Jeśli Wszechświat się rozszerza, możemy zrozumieć, dlaczego odległe galaktyki oddalają się od nas. Ale dlaczego gwiazdy, planety, a nawet atomy też nie ekspandują? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ I L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

To dlatego się nie rozszerzamy, nawet jeśli Wszechświat jest

Wszechświat się rozszerza, ale my, nasza planeta, układ słoneczny i galaktyka nie wszyscy. Dlatego.

Spójrz na prawie każdą galaktykę we Wszechświecie, a zobaczysz, że odsuwa się od nas. Im dalej, tym szybciej wydaje się oddalać. Gdy światło przemieszcza się przez Wszechświat, zostaje przesunięte na dłuższe i bardziej czerwone długości fali, tak jakby rozciągała się sama struktura przestrzeni. Na największych odległościach galaktyki są odpychane tak szybko przez ten rozszerzający się Wszechświat, że żaden sygnał, który możemy wysłać, nigdy nie dotrze do nich, nawet z prędkością światła.

Ale chociaż tkanka kosmiczna rozszerza się we Wszechświecie - wszędzie i we wszystkich kierunkach - nie jesteśmy. Nasze atomy pozostają tej samej wielkości. Podobnie planety, księżyce i gwiazdy, a także odległości między nimi. Nawet galaktyki w naszej Grupie Lokalnej nie oddalają się od siebie; zamiast tego grawitują ku sobie. Oto klucz do zrozumienia, co się rozwija (i nie jest) w naszym rozszerzającym się Wszechświecie.

Oryginalna koncepcja przestrzeni, dzięki Newtonowi, jako stała, absolutna i niezmienna. Był to etap, na którym masy mogły istnieć i przyciągać. (AMBER STUVER, OD JEGO BLOGA, ŻYWE LIGO)

Pierwszą rzeczą, którą musimy zrozumieć, jest nasza teoria grawitacji i to, jak różni się ona od tego, jak możesz myśleć o niej intuicyjnie. Większość z nas myśli o przestrzeni tak, jak robił to Newton: jako stały, niezmienny zestaw współrzędnych, na których można umieścić swoje masy. Kiedy Newton po raz pierwszy wymyślił Wszechświat, przedstawił przestrzeń jako siatkę. Była to absolutna, stała istota wypełniona masami, które przyciągały się grawitacyjnie.

Ale kiedy pojawił się Einstein, zrozumiał, że ta wyobrażona siatka nie jest ustalona, ​​nie jest absolutna i wcale nie jest taka, jak sobie wyobrażał Newton. Zamiast tego ta siatka była jak tkanina, a sama tkanina była zakrzywiona, zniekształcona i zmuszona do ewolucji w czasie przez obecność materii i energii. Co więcej, materia i energia w nim determinowały sposób zakrzywienia tej czasoprzestrzennej tkaniny.

Wypaczanie czasoprzestrzeni, w ogólnym obrazie relatywistycznym, przez masy grawitacyjne. Zamiast stałej, niezmiennej siatki, ogólna teoria względności dopuszcza tkaninę czasoprzestrzenną, która może zarówno zmieniać się w czasie, a której właściwości będą się różnić dla obserwatorów o różnych ruchach i w różnych lokalizacjach. (LIGO / T. PYLE)

Ale gdyby wszystko, co miałeś w swojej czasoprzestrzeni, to wiązka mas, nieuchronnie zapadłyby się, tworząc czarną dziurę, wszczepiając cały Wszechświat. Einsteinowi nie podobał się ten pomysł, więc dodał „poprawkę” w postaci stałej kosmologicznej. Gdyby istniał dodatkowy termin - reprezentujący dodatkową formę energii przenikającej pustą przestrzeń - mógłby odpychać wszystkie te masy i utrzymywać Wszechświat w bezruchu. Zapobiegnie to zapadkowi grawitacyjnemu. Dodając tę ​​dodatkową cechę, Einstein mógł sprawić, że Wszechświat istniałby w prawie stałym stanie przez całą wieczność.

Ale nie wszyscy byli tak przywiązani do idei, że Wszechświat musiał być statyczny. Jednym z pierwszych rozwiązań był fizyk Alexander Friedmann. Pokazał, że jeśli nie dodasz tej dodatkowej stałej kosmologicznej, a będziesz miał Wszechświat wypełniony czymkolwiek energetycznym - materią, promieniowaniem, pyłem, płynem itp. - istnieją dwie klasy rozwiązań: jedna dla kurczącego się Wszechświata i jeden dla rozszerzającego się Wszechświata.

Model „chleba rodzynkowego” rozszerzającego się Wszechświata, w którym odległości względne rosną wraz ze wzrostem przestrzeni (ciasta). Im dalej dwie rodzynki znajdują się od siebie, tym większe będzie obserwowane przesunięcie ku czerwieni do momentu otrzymania tego światła. (ZESPÓŁ NAUKOWY NASA / WMAP)

Matematyka mówi o możliwych rozwiązaniach, ale musisz spojrzeć na fizyczny Wszechświat, aby dowiedzieć się, który z nich opisuje nas. Stało się to w latach dwudziestych XX wieku dzięki pracy Edwina Hubble'a. Hubble jako pierwszy odkrył, że pojedyncze gwiazdy można zmierzyć w innych galaktykach, określając ich odległość.

Prawie zbieżne z tym było dzieło Vesto Sliphera. Atomy działają wszędzie tak samo we Wszechświecie: absorbują i emitują światło o określonych, określonych częstotliwościach, które zależą od tego, w jaki sposób ich elektrony są wzbudzane lub wzbudzane. Kiedy patrzył na te odległe obiekty - które obecnie znamy jako inne galaktyki - ich sygnatury atomowe zostały przesunięte na dłuższe fale, niż można to wyjaśnić.

Kiedy naukowcy połączyli te dwie obserwacje, wyszedł niesamowity wynik.

Wykres pozornej szybkości ekspansji (oś y) w funkcji odległości (oś x) jest zgodny z Wszechświatem, który ekspandował szybciej w przeszłości, ale nadal się rozwija. Jest to nowoczesna wersja, sięgająca tysięcy razy dalej niż oryginalne dzieło Hubble'a. Różne krzywe przedstawiają Wszechświaty wykonane z różnych składników. (NED WRIGHT, NA PODSTAWIE NAJNOWSZYCH DANYCH Z BETOULE ET AL. (2014))

Były tylko dwa sposoby, aby to zrozumieć. Zarówno:

  1. cała teoria względności była błędna, byliśmy w centrum Wszechświata i wszystko poruszało się symetrycznie od nas, lub
  2. względność miała rację, Friedmann miał rację, a im dalej od nas była galaktyka, tym szybciej wydawało się, że oddalała się z naszej perspektywy.

Za jednym zamachem rozszerzający się Wszechświat zmienił się z idei w wiodącą ideę opisującą nasz Wszechświat. Sposób działania rozszerzenia jest trochę sprzeczny z intuicją. To tak, jakby sama struktura przestrzeni z czasem się rozciągała, a wszystkie obiekty w tej przestrzeni były od siebie odsuwane.

Im dalej obiekt znajduje się od drugiego, tym bardziej występuje „rozciąganie”, a więc im szybciej wydają się one oddalać od siebie. Gdyby wszystko, co miałeś, to Wszechświat wypełniony równomiernie i równomiernie materią, materia ta po prostu stałaby się mniej gęsta i zobaczyłaby, jak wszystko z czasem się rozszerza.

Wahania zimna (pokazane na niebiesko) w CMB nie są z natury zimniejsze, ale raczej reprezentują obszary, w których występuje większe przyciąganie grawitacyjne z powodu większej gęstości materii, podczas gdy gorące punkty (na czerwono) są tylko cieplejsze, ponieważ promieniowanie region ten żyje w płytszej studni grawitacyjnej. Z biegiem czasu obszary nadmiernie rozwinięte będą znacznie częściej rosły w gwiazdy, galaktyki i gromady, podczas gdy obszary słabsze będą rzadziej to robić. (EM HUFF, ZESPÓŁ SDSS-III I ZESPÓŁ TELESKOPOWY Z POŁUDNIOWEJ POLACY; GRAFIKA ZOSIA ROSTOMIAN)

Ale Wszechświat nie jest idealnie równy i jednolity. Ma przeciążone regiony, takie jak planety, gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. Ma poddenne regiony, takie jak wielkie kosmiczne pustki, w których praktycznie nie ma żadnych masywnych obiektów.

Powodem tego są inne zjawiska fizyczne, oprócz ekspansji Wszechświata. W małych skalach, takich jak skale żywych stworzeń i poniżej, dominują siły elektromagnetyczne i jądrowe. W większych skalach, takich jak planety, układy słoneczne i galaktyki, dominują siły grawitacyjne. Wielka konkurencja występuje w największych skalach wszystkich - w skali całego Wszechświata - między ekspansją Wszechświata a przyciąganiem grawitacyjnym całej materii i energii w nim zawartej.

W największych skalach Wszechświat rozszerza się i galaktyki oddalają się od siebie. Jednak w mniejszych skalach grawitacja pokonuje ekspansję, co prowadzi do powstawania gwiazd, galaktyk i gromad galaktyk. (NASA, ESA I A. FEILD (STSCI))

W największej skali ekspansja wygrywa. Najodleglejsze galaktyki rozszerzają się tak szybko, że żaden wysyłany przez nas sygnał, nawet z prędkością światła, nigdy do nich nie dotrze.

Supergromady Wszechświata - te długie, włókniste struktury zaludnione galaktykami i rozciągające się przez ponad miliard lat świetlnych - są rozciągane i rozkładane przez ekspansję Wszechświata. W stosunkowo krótkim okresie, w ciągu najbliższych kilku miliardów lat, przestaną istnieć. Nawet najbliższa duża gromada galaktyczna Drogi Mlecznej, gromada Panna, oddalona zaledwie o 50 milionów lat świetlnych, nigdy nas do niej nie wciągnie. Pomimo przyciągania grawitacyjnego, które jest ponad tysiąc razy silniejsze niż nasze własne, ekspansja Wszechświata spowoduje to wszystko.

Duża kolekcja wielu tysięcy galaktyk tworzy naszą pobliską dzielnicę w odległości 100 000 000 lat świetlnych. Sama gromada Panny pozostanie związana, ale Droga Mleczna będzie się z niej rozszerzać w miarę upływu czasu. (WIKIMEDIA WSPÓLNY UŻYTKOWNIK ANDREW Z. COLVIN)

Ale istnieją również mniejsze skale, w których ekspansja została pokonana, przynajmniej lokalnie. Znacznie łatwiej jest pokonać ekspansję Wszechświata na mniejszych skalach odległości, ponieważ siła grawitacji ma więcej czasu na powiększenie obszarów zamglonych na mniejszych skalach niż na większych.

W pobliżu gromada Panny pozostanie związana grawitacyjnie. Droga Mleczna i wszystkie lokalne galaktyki grupowe pozostaną związane, ostatecznie łącząc się pod wpływem własnej grawitacji. Ziemia będzie się obracać wokół Słońca w tej samej odległości orbitalnej, sama Ziemia pozostanie tej samej wielkości, a atomy tworzące wszystko na niej nie będą się rozszerzać.

Czemu? Ponieważ ekspansja Wszechświata ma jakikolwiek efekt, gdy inna siła - grawitacyjna, elektromagnetyczna lub jądrowa - jeszcze go nie pokonała. Jeśli jakaś siła z powodzeniem utrzyma obiekt razem, nawet rozszerzający się Wszechświat nie wpłynie na zmianę.

Układ TRAPPIST-1 w porównaniu do planet Układu Słonecznego i księżyców Jowisza. Orbity wszystkiego pokazane tutaj pozostają niezmienne wraz z ekspansją Wszechświata, ze względu na siłę wiązania grawitacji przezwyciężającą wszelkie skutki tej ekspansji. (NASA / JPL-CALTECH)

Przyczyna tego jest subtelna i wiąże się z faktem, że sama ekspansja nie jest siłą, a raczej stopą. Przestrzeń naprawdę wciąż się rozszerza we wszystkich skalach, ale ekspansja wpływa tylko na rzeczy łącznie. Jest pewna prędkość, że przestrzeń powiększy się pomiędzy dowolnymi dwoma punktami, ale musisz porównać tę prędkość z prędkością ucieczki między tymi dwoma obiektami, co jest miarą tego, jak mocno lub luźno są one połączone.

Jeśli istnieje siła wiążąca te obiekty razem, która jest większa niż prędkość ekspansji tła, odległość między nimi nie wzrośnie. Jeśli nie zwiększy się odległość, nie będzie skutecznego rozszerzenia. W każdej chwili jest to więcej niż przeciwdziałane, więc nigdy nie uzyskuje efektu addytywnego, który pojawia się między niezwiązanymi obiektami. W rezultacie stabilne, związane obiekty mogą przetrwać bez zmian przez wieczność w rozszerzającym się Wszechświecie.

Niezależnie od tego, czy są związane grawitacją, elektromagnetyzmem czy inną siłą, rozmiary stabilnych, trzymanych razem obiektów nie zmienią się nawet w miarę rozszerzania się Wszechświata. Jeśli potrafisz pokonać kosmiczną ekspansję, pozostaniesz związany na zawsze. (NASA, ZIEMI I MARSA DO SKALI)

Tak długo, jak Wszechświat ma właściwości, które mierzymy, tak pozostanie na zawsze. Ciemna energia może istnieć i powodować, że odległe galaktyki przyspieszą od nas, ale efekt ekspansji na ustaloną odległość nigdy się nie zwiększy. Tylko w przypadku kosmicznego „Wielkiego Rozerwania” - którego dowody wskazują, a nie ku - wniosek ten ulegnie zmianie.

Sama struktura przestrzeni może wciąż się rozszerzać wszędzie, ale nie ma mierzalnego wpływu na każdy obiekt. Jeśli jakaś siła mocno Cię ze sobą wiąże, rozszerzający się Wszechświat nie będzie miał na ciebie wpływu. Tylko w największych skalach, gdzie wszystkie siły wiązania między obiektami są zbyt słabe, aby pokonać szybkie tempo Hubble'a, ekspansja występuje w ogóle. Jak to kiedyś ujął fizyk Richard Price: „Twoja talia może się rozszerzać, ale nie możesz winić za to ekspansji wszechświata”.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.