Nauka Wyjaśnione: Jak średnica Wszechświata może przewyższać jego wiek?

Rozmiar Wszechświata

Prędkość światła jest jedną z najważniejszych i fundamentalnych właściwości naszego wszechświata. Używa się jej do mierzenia odległości, komunikacji międzyplanetarnej oraz w różnych obliczeniach matematycznych. A to dopiero początek.

Prędkość, z jaką światło porusza się w próżni – 299 792 kilometrów (186 282 mil) na sekundę – jest statyczna i niezmienna. Jeśli usuniesz tę stałą, fundamenty współczesnej fizyki rozpadają się z wielu powodów, a ogólną zasadę można podsumować następująco: Nic we wszechświecie nie może podróżować szybciej niż prędkość światła.

Jak można sobie wyobrazić, pewne zamieszanie powstaje, gdy weźmie się pod uwagę fakt, że wszechświat nie ma 13,8 miliarda lat świetlnych w poprzek – liczby, która odpowiada wiekowi wszechświata. Według obecnych szacunków jest on w rzeczywistości nieco większy, a jego średnica szacowana jest na około 93 miliardy lat świetlnych. I to jest tylko to, co możemy zobaczyć. To, czego nie widzimy, może trwać wiecznie.

Jak więc wszechświat może mieć 93 miliardy lat świetlnych szerokości, jeśli ma tylko 13,8 miliarda lat i nic nie może podróżować szybciej niż światło?

Zrozumienie przesunięcia ku czerwieni

Przed zrozumieniem, dlaczego rozmiar wszechświata jest tak znacznie większy niż jego wiek, ważne jest, aby zrozumieć, jak działa światło.

Sir Isaac Newton był bezsprzecznie jednym z największych umysłów, jakie kiedykolwiek żyły. Oprócz „wynalezienia” rachunku, był on pierwszym naukowcem, który naprawdę zrozumiał istotę światła i to, co się dzieje, gdy rozbijesz je na części składowe.

Na początek, jego badania ujawniły, że czerń jest brakiem koloru, podczas gdy białe światło – jak to pochodzące ze Słońca i innych gwiazd – jest kombinacją każdego koloru. Patrząc na światło obiektu przez pryzmat, można zobaczyć odpowiadające mu elementy, które światło reprezentuje, które mogą być następnie wykorzystane do pomocy w określeniu składu obiektu, temperatury, a nawet miejsca w procesie ewolucji.

Na więcej niż jeden sposób, praca Newtona zrewolucjonizowała fizykę i utorowała drogę wszystkim wielkim, w tym Nielsowi Bohrowi, Maxowi Planckowi i oczywiście Albertowi Einsteinowi. Jednak dla celów tej dyskusji najistotniejszy naukowiec, który oparł się na pracy Newtona, nazywał się Christian Doppler.

Doppler zyskał rozgłos setki lat po śmierci Newtona, a jeśli nie jesteś zaznajomiony z jego pracą, odkrył coś, co obecnie nazywane jest efektem Dopplera. Proces ten wyjaśnia, dlaczego niektóre światła ze źródeł kosmicznych mają tendencję do lądowania w pobliżu czerwonego końca widma elektromagnetycznego, podczas gdy niektóre światła są bliżej niebieskiego końca.

W prostych słowach, efekt Dopplera zauważa, jak długość fali światła jest przesunięta w oparciu o kierunek, w którym porusza się źródło, jak to, czy coś zbliża się do nas czy oddala. Konkretnie, fale świetlne będą rozciągnięte, jeśli źródło oddala się od obserwatora, przez co będą wydawać się czerwone (większa długość fali). I odwrotnie, fale świetlne będą ściśnięte, jeśli obiekt zmierza w kierunku obserwatora, a więc pojawiają się niebieskie (krótsza długość fali).

Po drodze nastąpiła zmiana. Ostatecznie okazało się, że prawie wszystkie galaktyki przesunęły się w kierunku dłuższej fali, co oznaczało, że wyglądały na czerwone, jakby się od nas oddalały. Jeszcze bardziej zdumiewające było to, że nie tylko większość galaktyk oddalała się od nas, ale ten redshift wzrastał, co oznaczało, że obiekty oddalały się od nas coraz szybciej.

Doprowadziło to do odkrycia, że wszechświat nie jest nieruchomy, jak niektórzy uważali – w rzeczywistości rozszerza się!

Rozszerzanie się Wszechświata

Tutaj sprawy zaczynają się kleić. Nasze obserwacje przesunięcia ku czerwieni ujawniły, że obiekty trzy razy bardziej odległe poruszają się trzy razy szybciej w stosunku do pobliskich galaktyk. Im dalej patrzymy w przestrzeń, tym szybciej poruszają się galaktyki – w rzeczywistości poruszają się one tak szybko na tych ogromnych odległościach, że z łatwością przewyższają prędkość światła. Jednak, jak już wcześniej stwierdzono, prędkość światła jest uniwersalnym ograniczeniem prędkości. Więc jak to możliwe?

Po pierwsze, zauważ, że podczas gdy istnieje granica tego, co możemy zobaczyć, rzeczywisty wszechświat rozciąga się znacznie dalej niż możemy pojąć. Wszystko, co mieści się w tym limicie, nazywa się „obserwowalnym wszechświatem” i obejmuje:

• 10 milionów supergromad
• 25 miliardów grup galaktyk
• 350 miliardów dużych galaktyk
• 7 bilionów galaktyk karłowatych
• 30 miliardów bilionów (3×10²²) gwiazd

Gdyby to wszystko było schowane w 13.7 miliardów lat świetlnych czasoprzestrzeni, wszechświat wydawałby się całkiem upakowany.

Pierwszy problem z założeniem, że rozmiar wszechświata powinien być równy jego wiekowi w latach na podstawie odległości, jaką pokonuje światło, pojawia się, gdy spojrzymy na kilka pierwszych chwil, które nastąpiły po Wielkim Wybuchu.

Kiedy wszechświat po raz pierwszy „wyskoczył” do istnienia około 13,75 miliarda lat temu, sama czasoprzestrzeń zaczęła się rozszerzać z prędkością większą niż prędkość światła. Okres ten, zwany inflacją, jest integralną częścią wyjaśnienia czegoś więcej niż tylko rozmiaru wszechświata. Obejmuje on również takie rzeczy, jak jednorodna natura przestrzeni na dużą skalę i warunki, które istniały podczas pierwszej epoki.

Zasadniczo wszechświat w ciągu kilku chwil przeszedł z nieskończenie gęstego i gorącego stanu w rozległy obszar tętniący życiem protonów i neutronów – cząstek, które ostatecznie połączyły się i stworzyły budulec całej materii. Po tym, jak początkowa inflacja wygasła, ekspansja zwolniła. Teraz obiekty są rozsuwane przez tajemniczą siłę zwaną ciemną energią.

Szybsza niż światło

Poprzez środki, które nie zostały jeszcze ustalone, ta ekspansja wydaje się zachodzić szybciej niż prędkość światła, ale to nie oznacza tego, co prawdopodobnie myślisz, że ma miejsce.

Obawiam się, że zamieszanie wynika z podstawowej błędnej interpretacji samej teorii względności. Teoria ta stwierdza, że obiekty nie mogą poruszać się szybciej niż prędkość światła w czasoprzestrzeni. Nie nakłada ona jednak żadnych ograniczeń na samą czasoprzestrzeń.

Więc, podsumowując, rozmiar przestrzeni nie jest sprzeczny z podstawową fizyką.

Podsumowując, galaktyki same w sobie (i wszelkie inne obiekty w przestrzeni) nie łamią żadnych praw, ponieważ nie podróżują przez przestrzeń szybciej niż światło (przynajmniej nie w tradycyjnym sensie). Raczej każda część przestrzeni rozszerza się i rozciąga. Nie chodzi nawet o to, że krawędzie wylatują na zewnątrz, ale o to, że czasoprzestrzeń sama w sobie – obszar pomiędzy galaktykami, gwiazdami, planetami, tobą i mną – rozciąga się.

W skrócie, czasoprzestrzeń rozszerza się i rozpycha materię. Materia tak naprawdę nie podróżuje przez czasoprzestrzeń.

Jako interesujący dodatek, niestety, ekspansja ma pewne ponure implikacje dla przyszłości wszechświata. Zakładając, że ekspansja trwa w nieskończoność (i nie zwalnia), horyzont widzialnego wszechświata będzie się stopniowo kurczył, aż obiekty będą po prostu zbyt oddalone od siebie, aby światło z jednej galaktyki mogło kiedykolwiek dotrzeć do drugiej.

W tym względzie wiele z tego, co widzimy teraz, było pierwotnie znacznie bliżej. Dzięki ekspansji, obiekty te zostały przeniesione, a niektóre galaktyki i inne obiekty zostały przesunięte ku czerwieni i przestały istnieć (lub w każdym razie zniknęły z naszego widoku). Najbardziej odległe galaktyki należą do najstarszych rzeczy we wszechświecie, uformowały się, gdy wszechświat miał zaledwie miliony lat, i prawdopodobnie większość z nich już nie istnieje lub znajduje się w zupełnie innej części kosmosu dzisiaj.

Dodatkowe raportowanie przez Jaime Trosper.

Jako czytelnik Futurismu zapraszamy do dołączenia do Singularity Global Community, forum naszej firmy macierzystej, na którym można dyskutować o futurystycznej nauce &technologii z podobnie myślącymi ludźmi z całego świata. Dołączenie jest bezpłatne, zarejestruj się już teraz!

.