Если вы думаете, что он расширился быстрее скорости света, вам нужно прочитать это.
Если Вселенной 13,8 миллиарда лет, а скорость света действительно является нашим пределом космической скорости, как далеко мы можем видеть? Ответ кажется очевидным: 13,8 миллиарда световых лет, поскольку световой год - это расстояние, которое свет может пройти за год, и ничто не может двигаться быстрее этого.
К сожалению, как и многие ответы, которые кажутся очевидными, если применить к ним свой логический здравый смысл, на самом деле все работает иначе. В действительности, если бы вы посмотрели на самое далекое из всего, что только можно увидеть, и спросили бы, «насколько оно далеко», ответ был бы намного дальше: 46 миллиардов световых лет. Это может показаться невозможным, но это не так. Вам просто нужно расширить свой образ мышления.
Традиционно расстояние чаще всего представляется так: вы берете две точки и проводите линию между ними. Это то, чему мы учимся в детстве и сохраняем это во взрослой жизни. Для большинства приложений это не проблема, используем ли мы линейку, одометр или световые часы: измеряя количество времени, которое требуется световому сигналу, чтобы совершить путешествие в одну сторону или туда и обратно.
Но это предположение не совсем справедливо, когда речь идет о Вселенной. Расстояние не обязательно определяется прямой линией, и эти расстояния не остаются неизменными с течением времени. Причина этого в том, о чем мы не задумываемся в повседневной жизни: пространство не плоское, а также неразрывно связано со временем в форме пространства-времени.
Часть «пространство не плоское», возможно, легче понять. Когда вы думаете о Земле, вращающейся вокруг Солнца, вы, вероятно, думаете об этом так же, как и Ньютон: о невидимой силе притяжения, действующей от одного объекта (Солнца) на другой (Землю).
Вот как мы думали о гравитации на протяжении веков, и буквально потребовался гений уровня Эйнштейна, чтобы выйти за его пределы. Дело не в том, что масса на определенном расстоянии вызывает силу, а в том, что масса является типом энергии, а энергия заставляет искривляться ткань Вселенной. Ткань Вселенной - это не просто пространство, а величина, известная как пространство-время, где любой человек и что-либо в ней воспринимают пространство и время вместе, в зависимости от того, как они движутся относительно всего остального во Вселенной.
Одна из вещей, которую мы узнаем о Вселенной, управляемой законами Эйнштейна - Общая теория относительности - , заключается в том, что она не может быть одновременно статической и стабильной, если в ней есть материя. Статическая Вселенная, в которой общая структура пространства-времени не меняется со временем, окажется в беде, если вы поместите в нее материю. Со временем эта материя будет гравитационно притягиваться и притягиваться к точке. В статической Вселенной, наполненной материей, есть только одна возможная судьба: сжаться в черную дыру.
Не волнуйся; это не наша судьба.
Потому что наша Вселенная делает единственное, что она может сделать, чтобы предотвратить это: она расширяется. Лучше всего представить Вселенную в виде буханки теста в какой-нибудь печи с невесомостью, где тесто наполнено изюмом.
Каждая изюминка представляет собой гравитационно-связанную структуру во Вселенной: звездное скопление, галактику, группу галактик или что-то еще большее. Каждый изюм также не связан с каким-либо другим изюмом; они достаточно далеко друг от друга, чтобы гравитация не смогла свести их вместе, даже через бесконечное количество времени.
Почему? Потому что тесто поднимается. И это тесто представляет собой ткань пространства-времени. Со временем Вселенная расширяется, и кажется, что отдаленные изюминки (галактики) удаляются друг от друга.
Это ключевой момент, который так трудно понять большинству людей. Расширение Вселенной - это не скорость. Вселенная не расширяется со скоростью света, звука или любой другой скорости. Если бы вы посмотрели на изюм, находящийся рядом с вами, вам показалось бы, что он удаляется от вас относительно медленно, и световой сигнал, посланный от него к вам, займет совсем немного времени, чтобы добраться туда. Но если бы вы посмотрели на изюминку, находящуюся намного дальше, вам показалось бы, что она удаляется гораздо быстрее. Световой сигнал, отправленный от него к вам, будет идти очень долго.
Причина в том, что расширение Вселенной зависит от того, насколько далеко от вас находится объект. Это не скорость; это скорость на единицу расстояния.
Вот почему, когда мы говорим об измеренной скорости расширения Вселенной , которую мы иногда называем постоянной Хаббла , приходят такие странные, иностранные значения: что-то вроде ~70 км/с/ Мпк Это говорит нам о том, что на каждый мегапарсек (Мпк, или около 3,26 миллиона световых лет) галактика удаляется от любой другой галактики, кажется, что она удаляется со скоростью 70 км/с.
Итак, если объект в настоящее время находится на расстоянии 100 Мпк от нас, кажется, что он удаляется со скоростью 7 000 км/с.
Если объект находится на расстоянии 4 300 Мпк от нас, кажется, что он удаляется со скоростью около 300 000 км/с или со скоростью света.
И если объект находится на расстоянии 14 100 Мпк от нас, кажется, что он удаляется со скоростью около 987 000 км/с, что является безумно большим числом.
Но я продолжаю говорить то, что вы, возможно, упускаете из виду: кажется, что эти объекты удаляются от нас с такими скоростями. На самом деле сами объекты не двигаются, как и изюм не двигается относительно теста, в котором они находятся. Вместо этого происходит расширение самой ткани пространства-времени, и свет, исходящий от этих объектов расширяется - к более длинным и красным длинам волн - по мере расширения Вселенной.
Вот почему мы говорим о красном смещении далеких объектов: потому что их свет растягивается по мере расширения ткани Вселенной. Плотность материи и энергии во Вселенной определяет, насколько быстро Вселенная расширяется, и мы должны сложить все различные типы энергии, включая нейтрино, излучение, темную материю и темную энергию, чтобы получить правильный ответ.
Сегодня к нашим глазам поступает свет от самых разных объектов на самых разных расстояниях. Объекты, которые сейчас находятся на расстоянии 13,8 миллиардов световых лет от нас, в далеком прошлом были намного ближе. Когда они впервые излучали свет, который доходит до нас сегодня, это произошло уже миллиарды лет назад. Сейчас эта галактика может находиться на расстоянии 13,8 миллиарда световых лет, но свету не нужно было путешествовать 13,8 миллиарда лет, чтобы добраться до нас; он преодолел меньшее расстояние и за меньшее время.
На самом деле, сегодня мы можем видеть объекты, которые находятся дальше, чем 13,8 миллиардов световых лет, и все из-за того, что ткань самой Вселенной расширяется.
Так что же нам делать, если мы хотим узнать, насколько велика наблюдаемая Вселенная? Нам нужно задать следующий вопрос:
Учитывая все, что мы знаем о расширяющейся Вселенной и о том, каковы различные количества всех различных типов энергии, присутствующих в ней, насколько далеко был бы объект сегодня, если бы его свет был только сейчас, прибыв после путешествия длиной 13,8 миллиарда лет?
Если вы посчитаете, то получите невероятный ответ: 46 миллиардов световых лет. (Или 46,1 миллиарда световых лет, если вы хотите быть еще более точным.) Если бы в нашей Вселенной было больше темной энергии и меньше материи, ответ был бы немного больше; если бы во Вселенной было больше материи и меньше темной энергии, ответ был бы немного меньше. Но именно так мы добираемся до края наблюдаемой Вселенной.
Это не значит, что мы можем достичь всего в видимой части Вселенной! Самые отдаленные части Вселенной видны только на самых ранних стадиях. На самом деле все, что дальше 4300 Мпк (или 14 миллиардов световых лет), сегодня находится на пределе того, насколько далеко мы можем добраться со скоростью света. Объект, более удаленный, чем этот, все еще может быть виден нами, но только таким, каким он был в прошлом; точно так же они могут видеть нас только такими, какими мы были в нашем прошлом. Кто-то на расстоянии более 14 миллиардов световых лет от нас даже в бесконечно мощный телескоп никогда не смог бы наблюдать человеческую цивилизацию в том виде, в каком она есть сегодня на Земле.
Тот факт, что мы можем видеть Вселенную, которую мы видим, говорит нам о том, что она должна расширяться, фантастическое совпадение теории и наблюдений. Это также говорит нам о том, что мы можем экстраполировать назад во времени настолько раннюю стадию, насколько захотим, и найти всевозможные интересные вехи, которые происходят, когда речь идет о размере Вселенной по сравнению с ее возрастом. Когда Вселенной был миллион лет, ее край находился уже на расстоянии около 100 миллионов световых лет. Когда ему был всего год, мы могли видеть почти на 100 000 световых лет. Когда ему было всего миллисекунда, мы уже могли видеть на световой год во всех направлениях.
И сегодня, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, самая дальняя вещь, которую мы могли бы увидеть, соответствующая свету, излученному в первый момент Большого взрыва, находится на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет. Учитывая содержимое нашей Вселенной, по-другому и быть не могло.