Космолозите са пътници с интелектуално време. Поглеждайки назад през милиарди години, тези учени успяват да проследят еволюцията на нашата Вселена с изумителни детайли. През следващите еони нашият космос е нараснал до такива огромни размери, че вече не можем да видим другата страна на него.
Но как може да бъде това? Ако скоростта на светлината отбелязва космическо ограничение на скоростта, как е възможно да има области на космическото време, чиито фотони завинаги са извън нашия обхват? И дори да има, как да разберем, че те изобщо съществуват?
Разширяващата се Вселена
Както всичко останало във физиката, така и нашата Вселена се стреми да съществува в възможно най-ниското енергийно състояние. Но около 10-36 секунди след Големия взрив, инфлационните космолози смятат, че Космосът намери покой вместо "фалшива вакуумна енергия" - ниска точка, която всъщност не беше ниска точка. Търсейки истинския надир на вакуумната енергия, в продължение на минута част от мига се смята, че Вселената е балонирана с коефициент 1050.
Оттогава нашата Вселена продължава да се разширява, но с много по-бавни темпове. Виждаме доказателства за това разширение в светлината от далечни обекти. Докато фотоните, излъчвани от звезда или галактика, се разпространяват из Вселената, разтягането на космоса ги кара да губят енергия. След като фотоните достигнат до нас, техните дължини на вълната са преместени в съответствие с разстоянието, което са изминали.
Ето защо космолозите говорят за червеното изместване като функция на разстоянието както в пространството, така и във времето. Светлината от тези далечни обекти пътува толкова дълго, че когато най-накрая го видим, ние виждаме обектите, каквито са били преди милиарди години.
Обемът на Хъбъл
Червената изместена светлина ни позволява да виждаме обекти като галактики, каквито са съществували в далечното минало; но не можем да видим всичко събития, случили се във нашата Вселена през нейната история. Тъй като нашият космос се разширява, светлината от някои обекти е просто твърде далеч, за да можем някога да го видим.
Физиката на тази граница разчита отчасти на парче околно пространство, наречено обем на Хъбъл. Тук на Земята дефинираме обема на Хъбъл, като измерваме нещо, наречено параметър Хъбъл (H0), стойност, която свързва привидната скорост на рецесия на отдалечени обекти с тяхното червено изместване. За първи път е изчислен през 1929 г., когато Едвин Хъбъл открива, че далечните галактики изглежда се отдалечават от нас със скорост, пропорционална на червеното изместване на тяхната светлина.
Разделяне на скоростта на светлината на Н0, получаваме силата на звука на Хъбъл. Този сферичен балон обхваща област, в която всички обекти се отдалечават от централния наблюдател със скорост, по-малка от скоростта на светлината. Съответно всички обекти извън обема на Хъбъл се отдалечават от центърапо-бързо отколкото скоростта на светлината.
Да, "по-бързо от скоростта на светлината." Как е възможно?
Магията на относителността
Отговорът е свързан с разликата между специална относителност и обща относителност. Специалната относителност изисква това, което се нарича „инерциална референтна рамка“ - по-просто казано, фон. Според тази теория скоростта на светлината е една и съща в сравнение с всички инерционни референтни рамки. Независимо дали наблюдател седи неподвижно на паркова пейка на планетата Земя или приближава мащаба си към Нептун във футуристична ракета с висока скорост, скоростта на светлината е винаги една и съща. Фотон винаги пътува далеч от наблюдателя с 300 000 000 метра в секунда и той или тя никога няма да навакса.
Общата относителност обаче описва самата материя на космическото време. В тази теория няма инерциална референтна рамка. Космическото време не се разширява по отношение на нещо извън себе си, така че скоростта на светлината като граница за скоростта му не се прилага. Да, галактиките извън нашата сфера на Хъбъл се отдалечават от нас по-бързо от скоростта на светлината. Но самите галактики не нарушават никакви космически ограничения на скоростта. За наблюдател в една от тези галактики нищо изобщо не нарушава специалната относителност. Пространството между нас и онези галактики бързо се разраства и разтяга експоненциално.
Наблюдаемата Вселена
Сега за следващата бомба: Обемът на Хъбъл не е същото нещо като наблюдаваната Вселена.
За да разберете това, помислете, че когато Вселената остарява, далечната светлина има повече време да достигне до нашите детектори тук, на Земята. Можем да видим обекти, които са се ускорили отвъд настоящия ни обем на Хъбъл, защото светлината, която виждаме днес, се излъчваше, когато бяха в нея.
Строго погледнато, нашата наблюдаема Вселена съвпада с нещо, наречено „the“ хоризонт на частиците, Хоризонтът на частиците бележи разстоянието до най-отдалечената светлина, която е възможно да видим в този момент във времето - фотони, които са имали достатъчно време, или да останат в рамките на нашата леко разширяваща се сфера на Хъбъл.
И само какво е това разстояние? Малко повече от 46 милиарда светлинни години във всяка посока - даваме на нашата наблюдаема Вселена диаметър приблизително 93 милиарда светлинни години или повече от 500 милиарда трилиона мили.
(Бърза забележка: хоризонтът на частиците не е едно и също нещо като космологичен хоризонт на събитията, Хоризонтът на частиците обхваща всички събития в миналото, които можем да видим в момента. От друга страна, хоризонтът на космологичните събития определя разстоянието, в рамките на което бъдещият наблюдател ще може да види тогава древната светлина, която днес излъчва малкото ни кътче от космическото време.
С други думи, хоризонтът на частиците разглежда разстоянието до минали обекти, чиято древна светлина можем да видим днес; хоризонтът на космологичните събития се отнася до разстоянието, което днешната ни светлина, която ще бъде в състояние да измине като отдалечени региони на Вселената, се ускорява далеч от нас.)
Тъмна енергия
Благодарение на разширяването на Вселената, съществуват региони на Космоса, които никога няма да видим, дори ако бихме могли да изчакаме безкрайно много време, докато светлината им достигне до нас. Но какво да кажем за тези области, които са извън обсега на днешния обем на Хъбъл? Ако тази сфера също се разширява, ще можем ли някога да видим тези гранични обекти?
Това зависи от това кой регион се разширява по-бързо - обемът на Хъбъл или частите на Вселената точно извън него. И отговорът на този въпрос зависи от две неща: 1) дали Н0 се увеличава или намалява и 2) дали Вселената се ускорява или намалява. Тези две ставки са тясно свързани, но не са еднакви.
Всъщност космолозите смятат, че всъщност живеем във време, когато Н0 намалява; но поради тъмната енергия скоростта на разширяване на Вселената се увеличава.
Това може да звучи контраинтуитивно, но докато H0 намалява по-бавно скорост отколкото тази, при която скоростта на разширяване на Вселената се увеличава, цялостното движение на галактиките далеч от нас все още се случва с ускорени темпове. И в този момент във времето космолозите вярват, че разширяването на Вселената ще изпревари по-скромния ръст на обема на Хъбъл.
Така че, въпреки че нашият обем на Хъбъл се разширява, изглежда, че влиянието на тъмната енергия осигурява твърда граница на непрекъснато нарастващата наблюдаема Вселена.
Нашите земни ограничения
Изглежда, че космолозите се справят с дълбоки въпроси като това как ще изглежда нашата наблюдавана Вселена някой ден и как ще се промени разширяването на Космоса. Но в крайна сметка учените могат само да теоретизират отговорите на въпросите за бъдещето въз основа на съвременното си разбиране за Вселената. Космологичните времеви диапазони са толкова невъобразимо дълги, че е невъзможно да се каже много от нещо конкретно за това как ще се държи Вселената в бъдеще. Днешните модели отговарят изключително добре на текущите данни, но истината е, че никой от нас няма да живее достатъчно дълго, за да види дали прогнозите наистина съвпадат с всички резултати.
Да се разочароват? Сигурен. Но напълно си струва усилията да помогнем на нашите умопомрачителни да разгледат такава научно-блогърска наука - реалност, която, както обикновено, е просто по-странна от фантастиката.
