Калі Сусвет пашыраецца, мы можам зразумець, чаму далёкія галактыкі адыходзяць ад нас, як і яны. Але чаму ж не пашыраюцца зоркі, планеты і нават атамы? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Таму мы не пашыраем, нават калі Сусвет ёсць

Сусвет пашыраецца, але мы, наша планета, Сонечная сістэма і галактыка - гэта не ўсе. Вось чаму.

Зірніце амаль на любую галактыку Сусвету, і вы выявіце, што яна аддаляецца ад нас. Чым далей ён, тым хутчэй ён адступае. Калі святло падарожнічае па Сусвету, яно змяняецца на больш доўгія і чырвоныя даўжыні хваль, як быццам сама тканіна космасу расцягваецца. На вялікіх адлегласцях гэтай пашыральнай Сусвету так хутка адштурхоўваюцца галактыкі, што ніякія сігналы, якія мы можам адправіць, ніколі не дасягаюць іх, нават са хуткасцю святла.

Але нават калі тканіна космасу пашыраецца па ўсёй Сусвеце - усюды і ва ўсіх напрамках - мы не ёсць. Нашы атамы застаюцца ранейшага памеру. Гэтак жа робяць планеты, луны і зоркі, а таксама адлегласці, якія падзяляюць іх. Нават галактыкі нашай мясцовай групы не пашыраюцца адзін ад аднаго; яны замест гэтага імкнуцца. Вось ключ да разумення таго, што пашыраецца ў нашым Сусвеце.

Арыгінальная канцэпцыя космасу, дзякуючы Ньютану, як нерухомая, абсалютная і нязменная. Гэта быў этап, калі масы маглі існаваць і прыцягваць. (ЯНТАРНЫ СТУВЕР, З яе БЛОГ, ЖЫВЫ ЛІГО)

Першае, што мы павінны зразумець, - гэта наша тэорыя гравітацыі і чым яна адрозніваецца ад таго, як вы маглі б думаць пра гэта інтуітыўна. Большасць з нас думае пра космас так, як гэта зрабіў Ньютан: як нерухомы, нязменны набор каардынатаў, на які вы маглі размясціць свае масы. Калі Ньютан упершыню задумаў Сусвет, ён прадставіў прастору як сетку. Гэта была абсалютная нерухомая сутнасць, напоўненая масамі, якія гравітацыйна прыцягвалі адзін аднаго.

Але калі Эйнштэйн падышоў, ён зразумеў, што гэтая ўяўная сетка не была зафіксавана, не была абсалютнай і зусім не была так, як уяўляў сабе Ньютан. Замест гэтага гэтая сетка была падобная на тканіну, а сама тканіна была выгнутая, скажоная і прымушала развівацца з цягам часу наяўнасцю матэрыі і энергіі. Акрамя таго, матэрыя і энергія ў ёй вызначалі, як гэтая тканіна ў прасторы часу была выгнутая.

Вычварэнне касмічнага часу, на агульнай рэлятывісцкай карціне, гравітацыйнымі масамі. Замест пастаяннай, нязменнай сеткі, агульная адноснасць дапускае прастору часу, якая можа змяняцца з цягам часу і ўласцівасці якой будуць назірацца рознымі рухамі і ў розных месцах для назіральнікаў. (LIGO / T. PYLE)

Але калі б усё, што вы мелі ў вашым касмічным часе, было вялікай масай, яны непазбежна разваліліся і ўтварылі б чорную дзірку, якая загравала ўсю Сусвет. Эйнштэйнам не спадабалася гэтая ідэя, таму ён дадаў "выпраўленне" ў выглядзе касмалагічнай канстанты. Калі б існаваў дадатковы тэрмін - які ўяўляе сабой дадатковую форму энергіі, якая пранізвае пустую прастору, - яна магла б адбіць усе гэтыя масы і ўтрымліваць статыку Сусвету. Гэта прадухіліла б гравітацыйны калапс. Дадаўшы гэтую дадатковую функцыю, Эйнштэйн мог прымусіць Сусвет існаваць у практычна пастаянным стане на працягу вечнасці.

Але не ўсе былі настолькі ўвязаны з ідэяй, што Сусвет павінен быць статычным. Адным з першых рашэнняў быў фізік па імені Аляксандр Фрыдман. Ён паказаў, што калі вы не дадалі гэтую дадатковую касмалагічную канстанту, і ў вас была Сусвет, якая была напоўнена чым-небудзь энергічным - матэрыяй, выпраменьваннем, пылам, вадкасцю і г.д. - існуе два класы рашэнняў: адзін для Сусвету, які кантрактуе, і адзін для пашырэння Сусвету.

Мадэль «разынкавы хлеб» у свеце, якая пашыраецца, дзе адносныя адлегласці павялічваюцца па меры пашырэння прасторы (цеста). Чым далей любыя дзве разынкі будуць адзін ад аднаго, тым большае назіранне чырвонага зруху будзе да таго часу, як атрымаецца гэтае святло. (НАСА / НАЗА НАВУКОВАЯ КОМАНДА)

Матэматыка распавядае пра магчымыя рашэнні, але вам трэба звярнуцца да фізічнай Сусвету, каб знайсці, які з іх апісвае нас. Гэта адбылося ў 1920-я гады дзякуючы працы Эдвіна Хабла. Хабл першым выявіў, што асобныя зоркі можна вымераць у іншых галактыках, вызначаючы іх адлегласць.

Практычна супадаючы з гэтым была праца Веста Сліпэр. Атомы працуюць аднолькава паўсюдна ў Сусвеце: яны паглынаюць і выпраменьваюць святло з пэўнымі, пэўнымі частотамі, якія залежаць ад узбуджэння ці зніжэння ўзбуджэння іх электронаў. Калі ён праглядаў гэтыя далёкія аб'екты - якія, як мы ведаем, іншыя галактыкі, - іх атамныя подпісы былі перанесены на вялікія даўжыні хваль, чым можна было растлумачыць.

Калі гэтыя два назіранні навукоўцы аб'ядналі, вынік неверагодны вынік.

Графік відавочнай хуткасці пашырэння (вось у) супраць адлегласці (вось х) адпавядае Сусвету, які пашыраўся хутчэй у мінулым, але працягвае пашырацца і сёння. Гэта сучасная версія, якая распаўсюджваецца ў тысячы разоў далей, чым арыгінальная праца Хабла. Розныя крывыя ўяўляюць сабой Сусветы, складзеныя з розных складовых кампанентаў (NED WORIGHT, заснаваны на апошніх дадзеных з BETOULE ET AL. (2014))

Было толькі два спосабы асэнсаваць гэта. Альбо:

  1. адноснасць была няправільная, мы знаходзіліся ў цэнтры Сусвету, і ўсё сіметрычна адыходзіла ад нас, альбо
  2. адноснасць была правільнай, Фрыдман меў рацыю, і чым далей ад нас галактыка была, у сярэднім, тым хутчэй яна адыходзіла з нашага пункту гледжання.

Адным махам, Сусвет, якая пашыраецца, перайшла ад ідэі да вядучай ідэі, якая апісвае нашу Сусвет. Тое, як працуе пашырэнне, крыху супярэчыць. Гэта як быццам сама тканіна прасторы цягнецца з часам, і ўсе прадметы ў гэтай прасторы перацягваюцца адзін ад аднаго.

Чым далей аб'ект знаходзіцца ад іншага, тым больш "расцягваецца", і тым хутчэй яны здаюцца адзін ад аднаго. Калі б усё, што вы мелі, была Сусвет, напоўненая раўнамерна і раўнамерна матэрыяй, гэтая матэрыя проста б станавілася менш шчыльнай і, як бы час ішоў, усё пашыралася ад усяго астатняга.

Колебанні халоднага колеру (на сінім колеры) у КМБ па сваёй сутнасці не больш халодныя, а хутчэй прадстаўляюць рэгіёны, дзе ўзнікае большае гравітацыйнае цячэнне з-за большай шчыльнасці рэчывы, у той час як гарачыя кропкі (чырвонага колеру) толькі гарачыя, паколькі выпраменьванне ў гэты рэгіён жыве ў дробнай гравітацыйнай свідравіне. З цягам часу рэгіёны перанапружання будуць значна больш расці ў зоркі, галактыкі і кластары, у той час як рэгіёны з нізкай шчыльнасцю будуць рабіць гэта менш. (Э. ХАФФ, КОМАНДА SDSS-III І ТЭЛЕСКОПОВЫЯ КОМАНДА ПАЎДНЫХ ПОЛІЎ

Але Сусвет не ідэальна роўны і аднастайны. Ён мае перанапружаныя рэгіёны, такія як планеты, зоркі, галактыкі і навалы галактык. Ён мае недастатковыя рэгіёны, як вялікія касмічныя пустэчы, дзе практычна няма масіўных аб'ектаў.

Прычынай гэтага з'яўляецца тое, што ёсць і іншыя фізічныя з'явы, акрамя пашырэння Сусвету. На дробных маштабах, як у шалях жывых істот і ніжэй, пераважаюць электрамагнітныя і ядзерныя сілы. На вялікіх маштабах, як у планет, сонечнай сістэмы і галактык, дамінуюць гравітацыйныя сілы. Вялікая канкурэнцыя адбываецца на самых вялікіх маштабах усіх - у маштабе ўсёй Сусвету - паміж пашырэннем Сусвету і гравітацыйным прыцягненнем усёй матэрыі і энергіі, прысутных у ёй.

На найбуйнейшых маштабах Сусвет пашыраецца і галактыкі адступаюць адна ад адной. Але на меншых маштабах гравітацыя пераадольвае пашырэнне, што прыводзіць да адукацыі зорак, галактык і навалы галактык. (NASA, ESA і A. FEILD (STSCI))

Па найбуйнейшых маштабах усіх, пашырэнне перамагае. Самыя далёкія галактыкі пашыраюцца так хутка, што ніякія сігналы, якія мы пасылаем, нават са хуткасцю святла, ніколі не дасягне іх.

Суперкластэры Сусвету - гэтыя доўгія ніткападобныя структуры, населеныя галактыкамі і цягнуцца на працягу мільярда светлавых гадоў - расцягваюцца і расцягваюцца ў выніку пашырэння Сусвету. У адносна кароткі тэрмін на працягу наступных некалькіх мільярдаў гадоў яны спыняць сваё існаванне. Нават бліжэйшы вялікі кластар галактык Млечнага Шляху, панна Дзева, на адлегласці ўсяго 50 мільёнаў светлавых гадоў, ніколі не пацягне нас у яго. Нягледзячы на ​​гравітацыйную цягу, якая больш чым у тысячу разоў мацнейшая за наша ўласнае, пашырэнне Сусвету разбурыць усё гэта.

Вялікая калекцыя шматтысячных галактык складае суседняе суседства на працягу 100 000 000 светлавых гадоў. Сам кластар Дзевы застанецца звязаны разам, але Млечны Шлях будзе працягваць пашырацца ад яго з цягам часу. (WIKIMEDIA COMMONS USER ANDREW Z. COLVIN)

Але ёсць і меншыя шалі, дзе пашырэнне было пераадолена, прынамсі лакальна. Значна прасцей перамагчы пашырэнне Сусвету на меншых маштабах адлегласці, бо гравітацыйная сіла мае больш часу, каб вырасціць празмерныя вобласці на меншых маштабах, чым на вялікіх.

Непадалёк сам кластар Дзевы застанецца гравітацыйна звязаным. Млечны Шлях і ўсе галактыкі мясцовай групы застануцца звязанымі разам, з часам зліваючыся пад уласнай гравітацыяй. Зямля будзе круціцца вакол Сонца на той жа арбітальнай адлегласці, сама Зямля застанецца ранейшага памеру, і атамы, якія ўваходзяць у яе склад, не будуць пашырацца.

Чаму? Паколькі пашырэнне Сусвету дзейнічае толькі тады, калі іншая сіла - гравітацыйная, электрамагнітная ці ядзерная - яшчэ не пераадолела яе. Калі нейкая сіла можа паспяхова ўтрымліваць аб'ект разам, нават Сусвет, якая пашыраецца, не паўплывае на змены.

Сістэма TRAPPIST-1 у параўнанні з планетамі Сонечнай сістэмы і спадарожнікамі Юпітэра. Арбіты ўсяго, што паказана тут, нязменныя з пашырэннем Сусвету, з-за сілы цяжару, якая пераадольвае любыя наступствы гэтага пашырэння. (НАСА / JPL-CALTECH)

Прычына гэтага тонкая і звязана з тым, што само пашырэнне не з'яўляецца сілай, а хутчэй хуткасцю. Космас сапраўды ўсё яшчэ пашыраецца на ўсіх маштабах, але пашырэнне ўплывае толькі на рэчы. Існуе пэўная хуткасць, калі прастора будзе пашырацца паміж любымі двума кропкамі, але вы павінны параўнаць гэтую хуткасць са хуткасцю ўцёкаў паміж гэтымі двума аб'ектамі, якая з'яўляецца мерай таго, наколькі шчыльна ці свабодна яны звязаны паміж сабой.

Калі сіла звязвае гэтыя аб'екты разам, якая перавышае хуткасць фонавага пашырэння, дыстанцыя паміж імі не павялічыцца. Калі няма павелічэння адлегласці, няма эфектыўнага пашырэння. У кожны момант гэта больш чым процідзеянне, і таму ён ніколі не атрымлівае эфекту дабаўкі, які з'яўляецца паміж незвязанымі аб'ектамі. У выніку стабільныя, звязаныя аб'екты могуць выжыць у нязменным выглядзе на працягу вечнасці ва ўсёй Сусвеце, якая пашыраецца.

Няхай гэта будзе звязана з гравітацыяй, электрамагнетызмам ці якой-небудзь іншай сілай, памеры ўстойлівых аб’яднаных аб'ектаў не зменіцца, нават калі Сусвет пашыраецца. Калі вы зможаце перамагчы касмічную экспансію, вы застанецеся звязанымі назаўсёды. (НАСА, ЗЯМЛІ І МАРЫ, каб разбурыць)

Пакуль Сусвет мае ўласцівасці, якімі мы яе вымяраем, гэта застанецца так назаўсёды. Цёмная энергія можа існаваць і прымусіць далёкія галактыкі паскорацца ад нас, але эфект ад пашырэння праз пэўную адлегласць ніколі не павялічыцца. Толькі ў выпадку касмічнага "Вялікага разрыву", на які паказваюць доказы, а не насустрач, - гэта заключэнне зменіцца.

Сама тканіна прасторы ўсё яшчэ можа пашырацца ўсюды, але яна не аказвае вымяральнага ўплыву на кожны аб'ект. Калі нейкая сіла злучыць вас дастаткова моцна, разбуральная Сусвет не будзе ўплываць на вас. Пашырэнне адбываецца наогул толькі на самай буйной з усіх маштабаў, дзе ўсе сілы сувязі паміж аб'ектамі занадта слабыя, каб перамагчы хуткае стаўленне Хабла. Як казаў фізік Рычард Прайс, "ваша талія можа распаўсюджвацца, але вы не можаце вінаваціць яе ў пашырэнні Сусвету".

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".