Последствия закона Хаббла: расширяющаяся Вселенная

Как и законы Кеплера, закон Хаббла является эмпирическим законом. Хаббл обнаружил взаимосвязь между двумя измеримыми свойствами галактик: их скоростями и расстояниями. Однако, учитывая эту взаимосвязь, это, естественно, приводит к нескольким вопросам. Эти вопросы:

• В чем причина этих отношений?
• Почему более далекие галактики должны иметь большие скорости?

На предыдущей странице мы приписали скорости галактик и связь между их скоростями и расстояниями взрыву. Поскольку все осколки взрыва возникли в одном и том же месте, более удаленные должны двигаться быстрее, чтобы пройти дальше всех за одно и то же время. Это приемлемая аналогия, но она не совершенна. Однако это помогает нам понять, что Вселенная должна расширяться. Наша лучшая интерпретация взаимосвязи, обнаруженной Хабблом, состоит в том, что она подразумевает, что пространство между галактиками расширяется.

Давайте изучим эту идею расширяющейся Вселенной немного подробнее. Если все объекты движутся наружу с постоянной скоростью, границы, определяемые самыми удаленными объектами, должны постоянно увеличиваться. Чтобы быть более точным в отношении расширения Вселенной, мы снова прибегаем к аналогиям. Первый: нарисуйте точки на очень длинной резинке. Предполагается, что точки представляют галактики. Если потянуть за резинку, расстояние между точками увеличится.Если начальное расстояние между точками равно 1 см (точка B находится на расстоянии 1 см от точки A, точка C — на расстоянии 2 см, а точка D — на расстоянии 3 см) и вы потяните за резинку так, что точки теперь будут равны 2 см, то от точки А точка В будет на расстоянии 2 см, точка С будет на расстоянии 4 см, а точка D будет на расстоянии 6 см. Точка C переместится в два раза дальше от точки A за то же время, что и точка B, а точка D переместится в три раза дальше от точки A за то же время, что и точка B. Следовательно, с точки зрения точки А, более удаленные точки будут двигаться быстрее, чем более близкие (помните, что скорость объекта равна пройденному расстоянию, деленному на время, необходимое для прохождения этого расстояния). Если бы мы повторили предыдущий эксперимент, но измерили расстояния между точками с точки зрения точки B, мы бы обнаружили, что точка B сделала бы тот же вывод, что и точка A. То есть все точки кажутся удаляющимися. от точки B, и казалось бы, что более дальние точки движутся быстрее.

Резиновая лента / точка аналогия расширяющейся вселенной. В примере начального состояния галактики выглядят как точки вдоль резиновой ленты. Синие и желтые точки равноудалены от исходной точки, как и белые и розовые точки, хотя и в противоположных направлениях. Оранжевая точка находится между белой и синей точками и ближе к исходной точке. Зеленая точка находится между желтой и розовой точками и дальше от исходной точки.

Предоставлено: Департамент астрономии и астрофизики штата Пенсильвания.

Резиновая лента / точка аналогия расширяющейся вселенной. Расширение Вселенной, когда она удваивается в размерах, приводит к тому, что все точки появляются в два раза дальше, чем когда-то, с точки зрения исходной точки. Это означает, что белые и розовые точки, по-видимому, сместились намного дальше от исходной точки по сравнению с синими и желтыми точками в противоположных направлениях от исходной точки.Однако, с точки зрения розовой точки, зеленая точка не сильно двигалась по сравнению с белой точкой.

Предоставлено: Департамент астрономии и астрофизики штата Пенсильвания.

Аналогия на рисунке выше позволяет нам сделать несколько выводов о Вселенной.

1. На самом деле галактики не удаляются друг от друга в пространстве. Вместо этого происходит расширение пространства между ними (подобно тому, как расширяется резинка, отделяющая закрепленные на ней точки друг от друга). По мере расширения Вселенной галактики удаляются друг от друга, и кажущаяся скорость будет казаться большей для более удаленных галактик.
2. Земля и Млечный Путь не отличаются особым видением того, что все галактики кажутся удаляющимися от нас. Если бы мы были в другой галактике, мы бы также увидели, что все другие галактики удаляются от нас из-за этого расширения.

Следующие две аналогии аналогичны аналогии с резиновой лентой и точкой, но мы собираемся мыслить в большем количестве измерений, так как мы знаем, что галактики не ограничены нахождением вдоль одномерной линии. Вместо линии изобразите тесто для хлеба с изюмом. Внутри теста весь изюм отделяется друг от друга. По мере подъема теста во время выпечки все изюминки будут отдаляться друг от друга. Допустим, размер теста увеличился вдвое. Расстояние между всеми изюминками удвоится, и, как и в случае с точками на резинке, более удаленные изюминки будут двигаться быстрее. Это хорошо видно на анимированном изображении миссии НАСА WMAP, приведенном ниже.

Рисунок 10.6: Анимированное изображение, показывающее подъем буханки теста для хлеба с изюмом. Эта анимация содержит ту же идею, что и на рис. 10.5, но расширена до трех пространственных измерений вместо одного. Изюм в тесте подобен точкам на резинке или галактикам во Вселенной.По мере того, как тесто расширяется, расстояние между изюминками увеличивается, точно так же, как расстояние между галактиками в нашей Вселенной.

Предоставлено: НАСА / WMAP.

Обе аналогии (резинка и хлеб с изюмом) должны позволить вам представить себе, что каждая галактика (или точка, или изюм) увидит, как все другие галактики удаляются, если пространство между ними расширяется. Мы используем еще одну аналогию, чтобы попытаться объяснить математику расширения Вселенной и ответить на другой распространенный вопрос, возникающий в космологии:

• Почему мы не можем наблюдать центр расширения?

Представьте вселенную, состоящую Только поверхности воздушного шара. Все галактики и звезды в галактиках закреплены на поверхности воздушного шара. Наблюдатели не могут воспринимать область внутри воздушного шара или область вне воздушного шара, они (и свет) вынуждены путешествовать только по поверхности. В этой аналогии по мере того, как воздушный шар надувается, галактики на его поверхности будут удаляться друг от друга. Как и в аналогиях с резинкой и изюмом, если вы измерите расстояние между галактиками до и после надувания воздушного шара, вы сможете показать, что более далекие галактики будут двигаться быстрее, в точности как закон Хаббла в нашей теории. вселенная (и как эксперименты с резинкой и буханкой изюма). Опять же, каждая галактика будет наблюдать один и тот же эффект, и ни одна галактика не находится в особом месте. Если вы спросите, где находится центр расширения, он находится внутри воздушного шара. Это означает, что никакое место на поверхности воздушного шара (вселенная, по мнению жителей на поверхности воздушного шара) не может быть идентифицировано как «центр» вселенной.

Мы используем эту аналогию, чтобы ответить на вопрос:

• Где находится центр нашей Вселенной?

Идея состоит в том, что мы живем во вселенной с тремя пространственными измерениями, которые мы можем воспринимать, но существуют «дополнительные» измерения (может быть, одно, а может быть, и больше одного), которые содержат центр расширения. Подобно двумерным существам, населяющим поверхность вселенной воздушного шара, мы не можем наблюдать центр нашей вселенной. Мы можем сказать, что он расширяется, но мы не можем определить место в нашем трехмерном пространстве, которое является центром расширения.

До этого момента мы описывали красное смещение света как доплеровское смещение. Однако теперь, когда мы понимаем, что Вселенная расширяется, нам нужно пересмотреть это описание. Мы понимаем космологическое красное смещение галактик следующим образом. Представьте себе фотон, испущенный далекой галактикой по направлению к Земле. Этот фотон имеет определенную длину волны. Однако во время путешествия между далекой галактикой и Землей пространство между этой галактикой и Землей расширилось. Расширение пространства приводит к тому, что длина волны фотона увеличивается, поэтому, когда он достигает Земли, его длина волны больше, чем при выходе. Математически это ведет себя точно так же, как если бы фотон был доплеровски смещен. Итак, мы интерпретируем галактики как движущиеся в пространстве от нас. Однако правильная интерпретация состоит в том, что галактики находятся в определенных положениях в пространстве, а пространство между ними расширяется. Ниже представлена ​​анимация, иллюстрирующая космологическое красное смещение с использованием аналогии с воздушным шаром для расширения пространства.

Иллюстрация космологического красного смещения с использованием аналогии с воздушным шаром. В этой анимации волна, нарисованная на воздушном шаре, представляет собой волну света с определенной длиной волны. По мере расширения воздушного шара длина волны увеличивается. Мы считаем, что именно так ведет себя свет во Вселенной. По мере расширения Вселенной расстояние между гребнями световой волны также увеличивается, что приводит к увеличению длины волны. Свет с большей длиной волны краснее, поэтому свет кажется смещенным в красную сторону из-за расширения.

Предоставлено: Департамент астрономии и астрофизики штата Пенсильвания.

Означает ли это, что Солнечная система расширяется? А Млечный Путь? Станет ли Плутон все дальше и дальше от Солнца по мере расширения Вселенной? Ответ отрицательный, и немного сложно понять, почему именно. Снова рассмотрим стабильную звезду Главной последовательности. Мы обсуждали, как для того, чтобы звезда избежала коллапса, направленная наружу сила радиационного давления, создаваемая ядерным синтезом в ядре, уравновешивала направленное внутрь гравитационное притяжение. Мы можем рассматривать все объекты и системы объектов во Вселенной, подчиненные такому же балансу сил. Расширение Вселенной можно представить как глобальную силу, притягивающую все объекты. Однако он силен только в очень больших масштабах. В масштабе галактики гравитационная сила, связывающая галактику вместе, намного сильнее, чем «сила расширения», поэтому галактика не расширяется. В масштабах Солнечной системы дисбаланс еще больше, поэтому гравитационная связь Солнечной системы легко подавляет «силу расширения», сохраняя орбитальное расстояние Плутона от Солнца неизменным с течением времени.