Объяснение науки: как диаметр Вселенной может превышать ее возраст?
Вот почему размер нашей Вселенной не ограничен скоростью света.
9. 27. 13 Джолин Крейтон
Изображение пользователя Melmak / Pixabay
Размер Вселенной
Скорость света — одно из самых важных и фундаментальных свойств нашей Вселенной. Он используется для измерения расстояний, для межпланетной связи и в различных математических расчетах. И это только начало.
Нажмите, чтобы просмотреть полную инфографику
Скорость, с которой свет распространяется в вакууме, — 299 792 километра (186 282 мили) в секунду — постоянна и неизменна.Если убрать эту константу, по ряду причин рухнет сама основа современной физики, и общее правило можно свести к следующему: ничто во Вселенной не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света.
Как вы понимаете, возникает некоторая путаница, если принять во внимание тот факт, что ширина Вселенной не 13,8 миллиарда световых лет — число, соответствующее возрасту Вселенной. По текущим оценкам, она на самом деле немного больше, ее предполагаемый диаметр составляет около 93 миллиардов световых лет. И это только то, что мы можем видеть. То, чего мы не видим, может продолжаться вечно.
Итак, как Вселенная может иметь ширину 93 миллиарда световых лет, если ей всего 13,8 миллиарда лет и ничто не может двигаться быстрее света?
Понимание красного смещения
Прежде чем вы сможете понять, почему размер Вселенной намного превышает ее возраст, важно понять, как работает свет.
Сэр Исаак Ньютон, несомненно, был одним из величайших умов, когда-либо живших на земле. Помимо «изобретения» исчисления, он был первым ученым, который по-настоящему понял сущность света и то, что происходит, когда вы разбиваете его на составные части.
Во-первых, его исследование показало, что черный цвет — это отсутствие цвета, а белый свет — подобно тому, что исходит от Солнца и других звезд — представляет собой комбинацию всех цветов. Глядя на свет объекта через призму, можно увидеть соответствующие элементы, которые представляет свет, которые затем можно использовать для определения состава объекта, температуры и даже того, где он находится в эволюционном процессе.
Изображение предоставлено: Лукас В. Барбоза / Wikimedia Commons
Во многих отношениях работа Ньютона произвела революцию в физике и проложила путь для всех великих людей, включая Нильса Бора, Макса Планка и, конечно же, Альберта Эйнштейна. Однако для целей этого обсуждения наиболее подходящим ученым, разработавшим работу Ньютона, было имя Кристиана Доплера.
Допплер стал известен спустя сотни лет после смерти Ньютона, и если вы не знакомы с его работами, он открыл то, что сейчас называется эффектом Доплера. Этот процесс объясняет, почему некоторый свет от космических источников имеет тенденцию падать ближе к красному концу электромагнитного спектра, а другой ближе к синему концу.
Проще говоря, эффект Доплера отмечает, как длина волны света смещается в зависимости от направления движения источника, например, приближается ли что-то к нам или удаляется. В частности, световые волны будут растянутый если источник удаляется от наблюдателя, поэтому кажется красным (более длинная длина волны). И наоборот, световые волны будут сжатый если объект движется к наблюдателю, поэтому кажется синим (более короткая длина волны).
Линии поглощения в спектрах далеких галактик. Изображение предоставлено: Чано Биркелинд, Институт Нильса Бора
По пути появился переломный момент. В конечном итоге оказалось, что почти все галактики смещаются в сторону большей длины волны, а это означает, что они выглядят красными, как будто удаляются от нас. Что еще более поразительно, мало того, что почти все удалялось от нас, это красное смещение увеличивалось, а это означало, что объекты удалялись от нас все быстрее и быстрее.
Это привело к открытию того, что Вселенная не стационарна, как считали некоторые, — она на самом деле расширяется!
Расширение Вселенной
Вот где вещи становятся липкими. Наши наблюдения за красным смещением показали, что объекты, в три раза более удаленные, движутся в три раза быстрее относительно ближайших галактик. Чем дальше мы смотрим в космос, тем быстрее движутся галактики — на самом деле, они движутся так быстро на таких огромных расстояниях, что легко превосходят скорость света. Однако, как было сказано ранее, скорость света является универсальным пределом скорости. Так как же это может быть?
Во-первых, обратите внимание, что, хотя у того, что мы можем видеть, есть предел, реальная вселенная простирается гораздо дальше, чем мы можем себе представить. Все, что находится в пределах этого предела, называется «наблюдаемой вселенной» и включает в себя:
- 10 миллионов сверхскоплений
- 25 миллиардов групп галактик
- 350 миллиардов больших галактик
- 7 триллионов карликовых галактик
- 30 миллиардов триллионов (3×10²²) звезды
Если бы все это уместилось в пространстве-времени протяженностью 13,7 миллиарда световых лет, Вселенная выглядела бы довольно плотно.
Кредит изображения: Масштаб Вселенной
Первая проблема с предположением о том, что размер Вселенной должен быть равен ее возрасту в годах, исходя из расстояния, пройденного светом, возникает, когда мы смотрим на первые несколько мгновений, последовавших за Большим взрывом.
Когда Вселенная впервые «вспыхнула» примерно 13,75 миллиарда лет назад, само пространство-время начало расширяться со скоростью, превышающей скорость света. Этот период, называемый инфляцией, является неотъемлемой частью объяснения гораздо большего, чем размер Вселенной. Он также охватывает такие вещи, как однородность пространства в больших масштабах и условия, существовавшие в первую эпоху.
По сути, Вселенная превратилась из бесконечно плотного и горячего состояния в обширную область, изобилующую протонами и нейтронами — частицами, которые в конечном итоге собрались вместе и выковали строительные блоки всей материи — за считанные мгновения. После того как первоначальная инфляция утихла, расширение замедлилось. Теперь объекты разрываются таинственной силой, называемой темной энергией.
Быстрее света
Благодаря средствам, которые еще не установлены, это расширение действительно происходит быстрее скорости света. но это не означает, что вы, вероятно, думаете, что это делает.
Нажмите, чтобы просмотреть полную инфографику
Боюсь, путаница происходит из-за неправильного толкования самой теории относительности. Видите ли, теория утверждает, что объекты не может двигаться быстрее скорости света в пространстве-времени. Однако оно не накладывает никаких ограничений на само пространство-время.
Итак, подведем итог: размер пространства не противоречит основам физики.
По сути, сами галактики (и любые другие объекты в космосе) не нарушают никаких законов, потому что они не путешествуют. через пространство быстрее света (по крайней мере, не в традиционном смысле). Скорее, каждая часть пространства расширяется и растягивается. Дело даже не в том, что края разлетаются наружу, а в том, что само пространство-время — пространство между галактиками, звездами, планетами, вами и мной — растягивается.
Короче говоря, пространство-время расширяется и раздвигает материю. Материя на самом деле не путешествует в пространстве-времени.
Изображение предоставлено: Научная группа NASA/WMAP.
Интересно отметить, что расширение, к сожалению, имеет мрачные последствия для будущего Вселенной. Если предположить, что расширение продолжается бесконечно (и не замедляется), горизонт видимой Вселенной будет постепенно сужаться до тех пор, пока объекты просто не окажутся слишком далеко друг от друга, чтобы свет из одной галактики мог когда-либо достичь другой.
Если на то пошло, многое из того, что мы видим сейчас, изначально было намного ближе. Благодаря расширению эти объекты были унесены, а некоторые галактики и другие объекты исчезли из-за красного смещения (или, во всяком случае, вне нашего поля зрения). Самые далекие галактики являются одними из самых древних вещей во Вселенной, они сформировались, когда Вселенной было всего несколько миллионов лет, и, вероятно, большинство из них уже не существуют или сегодня находятся в совершенно другой части космоса.
Дополнительный отчет Хайме Троспера.
