikel relativistik lainnya), kelengkungan (ini hanya berperan jika alam semesta secara global menyimpang dari menjadi datar secara spasial; bukti menunjukkan bahwa itu konsisten dengan menjadi datar), dan energi gelap yang terakhir (yang seperti yang akan Anda perhatikan tetap konstan terlepas dari bagaimana dinamika alam semesta dimainkan). Saya juga harus menunjukkan bahwa$m$$\gamma$$k$$\Lambda$$\Omega$$0$notasi subskrip berarti diukur hari ini .

The di atas Hubble parameter disebut faktor skala, yang sama dengan 1 hari ini dan nol pada awal alam semesta. Mengapa berbagai komponen berskala berbeda dengan ? Yah, itu semua tergantung pada apa yang terjadi ketika Anda meningkatkan ukuran kotak berisi barang-barang di dalamnya. Jika Anda memiliki satu kilogram materi di dalam kubus 1 meter di satu sisi, dan Anda menambah setiap sisi menjadi 2 meter, apa yang terjadi dengan kepadatan materi di dalam kubus baru ini? Itu berkurang dengan faktor 8 (atau ). Untuk radiasi, Anda mendapatkan penurunan serupa kepadatan jumlah partikel di dalamnya, dan juga merupakan faktor tambahan karena peregangan panjang gelombang dengan ukuran kotak, memberikan kita$a$$a$$2^{3}$$a^{3}$$a$$a^{4}$ . Kerapatan energi gelap tetap konstan dalam eksperimen jenis yang sama ini.

Karena komponen yang berbeda bertindak secara berbeda ketika koordinat alam semesta berubah, ada era yang sesuai dalam sejarah alam semesta di mana masing-masing komponen mendominasi dinamika keseluruhan. Cukup sederhana untuk mencari tahu juga. Pada faktor skala kecil (sangat awal), komponen yang paling penting adalah radiasi. Parameter Hubble sejak awal bisa sangat mendekati dengan ungkapan berikut:

$$H(a) = H_{0} \frac{\sqrt{\Omega_{\gamma,0}}}{a^{2}}$$

Di sekitar:

$$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$$ $$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$$

Jadi Anda tahu, akan sedikit lebih sulit untuk menemukan jarak ke cakrawala kosmologis daripada hanya mengalikan kecepatan cahaya dengan usia alam semesta. Bahkan, jika Anda ingin menemukan jarak ini (secara resmi dikenal sebagai jarak comoving ke cakrawala kosmik), Anda harus melakukan integral berikut:

$$D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{\mathrm{d}z}{\sqrt{\Omega_{m,0}(1+z)^{3} + \Omega_{\Lambda}}}$$

$z_{e}$$\sim 1100$

Singkatnya: segala sesuatu tidak dapat bergerak lebih cepat dari cahaya itu sendiri, tetapi mereka dapat bergerak lebih cepat dari cahaya karena ekspansi universal. Semakin jauh, semakin cepat mereka pergi.

Saya hanya memikirkan hal itu dan inilah penjelasan orang awam saya. Bayangkan Anda sedang melacak dua titik pada selembar kertas kusut, titik-titik itu bergerak, tetapi ketika mereka bergerak, begitu juga kertasnya menjadi 'tidak terjepit', jarak sebenarnya antara titik-titik akan lebih dari jumlah jarak yang mereka miliki berwisata.

Penjelasan yang sama sekali tidak ilmiah ...

Bayangkan alam semesta menjadi balon. Dua tubuh mulai berdekatan satu sama lain tetapi pada permukaan yang berlawanan. Perluasan balon membawa mereka dari satu sama lain dengan kecepatan yang sama dan sedemikian rupa sehingga cahaya dari satu pada titik awalnya mengambil hampir seluruh sejarah alam semesta untuk mencapai yang lain. Jarak antara keduanya SEKARANG tidak dua kali usia alam semesta - karena Anda tidak dapat melakukan perjalanan "melalui" balon - tetapi sebaliknya harus memutar permukaan balon ... 13,8 * PI miliar tahun cahaya = 43 miliar tahun cahaya.

Tidak sepenuhnya benar, tetapi setidaknya menghindari terlalu khawatir tentang astrofisika dan kosmologi!