Często można usłyszeć wypowiedzi astrofizyków i kosmologów, że niezwykle odległe regiony Wszechświata oddalają się od nas szybciej niż prędkość światła. Ale co to dokładnie oznacza? Czy mają na myśli, że we wszechświecie istnieją obiekty, które mogą przekraczać jedną z najbardziej podstawowych wartości.
Najbardziej fundamentalne prawo szczególnej teorii względności doprowadziło kiedyś Einsteina do realizacji najbardziej przełomowej idei w fizyce - że nic nie może poruszać się szybciej niż światło. Bezmasowe cząstki w próżni poruszają się z prędkością światła, podczas gdy wszystko inne - cząstka z jakąś masą lub bezmasowa cząstka w ośrodku - zawsze będzie poruszać się wolniej niż prędkość światła. Ale jeśli chodzi o rozszerzanie się wszechświata, często pojawiają się myśli, że dzieje się to szybciej niż prędkość światła. Spróbujmy dowiedzieć się, czy tak jest.
Wszechświat, jaki widzimy dzisiaj, istnieje od około 13,8 miliarda lat od gorącego Wielkiego Wybuchu. Ale jeśli zapytasz, jak daleko możemy spojrzeć w dowolnym kierunku, odpowiedź brzmi nie 13,8 miliarda lat świetlnych, ale znacznie więcej. Jeśli się nad tym zastanowić, można sobie wyobrazić dwukrotnie większą odległość: jeśli obiekt emitujący światło znajdował się 13,8 miliarda lat świetlnych od „nas”, to najprawdopodobniej emitował światło, oddalając się od nas - być może nawet przy prędkości zbliżonej do światła. Gdyby jasny obiekt istniał tak długo i nieustannie oddalał się od nas z prędkością 299 792 kilometrów na sekundę, jego światło docierałoby do nas dopiero teraz, chociaż sam obiekt byłby już 27,6 miliardów lat od nas. To wszystko brzmi rozsądnie, ale może nas prowadzić do niezbyt dobrego założenia, że sama przestrzeń jest statyczna.
Przestrzeń, w której żyjemy, nie jest statyczna - rozszerza się. Co więcej, możemy zmierzyć obecne tempo ekspansji, tak jak było w odległej przeszłości i we wszystkich „pośrednich” epokach. Okazuje się, że światło obiektu znajdującego się zaledwie 168 metrów od nas w czasie Wielkiego Wybuchu (ok, 10-33 sekundy po Wielkim Wybuchu) dotrze do nas dopiero dziś, 13,8 miliarda lat później, po niesamowitej podróży i nierealnym stopniu rozciągnięcia, i sam obiekt znajdowałby się teraz 46,1 miliarda lat od nas.
Ewolucja Wszechświata od momentu Wielkiego Wybuchu według standardowego modelu kosmologicznego.
"Aha! zawołasz. "A więc przestrzeń rozszerzyła się szybciej niż prędkość światła!"
Czyż nie? Tylko żeby coś poruszało się szybciej niż światło, musi mieć prędkość: coś, co można zmierzyć np. Kilometry na sekundę. Ale nie tak wszechświat się rozszerza.
Wręcz przeciwnie, rozszerza się z prędkością na jednostkę odległości. Jest to zwykle mierzone w kilometrach na sekundę na megaparsek, gdzie megaparsek ma około 3,26 miliona lat świetlnych. Jeżeli prędkość ekspansji wynosi 70 km / s / Mpc, oznacza to, że średnio obiekt znajdujący się 10 Mpc od nas oddala się z prędkością 700 km / s z naszego punktu widzenia, przy 200 Mpc - 14 000 km / s, a przy W przypadku obiektu 5000 Mpc wyda nam się, że oddala się z prędkością 350 tys. Km / s.
Film promocyjny:
Czy jednak z tego wynika, że niektóre obiekty poruszają się szybciej niż światło? Wróćmy do specjalnego prawdopodobieństwa Einsteina i zastanówmy się, co mamy na myśli, kiedy mówimy, że nic nie może podróżować szybciej niż światło. Oznacza to, że jeśli masz dwa obiekty w tym samym wydarzeniu czasoprzestrzennym - zajmujące tę samą przestrzeń w tym samym czasie - to nie mogą poruszać się względem siebie szybciej niż prędkość światła. Nawet jeśli jeden z nich porusza się na północ z 99% prędkością światła, a drugi z tą samą prędkością na południe, ich prędkość nie będzie równa 198% prędkości światła względem siebie, ale będzie równa 99,995% prędkości światła. Bez względu na to, jak szybko każdy z nich się porusza, nigdy nie przekroczą prędkości światła względem siebie.
Z naszego punktu widzenia obserwowalny Wszechświat może mieć 46 miliardów lat świetlnych we wszystkich kierunkach, ale na pewno istnieją obszary poza nim, których nie możemy obserwować. 46 miliardów lat świetlnych to tylko granica dla naszych obserwacji.
Dlatego nazywa się to względnością: mierzy względny ruch między dwoma obiektami w tym samym punkcie w czasie i przestrzeni. Ale ten typ względności - Szczególna Teoria Względności - ustala zasady w twoim obszarze nierozszerzającej się przestrzeni. Ogólna teoria względności dodaje do tego kolejną warstwę: fakt, że sama przestrzeń się rozszerza. Mierząc ilość zwykłej materii, ciemnej materii, ciemnej energii, neutrin, promieniowania i innych rzeczy w dzisiejszym wszechświecie, a także to, jak światło docierające do nas z różnych odległości we Wszechświecie jest przenoszone do czerwonego widma w wyniku ekspansji, możemy odtworzyć, jak duże był wszechświatem w jakimkolwiek momencie w przeszłości.
Kiedy Wszechświat miał około 10 tysięcy lat, jego obserwowalna część miała już 10 milionów lat świetlnych średnicy. Kiedy miała zaledwie rok, obserwowalny wszechświat miał średnicę 100 000 lat świetlnych. Kiedy miała zaledwie jedną sekundę, miała już 10 lat świetlnych średnicy. Tak, wszystko to brzmi tak, jakby rozszerzało się szybciej niż światło. Ale w żadnym momencie żadna cząstka nie poruszała się szybciej niż światło w stosunku do innej cząstki, z którą wchodziła w interakcje.
Im dalej galaktyka, tym szybciej oddala się od nas i tym bardziej jej światło przechodzi w czerwone widmo, zmuszając nas do patrzenia na coraz dłuższe fale. Galaktyki poza pewną odległością stają się nieosiągalne nawet z prędkością światła.
Wręcz przeciwnie, przestrzeń między cząstkami rozszerzyła się, w wyniku czego wzrosła odległość między nimi, a długość fali promieniowania w tej przestrzeni została rozciągnięta. Trwało to przez wiele miliardów lat w kosmicznej historii i trwa do dziś. Chociaż nigdy nie możemy dotrzeć do obiektów dłuższych niż 15,6 miliarda lat temu, nawet jeśli poruszamy się z prędkością światła (co z definicji jest niemożliwe), to nie dlatego, że oddalają się szybciej niż światło, ale ponieważ przestrzeń między różnymi punktami nadal się powiększa.
Głównym wnioskiem jest to, że przestrzeń nie rozszerza się z żadną określoną prędkością, ale raczej z określoną szybkością: z prędkością na jednostkę odległości. W rezultacie im dalej patrzysz na obiekt, tym bardziej ekspansja wpływa na odległość między tobą. Im dalej obiekt jest od Ciebie, tym bardziej czerwony będzie się pojawiał i tym szybciej będzie się oddalał od Twojego punktu widzenia. Ale czy jest szybszy niż światło? Aby to zmierzyć, musisz znajdować się w tym samym obszarze. W odniesieniu do twojego położenia nic nie porusza się szybciej niż światło i można to powiedzieć o dowolnym miejscu we wszechświecie w dowolnym momencie. Przestrzeń rozszerza się, ale nie szybciej niż światło, ponadto ta ekspansja nie ma prędkości.
Vladimir Guillen
