Kozmológovia sú cestujúcimi v intelektuálnom čase. Pri spätnom pohľade na miliardy rokov sú títo vedci schopní sledovať vývoj nášho vesmíru v úžasných detailoch. Počas nasledujúcich vekov sa náš vesmír rozrástol na takú obrovskú veľkosť, že už nemôžeme vidieť jeho druhú stranu.
Ale ako to môže byť? Ak je rýchlosť svetla označená ako limit kozmického rýchlosti, ako môžu existovať oblasti časopriestoru, ktorých fotóny sú navždy mimo náš dosah? A ak áno, ako vieme, že vôbec existujú?
Rozširujúci sa vesmír
Rovnako ako všetko ostatné vo fyzike, aj náš vesmír sa snaží existovať v najnižšom možnom energetickom stave. Ale okolo 10-36 niekoľko sekúnd po Veľkom tresku sa inflační kozmológovia domnievajú, že sa vesmír namiesto toho nachádzal v „falošnej vákuovej energii“ - dolnom bode, ktorý v skutočnosti nebol nízkym bodom. Pri hľadaní skutočnej hodnoty vákuovej energie sa za minútu zlomok sekundy považuje vesmír za balón 1050.
Odvtedy sa náš vesmír ďalej rozširoval, ale oveľa pomalšie. Vidíme dôkaz tejto expanzie vo svetle vzdialených objektov. Keď sa fotóny emitované hviezdou alebo galaxiou šíria po celom vesmíre, predlžovanie priestoru spôsobuje, že strácajú energiu. Akonáhle sa k nám dostanú fotóny, ich vlnové dĺžky sa redigujú podľa vzdialenosti, ktorú urazili.
Preto kozmológovia hovoria o redshift ako o funkcii vzdialenosti v priestore aj čase. Svetlo z týchto vzdialených predmetov cestuje tak dlho, že keď to konečne uvidíme, vidíme tieto objekty tak, ako boli pred miliardami rokov.
Hubbleov zväzok
Červené svetlo nám umožňuje vidieť objekty, ako sú galaxie, aké existovali v dávnej minulosti; ale my to nevidíme všetko udalosti, ktoré sa vyskytli v našom vesmíre počas jeho histórie. Pretože sa náš vesmír rozširuje, svetlo z niektorých objektov je jednoducho príliš ďaleko na to, aby sme ho videli.
Fyzika tejto hranice sa sčasti spolieha na kus okolitého priestoru, ktorý sa nazýva Hubbleov zväzok. Tu na Zemi definujeme objem Hubbleovho telesa meraním niečoho, čo sa nazýva Hubbleov parameter (H0), hodnota, ktorá vyjadruje zjavnú rýchlosť recesie vzdialených objektov s ich červeným posunom. Prvýkrát to bolo vypočítané v roku 1929, keď Edwin Hubble zistil, že vzdialené galaxie sa zdajú byť od nás vzdialené rýchlosťou, ktorá bola úmerná červenému posunu ich svetla.
Delenie rýchlosti svetla pomocou H.0, dostaneme Hubbleov objem. Táto sférická bublina obklopuje oblasť, v ktorej sa všetky objekty vzdialia od centrálneho pozorovateľa rýchlosťou nižšou ako je rýchlosť svetla. Zodpovedajúco sa všetky objekty mimo objemu Hubbleovho teleskopu pohybujú preč od stredurýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Áno, „rýchlejšie ako rýchlosť svetla“. Ako je to možné?
Kúzlo relativity
Odpoveď sa týka rozdielu medzi špeciálnou relatívnosťou a všeobecnou relativitou. Špeciálna relativita vyžaduje to, čo sa nazýva „inerciálny referenčný rámec“ - jednoduchšie pozadie. Podľa tejto teórie je rýchlosť svetla rovnaká pri porovnaní vo všetkých inerciálnych referenčných rámcoch. Či už pozorovateľ sedí na lavičke v parku na planéte Zem alebo sa priblíži okolo Neptúna vo futuristickej vysokorýchlostnej raketovej lodi, rýchlosť svetla je vždy rovnaká. Fotón vždy odchádza od pozorovateľa rýchlosťou 300 000 000 metrov za sekundu a nikdy ho nebude doháňať.
Všeobecná relativita však opisuje samotnú štruktúru časopriestoru. V tejto teórii neexistuje inerciálny referenčný rámec. Spacetime sa nerozširuje s ohľadom na čokoľvek mimo seba, takže rýchlosť svetla ako limit jeho rýchlosti neplatí. Áno, galaxie mimo našej Hubblovej gule ustupujú od nás rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Samotné galaxie však neporušujú žiadne obmedzenia kozmickej rýchlosti. Pre pozorovateľa v jednej z týchto galaxií nič neporušuje vôbec žiadnu zvláštnu relativitu. Je to priestor medzi nami a tými galaxiami, ktorý sa rýchlo rozširuje a exponenciálne sa tiahne.
Pozorovateľný vesmír
Teraz pre ďalšiu bombu: Hubbleov objem nie je to isté ako pozorovateľný vesmír.
Aby ste tomu porozumeli, uvedomte si, že so starnutím vesmíru má vzdialené svetlo viac času na to, aby sme sa dostali k našim detektorom tu na Zemi. Vidíme objekty, ktoré sa zrýchlili za súčasný objem Hubbleovho poľa, pretože svetlo, ktoré dnes vidíme, bolo vyžarované, keď sa nachádzali v ňom.
Presne povedané, náš pozorovateľný vesmír sa zhoduje s niečím, čo sa nazýva horizont častíc, Horizon častíc označuje vzdialenosť od najvzdialenejšieho svetla, ktoré môžeme v tomto okamihu vidieť - fotóny, ktoré mali dosť času na to, aby buď zostali v našej jemne sa rozvíjajúcej Hubblovej gule, alebo ju dohonili.
A čo je táto vzdialenosť? O niečo viac ako 46 miliárd svetelných rokov v každom smere - čo dáva nášmu pozorovateľnému vesmíru priemer približne 93 miliárd svetelných rokov alebo viac ako 500 miliárd biliónov kilometrov.
(Rýchla poznámka: horizont častíc nie je to isté ako kozmologický horizont udalostí, Horizon častíc zahŕňa všetky udalosti v minulosti, ktoré v súčasnosti môžeme vidieť. Na druhej strane horizont kozmologickej udalosti definuje vzdialenosť, v rámci ktorej bude budúci pozorovateľ schopný vidieť vtedajšie svetlo, ktoré náš malý kútik časoprostoru vyžaruje dnes.
Inými slovami, horizont častíc sa zaoberá vzdialenosťou od minulých objektov, ktorých starodávne svetlo, ktoré dnes vidíme; kozmologický horizont udalostí sa týka vzdialenosti, ktorú naše súčasné svetlo, ktoré bude schopné cestovať ako vzdialené oblasti vesmíru, od nás zrýchli.)
Temná energia
Vďaka rozšíreniu vesmíru existujú oblasti vesmíru, ktoré nikdy neuvidíme, aj keby sme mohli čakať nekonečné množstvo času, kým sa ich svetlo dostane k nám. Ale čo tie oblasti, ktoré sú za hranicami nášho dnešného Hubbleovho objemu? Ak sa táto sféra tiež rozširuje, budeme schopní vidieť tieto hraničné objekty?
Závisí to od toho, ktorý región sa rozširuje rýchlejšie - Hubbleov zväzok alebo časti vesmíru hneď za ním. Odpoveď na túto otázku závisí od dvoch vecí: 1) či H0 rastie alebo klesá a 2) či sa vesmír zrýchľuje alebo spomaľuje. Tieto dve sadzby úzko súvisia, ale nie sú rovnaké.
V skutočnosti sa kozmológovia domnievajú, že skutočne žijeme v čase, keď H0 klesá; ale kvôli temnej energii sa rýchlosť expanzie vesmíru zvyšuje.
Môže to znieť kontraintuitívne, ale pokiaľ H0 klesá pomalšie rýchlosť ako to, pri ktorom rastúca rýchlosť vesmíru rastie, celkový pohyb galaxií smerom od nás sa stále vyskytuje zrýchleným tempom. A v tejto chvíli sa kozmológovia domnievajú, že expanzia vesmíru predbehne miernejší nárast objemu Hubbleovho teleskopu.
Takže aj keď sa náš Hubbleov objem rozširuje, zdá sa, že vplyv temnej energie poskytuje pevný limit pre neustále rastúci pozorovateľný vesmír.
Naše pozemské obmedzenia
Zdá sa, že kozmológovia dobre zvládnu hlboké otázky, ako bude vyzerať náš pozorovateľný vesmír a ako sa zmení expanzia vesmíru. V konečnom dôsledku však vedci dokážu teoretizovať odpovede na otázky o budúcnosti len na základe ich súčasného chápania vesmíru. Kozmologické harmonogramy sú také nepredstaviteľne dlhé, že nie je možné povedať nič konkrétne o tom, ako sa bude vesmír správať v budúcnosti. Dnešné modely sa pozoruhodne hodia k súčasným údajom, ale pravdou je, že nikto z nás nebude žiť dostatočne dlho, aby zistil, či sa predpovede skutočne zhodujú so všetkými výsledkami.
Sklamaním? Samozrejme. Ale úplne stojí za to, aby sme našim malým mozgom pomohli zvážiť takúto vedu o blogovaní v mysliach - realitu, ktorá je, ako obvykle, proste cudzia ako fikcia.
