Universums storlek
Ljusets hastighet är en av de viktigaste och mest grundläggande egenskaperna i vårt universum. Den används för att mäta avstånd, för interplanetär kommunikation och i olika matematiska beräkningar. Och det är bara början.
Hastigheten med vilken ljuset färdas genom ett vakuum – 299 792 kilometer (186 282 miles) per sekund – är statisk och oföränderlig. Om man tar bort denna konstant faller själva grunden för den moderna fysiken sönder av flera skäl, och den allmänna regeln kan sammanfattas med följande: Inget i universum kan färdas snabbare än ljusets hastighet.
Som ni kan föreställa er uppstår viss förvirring när man beaktar det faktum att universum inte är 13,8 miljarder ljusår stort – en siffra som motsvarar universums ålder. Enligt nuvarande uppskattningar är det faktiskt ganska mycket större med en uppskattad diameter på cirka 93 miljarder ljusår. Och det är bara vad vi kan se. Det vi inte kan se kan fortsätta i all evighet.
Så, hur kan universum vara 93 miljarder ljusår brett om det bara är 13,8 miljarder år gammalt och ingenting kan färdas snabbare än ljuset?
Advertisement
Advertisement
Förståelse av rödförskjutning
För att du ska kunna förstå varför universums storlek är så mycket större än dess ålder, är det viktigt att förstå hur ljus fungerar.
Sir Isaac Newton var utan tvekan en av de största hjärnor som någonsin levt. Förutom att han ”uppfann” kalkylen var han den förste vetenskapsman som verkligen förstod ljusets väsen och vad som händer när man bryter ner det i dess beståndsdelar.
För det första visade hans forskning att svart är frånvaron av färg, medan vitt ljus – som det som kommer från solen och andra stjärnor – är en kombination av alla färger. Genom att titta på ett objekts ljus genom ett prisma kan man se motsvarande beståndsdelar som ljuset representerar, vilket sedan kan användas för att hjälpa till att bestämma objektets sammansättning, temperatur och till och med var det befinner sig i den evolutionära processen.
På mer än ett sätt revolutionerade Newtons arbete fysiken och banade väg för alla de stora, däribland Niels Bohr, Max Planck och naturligtvis Albert Einstein. För den här diskussionen är dock den mest relevanta vetenskapsmannen som byggde vidare på Newtons arbete Christian Doppler.
Advertisement
Advertisement
Doppler blev känd hundratals år efter Newtons död, och om du inte är bekant med hans arbete upptäckte han något som nu kallas Dopplereffekten. Denna process förklarar varför en del ljus från kosmiska källor tenderar att hamna nära den röda änden av det elektromagnetiska spektrumet medan en del ljus ligger närmare den blå änden.
Enklare uttryckt noterar Dopplereffekten hur ljusets våglängd förskjuts beroende på i vilken riktning källan rör sig, till exempel om något kommer mot oss eller rör sig bort. Specifikt kommer ljusvågorna att sträcka sig om källan rör sig bort från observatören, vilket gör att de framstår som röda (den längre våglängden). Omvänt kommer ljusvågorna att komprimeras om objektet är på väg mot observatören och därmed visas blått (den kortare våglängden).
Under vägen presenterade sig en förändring. I slutändan verkade nästan alla galaxer skifta mot en längre våglängd, vilket innebar att de såg röda ut, som om de rörde sig bort från oss. Ännu mer häpnadsväckande var att inte bara att det mesta rörde sig bort från oss, utan att denna rödförskjutning ökade, vilket betyder att objekten rörde sig bort från oss snabbare och snabbare.
Detta ledde till upptäckten att universum inte är stationärt, som vissa trodde att det var – det expanderar faktiskt!
Advertisering
Advertisering
Universets expansion
Här är det nu som det blir knivigt. Våra observationer av rödförskjutning avslöjade att objekt som ligger tre gånger längre bort rör sig tre gånger snabbare i förhållande till närliggande galaxer. Ju längre vi tittar in i rymden, desto snabbare rör sig galaxerna – i själva verket rör de sig så snabbt på dessa enorma avstånd att de lätt överträffar ljusets hastighet. Som tidigare nämnts är dock ljusets hastighet den universella hastighetsgränsen. Så hur kan detta vara?
För det första bör man notera att även om det finns en gräns för vad vi kan se så sträcker sig det faktiska universum mycket längre än vad vi kan förstå. Allt inom denna gräns kallas ”det observerbara universum”, och det omfattar:
- 10 miljoner superkluster
- 25 miljarder galaxgrupper
- 350 miljarder stora galaxer
- 7 triljoner dvärggalaxer
- 30 miljarder triljoner (3×10²²) stjärnor
Om allt detta var instoppat i 13.7 miljarder ljusår av rymdtid skulle universum verka ganska packat.
Det första problemet med antagandet att universums storlek borde vara lika med dess ålder i år baserat på det avstånd som ljuset färdas kommer när vi tittar på de första ögonblicken som följde på Big Bang.
Advertisement
Advertisement
När universum först ”poppade” upp till existens för ungefär 13,75 miljarder år sedan började själva rymdtiden expandera med hastigheter som var snabbare än ljusets hastighet. Denna period, som kallas inflation, är viktig för att förklara mycket mer än universums storlek. Den täcker också saker som rymdens homogena natur i stor skala och de förhållanden som rådde under den första epoken.
I grund och botten övergick universum från ett oändligt tätt och varmt tillstånd till ett enormt område som vimlade av protoner och neutroner – partiklar som så småningom samlades och smidde byggstenarna i all materia – på ett ögonblick. Efter att den initiala inflationen avklingade avtog expansionen. Nu dras objekten isär av en mystisk kraft som kallas mörk energi.
Snabbare än ljuset
På ett sätt som ännu inte har fastställts verkar expansionen ske snabbare än ljusets hastighet, men det betyder inte vad du förmodligen tror att det gör.
Jag är rädd för att förvirringen beror på en grundläggande feltolkning av själva relativitetsprincipen. Teorin säger nämligen att objekt inte kan färdas snabbare än ljusets hastighet genom rymdtiden. Den sätter dock inga gränser för själva rumtiden.
Advertisement
Advertisement
Så, för att sammanfatta, rymdens storlek står inte i konflikt med grundläggande fysik.
I huvudsak bryter inte galaxerna själva (och alla andra objekt i rymden) mot några lagar, eftersom de inte färdas genom rymden snabbare än ljuset (åtminstone inte i traditionell mening). Snarare expanderar och sträcker sig varje del av rymden. Det är inte ens så att kanterna flyger utåt, utan att själva rymdtiden – området mellan galaxer, stjärnor, planeter, du och jag – sträcker sig.
Kort sagt, rymdtiden expanderar och trycker isär materia. Materian färdas egentligen inte genom rumtiden.
Som ett intressant sidospår har expansionen tyvärr några dystra konsekvenser för universums framtid. Om man antar att expansionen fortsätter på obestämd tid (och inte avtar) kommer horisonten för det synliga universum att gradvis krympa tills objekten helt enkelt kommer att vara för långt ifrån varandra för att ljuset från en galax någonsin ska kunna nå en annan.
Advertisement
Advertisement
Förresten, mycket av det vi ser nu var ursprungligen mycket närmare. Tack vare expansionen har dessa objekt förts bort, och vissa galaxer och andra objekt har rödförskjutits bort från existensen (eller från vår syn, i alla fall). De mest avlägsna galaxerna är bland de äldsta sakerna i universum, eftersom de bildades när universum bara var miljontals år gammalt, och det är troligt att en majoritet av dem inte längre existerar eller befinner sig i en helt annan del av kosmos i dag.
Tilläggsrapportering av Jaime Trosper.
Som läsare av Futurism bjuder vi in dig till Singularity Global Community, vårt moderbolags forum för att diskutera futuristisk vetenskap & teknik med likasinnade från hela världen. Det är gratis att gå med, registrera dig nu!