Космологи - интеллектуальные путешественники во времени. Оглядываясь назад на миллиарды лет, эти ученые могут проследить эволюцию нашей Вселенной в удивительных деталях. За последующие эоны наш космос вырос до таких огромных размеров, что мы больше не можем видеть другую его сторону.
Но как это может быть? Если скорость света знаменует собой предел космической скорости, как могут быть области пространства-времени, фотоны которых всегда находятся вне нашей досягаемости? И даже если они есть, как мы узнаем, что они вообще существуют?
Расширяющаяся Вселенная
Как и все остальное в физике, наша Вселенная стремится существовать в минимально возможном состоянии энергии. Но около 10-36 Через несколько секунд после Большого взрыва инфляционные космологи считают, что космос оказался вместо этого в «энергии ложного вакуума» - низкой точке, которая на самом деле не была низкой. В поисках истинного надира энергии вакуума, в течение доли секунды, считается, что Вселенная вздулась в 10 раз50.
С тех пор наша Вселенная продолжала расширяться, но гораздо более медленными темпами. Мы видим доказательства этого расширения в свете от отдаленных объектов. Поскольку фотоны, испускаемые звездой или галактикой, распространяются по Вселенной, растяжение пространства заставляет их терять энергию. Как только фотоны достигают нас, их длины волн были смещены в красную плоскость в соответствии с пройденным расстоянием.
Вот почему космологи говорят о красном смещении как функции расстояния как в пространстве, так и во времени. Свет от этих далеких объектов путешествовал так долго, что, когда мы наконец видим его, мы видим объекты такими, какими они были миллиарды лет назад.
Том Хаббла
Красное смещение света позволяет нам видеть объекты, подобные галактикам, существовавшими в далеком прошлом; но мы не можем видеть все события, которые произошли в нашей вселенной в течение ее истории. Поскольку наш космос расширяется, свет от некоторых объектов просто слишком далеко, чтобы мы могли когда-либо его увидеть.
Физика этой границы частично основана на частице окружающего пространства-времени, называемого объемом Хаббла. Здесь, на Земле, мы определяем объем Хаббла, измеряя то, что называется параметром Хаббла (H0), значение, которое связывает видимую скорость спада удаленных объектов с их красным смещением. Впервые он был рассчитан в 1929 году, когда Эдвин Хаббл обнаружил, что далекие галактики, по-видимому, удаляются от нас со скоростью, пропорциональной красному смещению их света.
Деление скорости света на H0, мы получаем объем Хаббла. Этот сферический пузырь охватывает область, в которой все объекты отодвигаются от центрального наблюдателя со скоростью, меньшей скорости света. Соответственно, все объекты за пределами объема Хаббла удаляются от центраБыстрее чем скорость света.
Да, «быстрее, чем скорость света». Как это возможно?
Магия относительности
Ответ связан с различием между специальной теорией относительности и общей теорией относительности. Специальная теория относительности требует так называемой «инерциальной системы отсчета» - проще говоря, фона. Согласно этой теории, скорость света одинакова при сравнении во всех инерциальных системах отсчета. Независимо от того, сидит ли наблюдатель на скамейке в парке на планете Земля или движется мимо Нептуна в футуристическом высокоскоростном ракетном корабле, скорость света всегда одинакова. Фотон всегда уходит от наблюдателя со скоростью 300 000 000 метров в секунду, и он никогда не догонит его.
Общая теория относительности, однако, описывает ткань самого пространства-времени. В этой теории нет инерциальной системы отсчета. Пространство-время не расширяется относительно чего-либо вне его, поэтому скорость света как ограничение его скорости не применяется. Да, галактики за пределами нашей сферы Хаббла удаляются от нас быстрее, чем скорость света. Но сами галактики не нарушают никаких ограничений космической скорости. Для наблюдателя в одной из этих галактик ничто не нарушает специальной относительности вообще. Это пространство между нами и теми галактиками, которые быстро растут и растут в геометрической прогрессии.
Наблюдаемая Вселенная
Теперь о следующей бомбе: Объем Хаббла - это не то же самое, что наблюдаемая Вселенная.
Чтобы понять это, учтите, что по мере старения Вселенной у дальнего света появляется больше времени, чтобы добраться до наших детекторов здесь, на Земле. Мы можем видеть объекты, которые ускорились за пределы нашего текущего объема Хаббла, потому что свет, который мы видим сегодня, излучался, когда они находились внутри него.
Строго говоря, наша наблюдаемая Вселенная совпадает с чем-то, что называется горизонт частиц, Горизонт частиц отмечает расстояние до самого дальнего света, который мы, возможно, можем видеть в данный момент времени - фотоны, у которых было достаточно времени, чтобы либо оставаться внутри, либо догонять нашу мягко расширяющуюся сферу Хаббла.
И что это за расстояние? Чуть более 46 миллиардов световых лет в каждом направлении, что дает нашей наблюдаемой Вселенной диаметр около 93 миллиардов световых лет, или более 500 миллиардов триллионов миль.
(Небольшое примечание: горизонт частиц не то же самое, что горизонт космологических событий, Горизонт частиц охватывает все события в прошлом, которые мы можем видеть в настоящее время. С другой стороны, горизонт космологических событий определяет расстояние, на котором будущий наблюдатель сможет увидеть древний свет, излучаемый сегодня нашим маленьким уголком пространства-времени.
Другими словами, горизонт частиц имеет дело с расстоянием до прошлых объектов, древний свет которых мы видим сегодня; горизонт космологических событий имеет дело с расстоянием, которое наш современный свет сможет преодолевать по мере того, как отдаленные области Вселенной ускоряются от нас.)
Темная энергия
Благодаря расширению Вселенной существуют области космоса, которые мы никогда не увидим, даже если бы мы могли бесконечно долго ждать, пока их свет достигнет нас. Но как насчет тех областей, которые находятся за пределами нашего современного объема Хаббла? Если эта сфера также расширяется, сможем ли мы когда-нибудь увидеть эти граничные объекты?
Это зависит от того, какой регион расширяется быстрее - объем Хаббла или части Вселенной, находящиеся за ее пределами. И ответ на этот вопрос зависит от двух вещей: 1) Н0 увеличивается или уменьшается, и 2) ускоряется или замедляется Вселенная. Эти два показателя тесно связаны, но они не совпадают.
На самом деле, космологи считают, что мы на самом деле живем в то время, когда H0 уменьшается; но из-за темной энергии скорость расширения Вселенной увеличивается.
Это может показаться нелогичным, но пока H0 уменьшается медленнее ставка чем то, при котором скорость расширения Вселенной увеличивается, общее движение галактик от нас все еще происходит в ускоренном темпе. И в данный момент космологи считают, что расширение Вселенной опередит более скромный рост объема Хаббла.
Таким образом, даже несмотря на то, что наш объем Хаббла расширяется, влияние темной энергии, по-видимому, обеспечивает жесткий предел для постоянно растущей наблюдаемой Вселенной.
Наши земные ограничения
Кажется, что космологи хорошо разбираются в глубоких вопросах, таких как то, как однажды будет выглядеть наша наблюдаемая Вселенная, и как изменится расширение космоса. Но в конечном итоге ученые могут только теоретизировать ответы на вопросы о будущем, основываясь на своем современном понимании Вселенной. Космологические временные рамки настолько невообразимо велики, что невозможно сказать что-либо конкретное о том, как Вселенная будет вести себя в будущем. Современные модели удивительно хорошо вписываются в текущие данные, но правда в том, что никто из нас не проживет достаточно долго, чтобы увидеть, действительно ли прогнозы соответствуют всем результатам.
Неутешительный? Конечно. Но все же стоит приложить усилия, чтобы помочь нашему маленькому мозгу рассмотреть такую науку, о которой идет речь, - реальность, которая, как обычно, просто чужа, чем выдумка.
