Космологи - мандрівники інтелектуального часу. Озираючись назад за мільярди років, ці вчені здатні простежити еволюцію нашого Всесвіту напрочуд докладно. За наступні еони наш космос виріс до таких величезних розмірів, що ми не можемо більше бачити іншого його боку.
Але як це може бути? Якщо швидкість світла позначає космічну межу швидкості, то як можуть бути області космічного часу, фотони яких назавжди недоступні? І навіть якщо вони є, як ми можемо знати, що вони взагалі існують?
Всесвіт, що розширюється
Як і все, що є у фізиці, і наша Всесвіт прагне існувати в мінімально можливому енергетичному стані. Але близько 10-36 через кілька секунд після Великого вибуху інфляційні космологи вважають, що космос опинився, відпочиваючи замість "помилкової енергії вакууму" - низької точки, яка насправді не була низькою. Шукаючи справжній надір енергії вакууму, протягом хвилини частку моменту, як вважається, Всесвіт роздувається в 10 разів50.
З цього часу наш Всесвіт продовжував розширюватися, але набагато повільнішими темпами. Ми бачимо докази цього розширення у світлі від далеких предметів. Коли фотони, випромінювані зіркою або галактикою, поширюються по Всесвіту, розтягнення космосу змушує їх втрачати енергію. Як тільки фотони досягають нас, їх довжини хвилі були змінені у відповідності з відстані, яку вони пройшли.
Ось чому космологи говорять про червону зміну як про функцію відстані як у просторі, так і в часі. Світло від цих далеких предметів подорожує так довго, що, коли ми його нарешті бачимо, ми бачимо об’єкти такими, якими вони були мільярди років тому.
Об'єм Хаббла
Повторне зміщення світла дозволяє нам бачити об’єкти, як галактики, як вони існували в далекому минулому; але ми не можемо побачити всі події, що сталися у нашому Всесвіті протягом його історії. Оскільки наш космос розширюється, світло від деяких предметів просто занадто далеко, щоб ми його бачили.
Фізика цієї межі частково покладається на шматок навколишнього простору, який називають об'ємом Хаббла. Тут, на Землі, ми визначаємо об'єм Хаббла, вимірюючи щось, що називається параметром Хаббла (H0), значення, яке пов'язує уявну швидкість спадання віддалених об'єктів з їх червоним зміщенням. Вперше вона була розрахована в 1929 році, коли Едвін Хаббл виявив, що далекі галактики, здається, віддаляються від нас зі швидкістю, пропорційною червоному зміщенню їхнього світла.
Ділення швидкості світла на Н0, ми отримуємо об'єм Хаббла. Цей сферичний міхур охоплює область, де всі об'єкти віддаляються від центрального спостерігача зі швидкістю, меншою від швидкості світла. Відповідно, всі об'єкти поза гучності Хаббла віддаляються від центрушвидше ніж швидкість світла.
Так, "швидше, ніж швидкість світла". Як це можливо?
Магія відносності
Відповідь стосується різниці між спеціальною відносністю і загальною відносністю. Спеціальна відносність вимагає того, що називається «інерційним еталонним кадром» - простіше кажучи, фоном. Згідно з цією теорією, швидкість світла однакова при порівнянні у всіх інерціальних системах відліку. Незалежно від того, чи спостерігач сидить на парковій лавці на планеті Земля чи просувається повз Нептуна у футуристичному ракетному апараті високої швидкості, швидкість світла завжди однакова. Фотон завжди відходить від спостерігача зі швидкістю 300 000 000 метрів в секунду, і він ніколи не наздожене його.
Загальна відносність, однак, описує тканину простору часу. У цій теорії немає інерціальної системи відліку. Космічний час не розширюється по відношенню до чогось поза собою, тому швидкість світла як обмеження його швидкості не застосовується. Так, галактики поза нашою сферою Хаббла відступають від нас швидше, ніж швидкість світла. Але самі галактики не порушують жодних космічних обмежень швидкості. Спостерігачеві в межах однієї з цих галактик ніщо взагалі не порушує особливої відносності. Саме простір між нами та тими галактиками швидко поширюється і розтягується експоненціально.
Спостережуваний Всесвіт
Тепер про наступну бомбу: Об'єм Хаббла - це не те саме, що спостерігається Всесвіт.
Щоб зрозуміти це, врахуйте, що коли Всесвіт старіє, далеке світло має більше часу, щоб дістатися до наших детекторів тут, на Землі. Ми можемо бачити предмети, які прискорилися за межі нашого поточного обсягу Хаббла, тому що світло, яке ми бачимо сьогодні, випромінювалося, коли вони знаходилися в ньому.
Строго кажучи, наш спостережуваний Всесвіт збігається з чимось, що називається " горизонт частинок. Горизонт частинок позначає відстань до найдальшого світла, яке ми можемо побачити в даний момент у часі - фотони, у яких було достатньо часу, щоб або залишитися всередині, або наздогнати нашу м'яко розширювану сферу Хаббла.
І тільки яка це відстань? Трохи більше 46 мільярдів світлових років у кожному напрямку - даючи нашому спостережуваному Всесвіту діаметром приблизно 93 мільярди світлових років, або більше 500 мільярдів трильйонів миль.
(Швидка примітка: горизонт частинок - це не те саме, що космологічний горизонт подій. Горизонт частинок охоплює всі події в минулому, які ми можемо бачити в даний час. З іншого боку, горизонт космологічних подій визначає відстань, на якій майбутній спостерігач зможе побачити тоді древнє світло, яке випромінює сьогодні наш маленький куточок простору.
Іншими словами, горизонт частинок стосується відстані до минулих предметів, стародавнє світло яких ми можемо побачити сьогодні; горизонт космологічних подій стосується відстані, яку наше сучасне світло, який зможе подорожувати, як далекі регіони Всесвіту, прискорюється від нас.)
Темна енергія
Завдяки розширенню Всесвіту є регіони космосу, яких ми ніколи не побачимо, навіть якщо ми могли б почекати нескінченну кількість часу, щоб їх світло дійшло до нас. А як щодо тих районів, що виходять за межі нашого сучасного обсягу Хаббла? Якщо ця сфера також розширюється, чи зможемо ми колись побачити ці прикордонні об’єкти?
Це залежить від того, який регіон розширюється швидше - об'єм Хаббла або частини Всесвіту, що знаходяться безпосередньо поза ним. І відповідь на це питання залежить від двох речей: 1) чи H0 збільшується чи зменшується, і 2) всесвіту прискорюється чи сповільнюється. Ці дві ставки тісно пов'язані, але вони не однакові.
Насправді космологи вважають, що ми насправді живемо в той час, коли Н0 зменшується; але через темну енергію швидкість розширення Всесвіту зростає.
Це може здатися протиінтуїтивним, але поки H0 зменшується повільніше ставка чим швидкість розширення Всесвіту зростає, загальний рух галактик від нас все ще відбувається прискореними темпами. І в цей час, космологи вважають, що розширення Всесвіту випередить більш скромне зростання обсягу Хаббла.
Отже, хоча наш об'єм Хаббла розширюється, вплив темної енергії, як видається, забезпечує жорстку межу для постійно зростаючого спостережуваного Всесвіту.
Наші земні обмеження
Космологи, здається, добре справляються з глибокими питаннями, як виглядає наша спостережувана Всесвіт колись і як зміниться розширення космосу. Але в кінцевому підсумку вчені можуть лише теоретизувати відповіді на питання про майбутнє на основі сучасного розуміння Всесвіту. Космологічні часові шкали настільки немислимо довгі, що неможливо сказати багато чого конкретного про те, як поводитиметься Всесвіт у майбутньому. Сьогоднішні моделі надзвичайно добре відповідають поточним даним, але правда полягає в тому, що ніхто з нас не проживе досить довго, щоб побачити, чи справді прогнози відповідають усім результатам.
Розчарування? Звичайно. Але цілком варто докласти зусиль, щоб допомогти нашим хитрим мозгам розглянути таку науку, що блогує розум - реальність, яка, як завжди, просто чужа, ніж фантастика.
