Kosmologai yra intelektualaus laiko keliautojai. Žvelgdami į milijardus metų, šie mokslininkai sugeba stebėtinai detaliai atsekti mūsų Visatos evoliuciją. Per ateinančius amžius mūsų kosmosas išaugo iki tokio milžiniško dydžio, kad nebegalime matyti kitos jo pusės.
Bet kaip tai gali būti? Jei šviesos greitis žymi kosminį greičio apribojimą, kaip gali būti erdvės laiko regionų, kurių fotonai amžinai nepasiekiami? Ir net jei jų yra, kaip mes žinome, kad jie iš viso egzistuoja?
Besiplečianti visata
Kaip ir visa kita fizikoje, mūsų Visata stengiasi egzistuoti kuo mažesnėje energijos būsenoje. Bet apie 10-36 sekundžių po Didžiojo sprogimo, infliacijos kosmologai mano, kad kosmosas atsidūrė vietoje „klaidingos vakuumo energijos“ - žemo taško, kuris tikrai nebuvo žemas taškas. Manoma, kad siekdama tikrosios vakuumo energijos žemiausios akimirkos akimirkos, akimirkos akimirka Visata susisprogdino iš 1050.
Nuo to laiko mūsų Visata toliau plėtėsi, tačiau daug lėčiau. Mes matome šio išplėtimo įrodymus iš tolimų objektų. Žvaigždės ar galaktikos skleidžiamiems fotonams plintant Visatoje, dėl erdvės ištempimo jie praranda energiją. Kai fotonai pasieks mus, jų bangos ilgiai buvo perskirstomi atsižvelgiant į nuvažiuotą atstumą.
Štai kodėl kosmologai kalba apie raudonojo poslinkio kaip atstumo funkciją erdvėje ir laike. Šių tolimų objektų šviesa keliauja tiek ilgai, kad, kai tik pagaliau pamatome, mes matome objektus tokius, kokie jie buvo prieš milijardus metų.
Hablo tūris
Raudonai perkelta šviesa leidžia mums pamatyti tokius objektus kaip galaktikos, kokie jie egzistavo tolimoje praeityje; bet mes nematome visi įvykiai, įvykę mūsų Visatoje per jos istoriją. Kadangi mūsų kosmosas plečiasi, šviesa iš kai kurių objektų yra tiesiog per toli, kad galėtume kada nors pamatyti.
Tos ribos fizika iš dalies priklauso nuo aplinkinio erdvėlaikio riekės, vadinamos Hablo tūriu. Čia, Žemėje, Hablo tūrį apibūdiname išmatuodami tai, kas vadinama Hablo parametru (H0), vertė, kuri susieja tariamą tolimų objektų nuosmukio greitį su jų raudonu poslinkiu. Pirmą kartą jis buvo apskaičiuotas 1929 m., Kai Edwinas Hubble'as sužinojo, kad tolimosios galaktikos tolsta nuo mūsų tokiu greičiu, kuris yra proporcingas jų šviesos raudonam poslinkiui.
Šviesos greitį padalijus iš H0, gauname Hablo tūrį. Šis sferinis burbulas uždengia regioną, kuriame visi objektai juda toliau nuo centrinio stebėtojo greičiu, mažesniu nei šviesos greitis. Atitinkamai, visi objektai, esantys „Hablo“ tūrio ribose, tolsta nuo centrogreičiau nei šviesos greitis.
Taip, „greičiau nei šviesos greitis“. Kaip tai įmanoma?
Reliatyvumo magija
Atsakymas susijęs su skirtumu tarp specialiojo ir bendrojo reliatyvumo. Ypatingam reliatyvumui reikalingas tai, kas vadinama „inerciniu atskaitos kadru“ - paprasčiau tariant, fonu. Pagal šią teoriją, palyginti su visais inerciniais atskaitos kadrais, šviesos greitis yra vienodas. Nesvarbu, ar stebėtojas vis dar sėdi ant parko suolelio planetoje Žemėje, ar artėdamas prie Neptūno futuristiniame didelio greičio raketų komplekse, šviesos greitis visada yra tas pats. Fotonas visada nutolsta nuo stebėtojo 300 000 000 metrų per sekundę greičiu ir jis ar ji niekada nesivys.
Tačiau bendrasis reliatyvumas apibūdina patį erdvėlaikio audinį. Šioje teorijoje nėra inercinio atskaitos rėmo. Erdvės laikas niekuo neišsiskiria iš savęs, todėl šviesos greitis, kaip jo greičio riba, netaikomas. Taip, galaktikos, esančios už mūsų Hablo sferos ribų, pasitraukia iš mūsų greičiau nei šviesos greitis. Tačiau pačios galaktikos nepažeidžia jokių kosminio greičio apribojimų. Vienos iš tų galaktikų stebėtojui niekas nepažeidžia ypatingo reliatyvumo. Tai erdvė tarp mūsų ir tų galaktikų, kuri greitai plinta ir tęsiasi eksponentiškai.
Stebima visata
Dabar apie kitą bombą: „Hablo“ tūris nėra tas pats, kas stebima Visata.
Norėdami tai suprasti, pagalvokite, kad visatai senstant, tolima šviesa turi daugiau laiko pasiekti mūsų detektorius čia, Žemėje. Mes galime pamatyti objektus, kurie paspartėjo virš mūsų dabartinio Hablo tūrio, nes šiandien matoma šviesa buvo skleidžiama, kai jie buvo jame.
Griežtai tariant, mūsų stebima Visata sutampa su tuo, kas vadinama dalelių horizontas. Dalelių horizontas žymi atstumą iki tolimiausios šviesos, kurią mes galime pamatyti šiuo momentu - fotonai, kurie turėjo pakankamai laiko arba likti mūsų švelniai besiplečiančioje Hablo sferoje, arba ją pasiekti.
Ir kas yra tas atstumas? Šiek tiek daugiau nei 46 milijardai šviesmečių kiekviena kryptimi - mūsų stebimos Visatos skersmuo yra maždaug 93 milijardai šviesmečių arba daugiau nei 500 milijardų trilijonų mylių.
(Greita pastaba: dalelių horizontas nėra tas pats, kas kosmologinių įvykių horizontas. Dalelių horizontas apima visus praeities įvykius, kuriuos šiuo metu galime pamatyti. Kita vertus, kosmologinių įvykių horizontas nusako atstumą, kurį būsimasis stebėtojas galės pamatyti tuometinėje senovės šviesoje, kurią šiandien skleidžia mūsų mažasis erdvėlaikio kampas.
Kitaip tariant, dalelių horizontas susijęs su atstumu iki praeities objektų, kurių senovinę šviesą mes galime pamatyti šiandien; kosmologinis įvykių horizontas susijęs su atstumu, kurį mūsų dabarties šviesa, kuri galės nukeliauti tolimiausiuose Visatos regionuose, paspartins nuo mūsų.)
Tamsi energija
Dėl Visatos išsiplėtimo yra keletas kosmoso regionų, kurių niekada nematysime, net jei galėtume palaukti begalę laiko, kol jų šviesa mus pasieks. Bet kaip su tomis sritimis, kurios yra už mūsų dabartinio „Hablo“ tūrio ribų? Jei ta sfera taip pat plečiasi, ar mes kada nors galėsime pamatyti tuos ribinius objektus?
Tai priklauso nuo to, kuris regionas plečiasi greičiau - Hablo tūris ar Visatos dalys, esančios šalia jo. Ir atsakymas į tą klausimą priklauso nuo dviejų dalykų: 1) ar H0 didėja ar mažėja ir 2) ar Visata greitėja, ar lėtėja. Šios dvi normos yra glaudžiai susijusios, tačiau jos nėra vienodos.
Tiesą sakant, kosmologai mano, kad mes iš tikrųjų gyvename tuo metu, kai H0 mažėja; tačiau dėl tamsios energijos Visatos plėtimosi greitis didėja.
Tai gali pasirodyti prieštaringa, bet tol, kol H0 mažėja lėčiau norma nei tas, kuriuo didėja Visatos plėtimosi greitis, bendras galaktikų judėjimas tolyn nuo mūsų vis dar vyksta spartesniu tempu. Ir šiuo metu kosmologai mano, kad Visatos plėtra pralenks kuklesnį Hablo tūrio augimą.
Taigi, nors mūsų Hablo tūris plečiasi, atrodo, kad tamsiosios energijos įtaka suteikia vis tvirtą ribą vis didėjančiai stebimai Visatai.
Mūsų žemiški apribojimai
Atrodo, kad kosmologai gerai supranta gilius klausimus, pavyzdžiui, kaip kažkada atrodys mūsų stebima Visata ir kaip pasikeis kosmoso išsiplėtimas. Galiausiai mokslininkai gali teoretikuoti tik atsakymus į klausimus apie ateitį, remdamiesi jų supratimu apie Visatą. Kosmologiniai laikotarpiai yra tokie neįsivaizduojamai ilgi, kad neįmanoma pasakyti daug ką konkretaus apie tai, kaip Visata elgsis ateityje. Šiandienos modeliai nepaprastai gerai tinka dabartiniams duomenims, tačiau tiesa ta, kad nė vienas iš mūsų negyvensime pakankamai ilgai, kad pamatytume, ar prognozės tikrai atitinka visus rezultatus.
Apmaudu? Aišku. Tačiau tikrai verta stengtis padėti mūsų niūrioms smegenims apsvarstyti tokį mintyse sklandantį mokslą - realybę, kuri, kaip įprasta, yra tiesiog keista nei fantastika.
