Что на самом деле означает расширяющаяся Вселенная?

Астронавт Рейд Уайзман сделал это изображение с Международной космической станции и опубликовал его 28 сентября 2014 года, написав: «Млечный Путь затмевает собой пески Сахары, из-за которых Земля светится оранжевым», — говорится на веб-сайте НАСА. Рид Уайзман/НАСА скрыть заголовок

переключить подпись
Рид Уайзман/НАСА

Астронавт Рейд Уайзман сделал это изображение с Международной космической станции и опубликовал его 28 сентября 2014 года, написав: «Млечный Путь затмевает собой пески Сахары, из-за которых Земля светится оранжевым», — говорится на веб-сайте НАСА.

Меня часто спрашивают, что на самом деле означает «расширяющаяся вселенная».

Это сбивает с толку, и по очень веским причинам. Так что, если вы озадачены этим, не расстраивайтесь. Мы все такие, хотя космологи — физики, изучающие свойства Вселенной — придумали способы разобраться в этом. Далее я попытаюсь объяснить, как это представить.

В ближайшие несколько недель мы рассмотрим другие причудливые космические вопросы, такие как значение Большого взрыва, будущее и материальный состав Вселенной.

Вот проблема: с нашей повседневной точки зрения, когда мы видим, что что-то расширяется, мы сразу же видим, во что оно расширяется. Раздувающийся воздушный шар растет наружу в окружающее его пространство. Мы можем легко это представить, потому что мы видим вещи со стороны. Мы видим воздушный шар и его поверхность, увеличивающуюся по мере того, как в него закачивается воздух.Это точка зрения привилегированного наблюдателя, когда у нас есть беспристрастное и полное понимание того, что происходит, взгляд «извне».

Нам очень, очень трудно преодолеть это изображение расширяющегося воздушного шара, не менее того, потому что мы все время используем его для объяснения расширения Вселенной! Но вселенная не воздушный шар.

Что действительно усложняет ситуацию, так это то, что мы заперты внутри. Мы не можем выйти за пределы Вселенной, чтобы увидеть, как галактики удаляются друг от друга. Когда мы измеряем космическое расширение, мы должны делать это изнутри, как рыба, которая хочет описать океан в целом.

Текущие измерения показывают, что Вселенная имеет плоскую (или почти плоскую) геометрию. Для космологии плоская геометрия означает, что лучи света на самом деле проходят через пространство по прямой линии. (В искривленной геометрии лучи прочерчивают изогнутый путь, как если бы вы провели пальцем по меридиану земного шара.) Кроме того, что очень важно, плоская геометрия означает, что Вселенная, вероятно, бесконечна. Если вы начнете двигаться по прямой линии, вы никогда не вернетесь к тому, с чего начали. (В сферической геометрии, если вы будете двигаться, скажем, вдоль экватора, вы вернетесь в исходную точку.)

Как что-то бесконечно большое может расширяться? Обычный последующий вопрос (навеянный изображением расширяющегося воздушного шара): «Во что расширяется?» Хорошие вопросы. Прямой ответ заключается в том, что Вселенная ни во что не расширяется. Нет места «снаружи», в которое он мог бы расшириться. Что делает космическое расширение, так это растягивает само пространство, как если бы оно было сделано из какого-то эластичного резинового материала. Здесь нет физической границы, только пространство для растяжки.

Чтобы это представить, нам нужно построить «взгляд изнутри», как человек-наблюдатель внутри космоса. Вот один из способов: представьте себе шахматную доску. Шахматная доска — это двумерное пространство — вы можете двигаться в двух направлениях. Реальное пространство трехмерно, так как мы также можем двигаться вертикально вверх и вниз.Но изображать пространства в 2D нам гораздо проще, поэтому подойдет и шахматная доска. Теперь представьте, что вы кладете по монетке в каждую вершину шахматной доски, в точку, где сходятся две линии. Шахматка — это наша плоская вселенная (она простирается до бесконечности во все стороны), а монетки — это галактики. Конечно, реальная вселенная не такая упорядоченная, но идея та же.

Если бы Вселенная была статична, то есть не расширялась и не сжималась, монеты (галактики) просто оставались бы там. В расширяющейся Вселенной квадраты будут растягиваться и расти одинаково во всех направлениях, а монеты будут уноситься, как пробки, плывущие по реке. Если бы вы были существом, сидящим в одной монете (или галактике), вы бы увидели, как все ваши соседи удаляются от вас. С гордостью можно подумать, что вы являетесь центром расширения. Но твоя гордость — иллюзия. Каждый наблюдатель на каждой монете увидит одно и то же, а его соседи удалятся. Ни одна монета (или точка в геометрии) не важнее любой другой точки. Когда дело доходит до космической экспансии, у нас полная космическая демократия. Другими словами, у Вселенной нет центра. Неправильно представлять расширение как бомбу, взорвавшуюся далеко в прошлом. (Мы вернемся к этой неправильной картине взрывающейся Вселенной и Большого Взрыва на следующей неделе.)

Вернемся к реальной Вселенной: каждая точка является центром расширения, поскольку наблюдатели измеряют, как их соседи удаляются, увлекаемые растягивающейся геометрией. Вот что означает космическое расширение. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл измерил расширение и показал, что оно подчиняется очень простому закону, согласно которому галактики удаляются друг от друга со скоростью, возрастающей пропорционально их расстоянию. Так, наблюдатель видит, что галактика, находящаяся в два раза дальше от более близкой, удаляется (или удаляется) в два раза быстрее.

Небольшое, но очень интересное осложнение заключается в том, что, поскольку гравитация является силой притяжения, когда две или более галактик достаточно близко, в своем движении они могут отделяться от общего космического расширения по мере их дрейфа навстречу друг другу. Мы говорим, что они приобретают «особые скорости». Пекулярные скорости очень важны в астрономии и космологии, потому что они позволяют нам отображать, как большие концентрации массы распределяются в пространстве в больших галактических скоплениях, некоторые из которых содержат тысячи и более галактик. Наша собственная галактика, Млечный Путь, является частью того, что мы называем «местной группой».

Картографирование этих больших скоплений галактик — и всех галактик — является великой задачей внегалактической астрономии. Здесь есть история, история, которая началась, когда материя впервые собралась в сгустки давным-давно, когда Вселенная была очень молода, и как эти сгустки выросли, превратившись в галактики, распределенные в большие группы. Чтобы раскрыть эту историю, нам нужно вернуться к ранней истории Вселенной (как можно ближе к Большому Взрыву) и узнать, каковы космические ингредиенты, то есть различные виды материи и материалов, которые заполняют пространство.

Мы подойдем к этим двум выпускам в течение следующих нескольких недель, чтобы завершить нашу космическую трилогию.

Марсело Глейзер — физик-теоретик и писатель, профессор натурфилософии, физики и астрономии в Дартмутском колледже. Он является директором Институт междисциплинарного взаимодействия в Дартмуте, соучредитель 13.7 и активный популяризатор науки среди широкой публики. Его последняя книга Простая красота неожиданного: поиски форели и смысла всего естествоиспытателем. Вы можете не отставать от Марсело на Фейсбук и твиттер: @mgleiser