Чи розширюється Всесвіт швидше за швидкість світла

Чи розширюється Всесвіт швидше за швидкість світла

Нерідко можна почути заяви астрофізиків і космологів про те, що вкрай далекі регіони Всесвіту віддаляються від нас швидше за швидкість світла. Але що саме це означає? Чи мають вони на увазі те, що у Всесвіті є об’єкти, здатні перевищити одну з найбільш фундаментальних величин.

Фундаментальний закон Спеціальної теорії відносності свого часу привів Ейнштейна до усвідомлення найбільш проривної ідеї у фізиці – про те, що ніщо не може рухатися швидше за світло. Безмасові частки в вакуумі рухаються зі швидкістю світла, тоді як все інше – частинка з масою де-небудь або безмасові частка в середовищі – будуть завжди рухатися повільніше швидкості світла. Але коли розмова заходить про розширення Всесвіту, часто виникають думки про те, що це відбувається швидше за швидкість світла. Спробуємо розібратися, чи так це.

Всесвіт, який ми бачимо сьогодні, існує вже приблизно 13,8 мільярда років – з часів гарячого Великого вибуху. Але якщо ви запитаєте, як далеко ми можемо дивитися в будь-який бік, то відповідь буде не 13,8 мільярда світлових років, а набагато більше. Якщо задуматися, то можна уявити відстань вдвічі більшу: якщо об’єкт, що випромінює світло, знаходився від «нас» на відстані 13,8 мільярда світлових років 13,8 мільярда років тому, то він, швидше за все, випромінював світло, віддаляючись від нас – можливо, навіть зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Якщо яскравий об’єкт існував так давно і постійно рухався від нас зі швидкістю 299 792 кілометри в секунду, його світло досягло би нас тільки зараз, хоча сам об’єкт вже був би на відстані 27,6 мільярда років від нас. Все це звучить розумно, але може привести нас до не дуже хорошого припущення про те, що сам простір статичний.

Простір, в якому ми живемо, не статичний – він розширюється. Більш того, ми можемо виміряти сьогоднішню швидкість розширення, якою вона була в далекому минулому і якою вона була в усі «проміжні» епохи. Виявляється, світло об’єкта, який перебуває від нас всього в 168 метрах в момент Великого вибуху ( 10 -33 секунд після Великого вибуху), досяг би нас тільки сьогодні, через 13,8 мільярда років, після неймовірного подорожі і нереального ступеня розтягування, а сам об’єкт знаходився б зараз на відстані 46,1 мільярда років від нас.


Еволюція Всесвіту від моменту Великого вибуху, згідно зі стандартною космологічно моделлю / © NASA / GSFC

«Ага! – викликніть ви. – Значить, простір розширилося швидше за швидкість світла! »

Чи так це? Просто для того, щоб щось рухатися швидше за світло, йому повинна бути властива швидкість: щось, що можна виміряти, наприклад кілометри в секунду. Але Всесвіт розширюється зовсім не так.

Навпаки, він розширюється зі швидкістю на одиницю відстані. Зазвичай це вимірюється як кілометри в секунду на мегапарсек, де мегапарсек – близько 3,26 мільйона світлових років. Якщо швидкість розширення становить 70 км / с / Мпк, це означає, що в середньому об’єкт, розташований в 10 Мпк від нас, віддаляється зі швидкістю 700 км / с з нашої точки зору, в 200 Мпк – 14 000 км / с, а в випадку з об’єктом в 5 000 Мпк нам буде здаватися, що він віддаляється зі швидкістю 350 тисяч км / с.

Однак чи випливає з цього, що якісь об’єкти рухаються швидше світла? Давайте повернемося до Спеціальної теорії ймовірності Ейнштейна і подумаємо, що ми маємо на увазі, коли говоримо, що ніщо не може рухатися швидше за світло. Це означає, що якщо у вас є два об’єкти в одній просторово-часовій події – займають один і той ж простір в один і той же час, – то вони не можуть рухатися відносно один одного швидше за швидкість світла. Навіть якщо один з них рухається на північ на 99% швидкості світла, а інший рухається з такою ж швидкістю на південь, їх швидкість не буде складати 198% швидкості світла відносно один одного, а буде дорівнювати 99,995% швидкості світла. Не важливо, як швидко кожен з них рухається, – вони ніколи не перевищать швидкість світла відносно один одного.


Видимий Всесвіт може досягати 46 мільярдів світлових років у всіх напрямках з нашої точки зору, але за її межами безумовно є області, які ми не можемо спостерігати. 
46 мільярдів світлових років – це всього лише межа, доступний для нашого спостереження / © Frédéric MICHEL / Andrew Z. Colvin

Саме тому це і називається відносністю: вона вимірює відносний рух між двома об’єктами в одній точці в просторі і часі. Але цей тип відносності – Спеціальна теорія відносності – встановлює правила у вашій області не розширюваного простору. Загальна теорія відносності додає до цього ще один рівень: факт розширення самого простору. Вимірявши кількість звичайної речовини, темної речовини, темної енергії, нейтрино, випромінювання та інших речей в сьогоднішньому Всесвіті, а також те, як світло, що досягає нас з різних відстаней у Всесвіті, зміщується в червоний спектр в результаті розширення, ми можемо відтворити, наскільки великий був Всесвіт в будь-який момент минулого.

Коли Всесвіту було близько 10 тисяч років, її частина яку можна спостерігати вже була розміром в 10 мільйонів світлових років. Коли їй було всього рік, Всесвіт був розміром 100 тисяч світлових років. Коли йому було всього одна секунда, він вже був розміром 10 світлових років. Так, все це і правда звучить так, ніби він розширюється швидше за світло. Але ні в один момент часу жодна частинка не рухалася швидше світла по відношенню до іншої частки, з якою взаємодіяла.


Чим далі галактика, тим швидше вона від нас віддаляється і тим сильніше її світло зміщується в червоний спектр, змушуючи нас дивитися на все більш довгі хвилі. 
За межами певної відстані, галактики стають недосяжними навіть на швидкості світла / © Larry McNish / RASC Calgary Center

Навпаки, розширювався сам простір між частинками, в процесі чого відстань між ними збільшувалася, а довжина хвилі випромінювання в цьому просторі розтягувалася. Це тривало багато мільярдів років протягом космічної історії і триває досі. Незважаючи на те що ми ніколи не зможемо досягти ніяких об’єктів, що знаходяться далі 15,6 мільярда років на даний момент, навіть якщо будемо рухатися зі швидкістю світла (що за визначенням неможливо), це не через те, що вони віддаляються швидше за світло, а тому, що простір між різними точками продовжує розширюватися.

Головний висновок полягає в тому, що простір не розширюється з якоюсь конкретною швидкістю, а радше з певним ступенем: зі швидкістю на одиницю відстані. У підсумку чим далі об’єкт, на який ви дивитеся, тим більше розширення впливає на відстань між вами. Чим далі від вас об’єкт, тим червонішим він буде виглядати і тим швидше буде віддалятися з вашої точки зору. Але чи швидше світла? Для того щоб виміряти це, вам треба перебувати в тій же області. Щодо вашого місця розташування ніщо не рухається швидше за світло, і це можна сказати про будь-яке місце у Всесвіті в будь-який час. Простір розширюється, але не швидше світла, більш того, у цього розширення немає швидкості.


Be the first to comment

Leave a Reply