Kosmolodzy są intelektualistami podróżującymi w czasie. Patrząc wstecz na miliardy lat, naukowcy ci są w stanie prześledzić ewolucję naszego Wszechświata w zadziwiający sposób. W ciągu następnych eonów nasz kosmos urósł do tak ogromnych rozmiarów, że nie widzimy już jego drugiej strony.
Ale jak to może być? Jeśli prędkość światła oznacza kosmiczne ograniczenie prędkości, to jak mogą istnieć obszary czasoprzestrzeni, których fotony są na zawsze poza naszym zasięgiem? A nawet jeśli istnieją, skąd wiemy, że w ogóle istnieją?
Rozszerzający się wszechświat
Podobnie jak wszystko inne w fizyce, nasz Wszechświat dąży do istnienia w możliwie najniższym możliwym stanie energetycznym. Ale około 10-36 kilka sekund po Wielkim Wybuchu inflacyjni kosmolodzy uważają, że kosmos spoczął zamiast tego na „energii fałszywej próżni” - niskim punkcie, który tak naprawdę nie był niskim punktem. Szukając prawdziwego nadiru energii próżni, przez ułamek minuty uważa się, że Wszechświat wzbił się w powietrze dziesięciokrotnie50.
Od tego czasu nasz Wszechświat nadal się rozwija, ale w znacznie wolniejszym tempie. Widzimy dowody tej ekspansji w świetle z odległych obiektów. Gdy fotony emitowane przez gwiazdę lub galaktykę rozprzestrzeniają się we wszechświecie, rozciąganie przestrzeni powoduje, że tracą energię. Gdy fotony docierają do nas, ich długości fal zostają przesunięte na czerwono zgodnie z odległością, którą przebyli.
Dlatego kosmolodzy mówią o przesunięciu ku czerwieni jako funkcji odległości zarówno w czasie, jak i przestrzeni. Światło z tych odległych obiektów podróżuje tak długo, że kiedy w końcu je widzimy, widzimy obiekty takie, jakie były miliardy lat temu.
Głośność Hubble'a
Przesunięte na czerwono światło pozwala nam zobaczyć obiekty takie jak galaktyki takie, jakie istniały w odległej przeszłości; ale nie widzimy wszystko wydarzenia, które miały miejsce w naszym Wszechświecie podczas jego historii. Ponieważ nasz kosmos się rozszerza, światło z niektórych obiektów jest po prostu zbyt daleko, abyśmy mogli je zobaczyć.
Fizyka tej granicy opiera się częściowo na kawałku otaczającej czasoprzestrzeni zwanej objętością Hubble'a. Tutaj na Ziemi definiujemy objętość Hubble'a poprzez pomiar czegoś zwanego parametrem Hubble'a (H0), wartość, która wiąże pozorną prędkość recesji odległych obiektów z ich przesunięciem ku czerwieni. Po raz pierwszy obliczono go w 1929 r., Kiedy Edwin Hubble odkrył, że odległe galaktyki zdają się oddalać od nas w tempie proporcjonalnym do przesunięcia ku czerwieni ich światła.
Dzieląc prędkość światła przez H.0, otrzymujemy wolumen Hubble'a. Ta kulista bańka otacza obszar, w którym wszystkie obiekty oddalają się od centralnego obserwatora z prędkością mniejszą niż prędkość światła. Odpowiednio wszystkie obiekty poza obszarem Hubble'a oddalają się od centrumszybciej niż prędkość światła.
Tak, „szybciej niż prędkość światła”. Jak to jest możliwe?
Magia względności
Odpowiedź dotyczy różnicy między szczególną teorią względności a ogólną teorią względności. Szczególna teoria względności wymaga tak zwanej „inercyjnej ramy odniesienia” - prościej - tła. Zgodnie z tą teorią prędkość światła jest taka sama w porównaniu ze wszystkimi bezwładnościowymi ramkami odniesienia. Niezależnie od tego, czy obserwator siedzi nieruchomo na ławce w parku na planecie Ziemia, czy zbliża się do Neptuna w futurystycznej rakiecie o dużej prędkości, prędkość światła jest zawsze taka sama. Foton zawsze odsuwa się od obserwatora z prędkością 300 000 000 metrów na sekundę i nigdy go nie dogoni.
Ogólna teoria względności opisuje jednak samą strukturę czasoprzestrzeni. W tej teorii nie ma bezwładnościowego układu odniesienia. Czasoprzestrzeń nie rozszerza się w stosunku do niczego poza sobą, więc prędkość światła jako ograniczenie jego prędkości nie ma zastosowania. Tak, galaktyki poza naszą kulą Hubble'a oddalają się od nas szybciej niż prędkość światła. Ale same galaktyki nie łamią żadnych kosmicznych ograniczeń prędkości. Dla obserwatora w jednej z tych galaktyk nic nie narusza żadnej szczególnej teorii względności. Jest to przestrzeń między nami a tymi galaktykami, która gwałtownie się rozmnaża i rozciąga wykładniczo.
Obserwowalny wszechświat
Teraz kolejna bomba: głośność Hubble'a to nie to samo co obserwowalny Wszechświat.
Aby to zrozumieć, zastanów się, że wraz ze starzeniem się Wszechświata odległe światło ma więcej czasu na dotarcie do naszych detektorów tutaj na Ziemi. Widzimy obiekty, które przyspieszyły poza naszą obecną objętość Hubble'a, ponieważ światło, które widzimy dzisiaj, zostało wyemitowane, gdy były w jego obrębie.
Ściśle mówiąc, nasz obserwowalny Wszechświat zbiega się z czymś zwanym horyzont cząstek. Horyzont cząstek wyznacza odległość do najdalszego światła, jakie możemy w tej chwili zobaczyć - fotonów, które miały wystarczająco dużo czasu, aby albo pozostać w, lub dogonić naszą delikatnie rozszerzającą się kulę Hubble'a.
A jaka jest ta odległość? Nieco ponad 46 miliardów lat świetlnych we wszystkich kierunkach - nadając naszemu obserwowanemu Wszechświatowi średnicę około 93 miliardów lat świetlnych, czyli ponad 500 miliardów bilionów mil.
(Szybka uwaga: horyzont cząstek nie jest tym samym, co horyzont zdarzeń kosmologicznych. Horyzont cząstek obejmuje wszystkie wydarzenia w przeszłości, które obecnie możemy zobaczyć. Z drugiej strony horyzont zdarzeń kosmologicznych określa odległość, w której przyszły obserwator będzie mógł zobaczyć starożytne wówczas światło, które emituje dziś nasz mały zakątek czasoprzestrzeni.
Innymi słowy, horyzont cząstek zajmuje się odległością do obiektów w przeszłości, których starożytne światło możemy dziś zobaczyć; horyzont zdarzeń kosmologicznych zajmuje się odległością, którą nasze dzisiejsze światło, które będzie w stanie podróżować w odległych regionach Wszechświata, przyspieszy od nas.)
Ciemna energia
Dzięki ekspansji Wszechświata istnieją obszary kosmosu, których nigdy nie zobaczymy, nawet jeśli moglibyśmy czekać nieskończoną ilość czasu, aż ich światło dotrze do nas. Ale co z obszarami znajdującymi się poza zasięgiem dzisiejszego tomu Hubble'a? Jeśli ta kula również się rozszerza, czy kiedykolwiek będziemy w stanie zobaczyć te obiekty graniczne?
Zależy to od tego, który region rozwija się szybciej - objętość Hubble'a lub części Wszechświata tuż poza nim. Odpowiedź na to pytanie zależy od dwóch rzeczy: 1) czy H0 rośnie lub maleje oraz 2) czy Wszechświat przyspiesza, czy zwalnia. Te dwie stawki są ściśle powiązane, ale nie są takie same.
W rzeczywistości kosmolodzy uważają, że tak naprawdę żyjemy w czasach, gdy H0 zmniejsza się; ale z powodu ciemnej energii prędkość ekspansji Wszechświata rośnie.
To może brzmieć sprzecznie z intuicją, ale tak długo, jak H0 zmniejsza się wolniej oceniać niż ta, przy której rośnie prędkość ekspansji Wszechświata, całkowity ruch galaktyk od nas nadal występuje w przyspieszonym tempie. I w tej chwili kosmolodzy uważają, że ekspansja Wszechświata wyprzedzi bardziej skromny wzrost objętości Hubble'a.
Tak więc, mimo że nasza objętość Hubble'a się zwiększa, wydaje się, że wpływ ciemnej energii stanowi twardą granicę dla ciągle powiększającego się obserwowalnego Wszechświata.
Nasze ziemskie ograniczenia
Wydaje się, że kosmolodzy dobrze sobie radzą z głębokimi pytaniami, takimi jak to, jak kiedyś będzie wyglądał nasz obserwowalny Wszechświat i jak zmieni się ekspansja kosmosu. Ale ostatecznie naukowcy mogą jedynie teoretycznie udzielić odpowiedzi na pytania dotyczące przyszłości w oparciu o ich współczesne rozumienie Wszechświata. Kosmologiczne ramy czasowe są tak niewyobrażalnie długie, że nie można powiedzieć nic konkretnego na temat tego, jak Wszechświat będzie się zachowywał w przyszłości. Dzisiejsze modele pasują do aktualnych danych wyjątkowo dobrze, ale prawda jest taka, że nikt z nas nie przeżyje wystarczająco długo, aby zobaczyć, czy prognozy rzeczywiście pasują do wszystkich wyników.
Niezadowalający? Pewnie. Ale całkowicie warte wysiłku, aby pomóc naszym mizernym mózgom zastanowić się nad taką oszałamiającą nauką - rzeczywistością, która jak zwykle jest po prostu dziwniejsza niż fikcja.
