Știința explicată: Cum poate diametrul universului să depășească vârsta sa?

Dimensiunile Universului

Viteza luminii este una dintre cele mai importante și fundamentale proprietăți ale universului nostru. Este folosită pentru a măsura distanțele, pentru comunicațiile interplanetare și în diverse calcule matematice. Și acesta este doar începutul.

Viteza cu care lumina călătorește prin vid – 299.792 kilometri (186.282 mile) pe secundă – este statică și neschimbătoare. Dacă elimini această constantă, însăși fundația fizicii moderne se prăbușește din mai multe motive, iar regula generală poate fi rezumată astfel: Nimic în univers nu poate călători mai repede decât viteza luminii.

Așa cum vă puteți imagina, apare o oarecare confuzie atunci când se ia în considerare faptul că universul nu are un diametru de 13,8 miliarde de ani-lumină – un număr care corespunde cu vârsta universului. Conform estimărilor actuale, acesta este de fapt mult mai mare, cu un diametru estimat la aproximativ 93 de miliarde de ani-lumină. Și asta este doar ceea ce putem vedea. Ceea ce nu putem vedea poate continua la nesfârșit.

Atunci, cum poate avea universul o lățime de 93 de miliarde de ani-lumină dacă are doar 13,8 miliarde de ani și dacă nimic nu poate călători mai repede decât lumina?

Înțelegerea deplasării spre roșu

Înainte de a înțelege de ce dimensiunea universului este mult mai mare decât vârsta sa, este important să înțelegem cum funcționează lumina.

Sir Isaac Newton a fost, fără îndoială, una dintre cele mai mari minți care au trăit vreodată. Pe lângă faptul că a „inventat” calculul, el a fost primul om de știință care a înțeles cu adevărat esența luminii și ce se întâmplă atunci când o descompui în părțile sale constitutive.

Pentru început, cercetările sale au dezvăluit că negrul este absența culorii, în timp ce lumina albă – precum cea care provine de la Soare și de la alte stele – este o combinație a fiecărei culori. Privind lumina unui obiect printr-o prismă, se pot vedea elementele corespunzătoare pe care le reprezintă lumina, care pot fi apoi folosite pentru a ajuta la determinarea compoziției obiectului, a temperaturii și chiar a locului în care acesta se află în procesul de evoluție.

În mai multe moduri decât unul, lucrarea lui Newton a revoluționat fizica și a deschis calea pentru toți marii, inclusiv Niels Bohr, Max Planck și, desigur, Albert Einstein. Cu toate acestea, în scopul acestei discuții, cel mai relevant om de știință care s-a bazat pe munca lui Newton a purtat numele de Christian Doppler.

Doppler a devenit proeminent la sute de ani după moartea lui Newton și, dacă nu sunteți familiarizați cu munca sa, el a descoperit ceva ce acum se numește efectul Doppler. Acest proces explică de ce o parte din lumina provenită din surse cosmice tinde să aterizeze aproape de capătul roșu al spectrului electromagnetic, în timp ce o altă lumină este mai aproape de capătul albastru.

În termeni simpli, efectul Doppler notează modul în care lungimea de undă a luminii este deplasată în funcție de direcția în care se mișcă sursa, cum ar fi dacă ceva vine spre noi sau se îndepărtează. Mai exact, undele de lumină vor fi întinse dacă sursa se îndepărtează de observator, apărând astfel de culoare roșie (lungimea de undă mai mare). Invers, undele de lumină vor fi comprimate dacă obiectul se îndreaptă spre observator, apărând astfel albastre (lungimea de undă mai scurtă).

Pe parcurs, s-a prezentat un schimbător de joc. În cele din urmă, aproape toate galaxiile păreau să se deplaseze spre o lungime de undă mai mare, ceea ce însemna că arătau roșii, ca și cum se îndepărtau de noi. Chiar mai uimitor, nu numai că aproape totul se îndepărta de noi, dar această deplasare spre roșu era în creștere, ceea ce înseamnă că obiectele se îndepărtau de noi din ce în ce mai repede.

Aceasta a dus la descoperirea faptului că universul nu este staționar, așa cum credeau unii – de fapt, se extinde!

Expansiunea Universului

Iată unde lucrurile devin lipicioase. Observațiile noastre privind deplasarea spre roșu au arătat că obiectele de trei ori mai îndepărtate se mișcă de trei ori mai repede în raport cu galaxiile din apropiere. Cu cât privim mai departe în spațiu, cu atât mai repede se mișcă galaxiile – de fapt, ele se mișcă atât de repede la aceste distanțe mari încât depășesc cu ușurință viteza luminii. Cu toate acestea, după cum s-a afirmat anterior, viteza luminii este viteza limită universală. Deci, cum se poate întâmpla acest lucru?

În primul rând, rețineți că, deși există o limită a ceea ce putem vedea, universul real se extinde mult mai departe decât putem cuprinde. Tot ceea ce se află în această limită se numește „universul observabil” și include:

• 10 milioane de superclustere
• 25 de miliarde de grupuri de galaxii
• 350 de miliarde de galaxii mari
• 7 trilioane de galaxii pitice
• 30 de miliarde de trilioane (3×10²²) de stele

Dacă toate acestea ar fi fost băgate în 13.7 miliarde de ani lumină de spațiu-timp, universul ar părea destul de aglomerat.

Prima problemă cu presupunerea că dimensiunea universului ar trebui să fie egală cu vârsta sa în ani, bazată pe distanța parcursă de lumină, apare atunci când ne uităm la primele câteva momente care au urmat Big Bang-ului.

Când universul a „pocnit” pentru prima dată în existență în urmă cu aproximativ 13,75 miliarde de ani, spațiu-timpul însuși a început să se extindă cu viteze mai mari decât viteza luminii. Această perioadă, numită inflație, este parte integrantă în explicarea a mult mai mult decât dimensiunea universului. Ea acoperă, de asemenea, lucruri precum natura omogenă a spațiului la scară largă și condițiile care au existat în timpul primei epoci.

În principiu, universul a trecut de la o stare infinit de densă și fierbinte la o zonă vastă, plină de protoni și neutroni – particule care, în cele din urmă, s-au unit și au forjat elementele constitutive ale întregii materii – în câteva momente. După ce inflația inițială s-a stins, expansiunea a încetinit. Acum, obiectele sunt trase în afară de o forță misterioasă numită energie întunecată.

Mai repede decât lumina

Prin mijloace care nu au fost încă stabilite, această expansiune pare să se întâmple mai repede decât viteza luminii, dar asta nu înseamnă ceea ce credeți probabil că înseamnă.

Mă tem că confuzia provine dintr-o interpretare greșită de bază a relativității însăși. Vedeți, teoria afirmă că obiectele nu se pot deplasa mai repede decât viteza luminii prin spațiu-timp. Cu toate acestea, ea nu impune nicio limită asupra spațiu-timpului în sine.

Deci, ca să rezumăm, dimensiunea spațiului nu intră în conflict cu fizica de bază.

În esență, galaxiile însele (și orice alte obiecte din spațiu) nu încalcă nicio lege, deoarece nu călătoresc prin spațiu mai repede decât lumina (cel puțin, nu în sensul tradițional). Mai degrabă, fiecare porțiune de spațiu se extinde și se întinde. Nu este vorba nici măcar de faptul că marginile zboară spre exterior, ci de faptul că spațiu-timpul însuși – zona dintre galaxii, stele, planete, tu și eu – se întinde.

În concluzie, spațiu-timpul se extinde și împinge materia în afară. Materia nu călătorește cu adevărat prin spațiu-timp.

Ca o paranteză interesantă, din păcate, expansiunea are unele implicații sumbre pentru viitorul universului. Presupunând că expansiunea continuă la nesfârșit (și nu încetinește), orizontul universului vizibil se va micșora treptat până când obiectele vor fi pur și simplu prea îndepărtate pentru ca lumina unei galaxii să ajungă vreodată la o altă galaxie.

Pe de altă parte, o mare parte din ceea ce vedem acum a fost inițial mult mai aproape. Datorită expansiunii, aceste obiecte au fost antrenate, iar unele galaxii și alte obiecte au fost deplasate în roșu și au dispărut din existență (sau, în orice caz, din raza noastră vizuală). Cele mai îndepărtate galaxii se numără printre cele mai vechi lucruri din univers, formându-se când universul avea doar câteva milioane de ani, și este probabil ca majoritatea dintre ele să nu mai existe sau să se afle astăzi într-o secțiune complet diferită a cosmosului.

Reportaj suplimentar de Jaime Trosper.

În calitate de cititor al Futurism, vă invităm să vă alăturați Comunității Globale Singularity, forumul companiei noastre mamă pentru a discuta despre știința futuristă &tehnologie cu oameni de aceeași părere din întreaga lume. Intrarea este gratuită, înscrieți-vă acum!

.