A kozmológusok szellemi időutazók. Több milliárd évre visszatekintve ezek a tudósok elképesztő részletekkel képesek felvenni a világegyetem fejlődését. A következő eonok alatt kozmoszunk olyan hatalmas méretűvé nőtte ki magát, hogy már nem láthatjuk annak másik oldalát.
De hogy lehet ez? Ha a fénysebesség kozmikus sebességkorlátozást jelöl, akkor lehetnek-e olyan téridő-régiók, amelyek fotonjai örökre elérhetetlenek? És még ha vannak is, honnan tudhatjuk, hogy egyáltalán léteznek?
A táguló univerzum
Mint minden más, a fizikában, világegyetemünk igyekszik a lehető legalacsonyabb energiát elérni. De 10 körül-36 másodperccel a nagy robbanás után az inflációs kozmológusok úgy vélik, hogy a kozmosz inkább egy „hamis vákuum energián” nyugszik - egy olyan alacsony ponton, amely valójában nem volt alacsony pont. A vákuum-energia valódi mélypontját keresve, egy pillanatnyi töredék alatt, úgy gondolják, hogy az Univerzum 10-es tényezővel léggömbölyödött50.
Azóta az univerzumunk tovább bővült, de sokkal lassabban. A távoli tárgyak fényében láthatjuk ennek a terjeszkedésnek a bizonyítékait. Amint egy csillag vagy galaxis által kibocsátott fotonok az egész világegyetemben elterjednek, a tér kitágulása energiát veszít. Miután a fotonok elérték minket, hullámhosszukat vöröseltolódták az általuk megtett távolság függvényében.
Ez az oka annak, hogy a kozmológusok a vöröseltolódásról mint a távolság függvényéről beszélnek mind a térben, mind az időben. A távoli tárgyakból származó fény már régóta utazik, hogy amikor végre meglátjuk, látjuk azokat a tárgyakat, amelyek milliárd évvel ezelőtt voltak.
A Hubble kötet
Az vörösre váltott fény lehetővé teszi, hogy olyan tárgyakat látjunk, mint a galaxisok, ahogy azok a távoli múltban léteztek; de nem látjuk minden események, amelyek története során az univerzumban történtek. Mivel kozmoszunk bővül, egyes tárgyakból származó fény egyszerűen túl messze van ahhoz, hogy valaha is láthassuk.
Ennek a határnak a fizikája részben a környező téridő egy darabjára, Habble kötetnek nevezik. Itt a Földön a Hubble-hangerőt úgy definiáljuk, hogy megmérjük a Hubble-paraméternek (H0), egy olyan érték, amely a távoli tárgyak látszólagos recessziós sebességét és vöröseltolódását összekapcsolja. Először 1929-ben számították, amikor Edwin Hubble rájött, hogy a távoli galaxisok úgy tűnik, hogy távolodnak tőlünk olyan sebességgel, amely arányos a fény vöröseltolódásával.
A fénysebesség elosztása H-val0, megkapjuk a Hubble kötetét. Ez a gömb alakú buborék egy olyan régiót zár le, ahol minden tárgy a fénysebességnél kisebb sebességgel távolodik el a központi megfigyelőtől. Ennek megfelelően a Hubble kötetén kívüli összes objektum elmozdul a központtólgyorsabb mint a fény sebessége.
Igen, "gyorsabb, mint a fénysebesség." Hogyan lehetséges ez?
A relativitás varázsa
A válasz a speciális relativitáselmélet és az általános relativitáselmélet közötti különbséggel függ össze. A speciális relativitáselmélet megköveteli az úgynevezett „inerciális referenciakeretet” - egyszerűbben a hátteret. Ezen elmélet szerint a fénysebesség minden inerciális referenciakeretben azonos. Függetlenül attól, hogy egy megfigyelő még mindig a Föld bolygón egy padon ül, vagy futurisztikus nagysebességű rakétahajón közelít a Neptunuszhoz, a fénysebesség mindig azonos. A foton mindig 300 000 000 méter / másodpercenként elhalad a megfigyelőtől, és soha nem fog felzárkózni.
Az általános relativitáselmélet azonban maga a téridő szövetét írja le. Ebben az elméletben nincs inerciális referenciakeret. Az űrtartalom nem terjed ki semmiféle önmagán kívüli vonatkozásában, tehát a fénysebesség, mint sebesség korlátozása, nem vonatkozik. Igen, a Hubble-gömbön kívüli galaxisok gyorsabban távolulnak el tőlünk, mint a fény sebessége. De a galaxisok maguk sem törnek el kozmikus sebességkorlátozásokat. Az egyik galaxis egyik megfigyelője számára semmi sem sérti a speciális relativitáselméletet. A köztünk és a galaxisok között lévő tér gyorsan elterjed és exponenciálisan nyújtódik.
A megfigyelhető univerzum
Most a következő bombázáshoz: A Hubble kötete nem ugyanaz, mint a megfigyelhető világegyetem.
Ennek megértéséhez vegye figyelembe, hogy az univerzum öregedésével a távoli fénynek több ideje van arra, hogy detektorjainkat elérje itt a Földön. Láthatjuk azokat a tárgyakat, amelyek felgyorsultak a jelenlegi Hubble-hangerőn, mert a mai fényt akkor bocsátottuk ki, amikor benne voltak.
Szigorúan véve, a megfigyelhető világegyetem egybeesik egy úgynevezett részecske horizonton. A részecskehorizont jelzi a távolságot a legtávolabbi fénytől, amelyet esetleg láthatunk ebben a pillanatban - olyan fotonok, amelyeknek volt elég idejük ahhoz, hogy vagy enyhén táguló Hubble-gömbünkön belül maradjanak, vagy ahhoz fel tudják lépni.
És mi ez a távolság? Kicsit több, mint 46 milliárd fényév minden irányban - megfigyelhető világegyetemünk átmérője körülbelül 93 milliárd fényév, vagyis több mint 500 milliárd billió mérföld.
(Gyors megjegyzés: a részecskehorizont nem ugyanaz, mint a kozmológiai eseményhorizont. A részecskehorizont felöleli az összes múltbeli eseményt, amelyeket jelenleg láthatunk. A kozmológiai eseményhorizont viszont azt a távolságot határozza meg, amelyen belül a jövőbeli megfigyelő látni tudja az akkori ősi fényt, amelyet ma az űrtartomány kis sarka sugároz.
Más szavakkal: a részecskehorizont a múltbeli tárgyak távolságával foglalkozik, amelyek ősi fényét ma láthatjuk; a kozmológiai eseményhorizont azzal a távolsággal foglalkozik, amelyet manapság megvilágító fényünk képes elmozdulni, amikor az Univerzum távoli régiói felgyorsulnak tőlünk.)
Sötét energia
Az univerzum kibővítésének köszönhetően vannak olyan kozmosz régiók, amelyeket soha nem fogunk látni, még ha végtelen időt is várhatnánk, hogy fényük eljusson hozzánk. De mi lenne azokkal a területekkel, amelyek túlmutatnak a mai Hubble-kötet határain? Ha ez a gömb is bővül, láthatjuk-e valaha ezeket a határ objektumokat?
Ez attól függ, hogy melyik régió növekszik gyorsabban - a Hubble-térfogat vagy az Univerzum azon részei, amelyek azon kívül vannak. És a kérdésre adott válasz két dologtól függ: 1) hogy H0 növekszik vagy csökken, és 2) az univerzum gyorsul-e vagy lassul-e. Ez a két arány szorosan összefügg, de nem azonosak.
Valójában a kozmológusok úgy vélik, hogy valójában abban az időben élünk, amikor H0 csökken; de a sötét energia miatt az univerzum tágulási sebessége növekszik.
Ez ellentétesen hangzik, de amíg H0 lassabban csökken mérték mint az, amelynél az Univerzum tágulási sebessége növekszik, a galaxisok általános mozgása tőlünk még mindig gyorsult ütemben zajlik. És ebben a pillanatban a kozmológusok úgy vélik, hogy az Univerzum terjeszkedése meghaladja a Hubble-kötet szerényebb növekedését.
Tehát annak ellenére, hogy Hubble-térfogatunk bővül, úgy tűnik, hogy a sötét energia hatása kemény korlátot jelent az egyre növekvő megfigyelhető világegyetem számára.
Földi korlátai
Úgy tűnik, hogy a kozmológusok jól kezelik a mély kérdéseket, például azt, hogy miként fog kinézni a megfigyelhető univerzumunk egy nap, és hogyan fog változni a kozmosz terjeszkedése. De végül a tudósok csak a jövőre vonatkozó kérdésekre adott válaszokat teoretikálhatják az univerzum jelenlegi megértése alapján. A kozmológiai ütemtervek annyira elképzelhetetlenül hosszúak, hogy lehetetlen mondani sok konkrét dolgot arról, hogy az Univerzum hogyan viselkedik a jövőben. A mai modellek rendkívül jól illeszkednek a jelenlegi adatokhoz, de az az igazság, hogy egyikünk sem él elég hosszú ideig ahhoz, hogy megnézze, vajon a jóslatok valóban megfelelnek-e az összes eredménynek.
Kiábrándító? Biztos. De teljesen megéri az erőfeszítést, hogy segítse a bűnös agyainkat, hogy fontolgassák az ilyen gondolatblogáló tudományt - egy olyan valóság, amely, mint általában, egyszerűen idegen, mint a kitalálás.
