Если он может растянуть Вселенную от размера субатомной частицы до миллиардов световых лет за долю секунды, почему теория относительности Эйнштейна не запрещает этого?
Когда вы думаете о происхождении Вселенной, вы, вероятно, думаете о горячем Большом Взрыве как о нашем происхождении. Согласно Большому взрыву, мы начали с раннего, плотного, однородного состояния высокоэнергетической материи и излучения, которые затем расширились, остыли и слиплись, чтобы стать Вселенной, в которой мы живем сегодня. Но до самого Большого взрыва Вселенная претерпела период космической инфляции, которая создала начальные условия, с которыми родилась наша наблюдаемая сегодня Вселенная. Во время инфляции Вселенная расширилась экспоненциально, растянув ткань крохотной области пространства так, что она стала намного больше, чем наблюдаемая сегодня Вселенная, всего за крошечную долю секунды. Любые две частицы увидят, как друг от друга удаляются намного быстрее скорости света, создавая парадокс: если ничто не может двигаться быстрее скорости света, как работает инфляция? Ответ буквально изменит ваш взгляд на Вселенную.
Специальная теория относительности Эйнштейна - одно из самых важных достижений 20-го века. В нем говорится, что во Вселенной есть предел скорости: скорость света, и что никакие две частицы не могут двигаться быстрее, чем это относительно друг друга, даже если они не имеют массы. Но большинство людей не понимают, что на самом деле означает эта последняя часть - относительно друг друга - . Теория Эйнштейна на самом деле говорит о том, что любые два наблюдателя за одним и тем же событием в пространстве-времени не могут двигаться относительно друг друга быстрее, чем c, скорость света в вакууме. Но что такое событие? Это одно и то же место и в пространстве, и во времени. Другими словами, тот факт, что ограничение скорости c является универсальным ограничением скорости, применимо только к двум объектам, находящимся в одной и той же точке в одно и то же время.
Это не значит, что объекты могут преодолевать ограничение космической скорости! Но это означает, что если вы не находитесь в одной и той же точке в одно и то же время, разные наблюдатели будут расходиться во мнениях относительно того, как быстро движутся объекты. Если два ракетных корабля удаляются от вас, один слева и один справа, со скоростью 60% скорости света, вы увидите, как они удаляются друг от друга со скоростью 120% скорости света. Каждый из них увидит, как вы удаляетесь от них со скоростью 60% скорости света, но они увидят только другой корабль, удаляющийся со скоростью 88% скорости света. А если они живут в расширяющейся Вселенной, все становится еще более странным.
Поскольку ограничения скорости применяются только к двум объектам в одном и том же пространственно-временном событии, объекты, которые отделены друг от друга - скажем, пространством - , подвержены любым дополнительным движениям, происходящим из-за ткани пространства сам меняется. Если пространство между вами и объектом, за которым вы наблюдаете, расширяется (или сжимается), будет казаться, что он удаляется от вас (или приближается к вам) еще быстрее: кажущееся движение - это комбинация вашего специального релятивистского движения и явлений общей теории относительности. эволюционирующего пространства. Независимо от того, с какой скоростью пространство расширяется (или сжимается) по своей воле, свет от него смещается в красную (или в синюю) сторону на определенную величину, в результате чего кажется, что этот объект удаляется от вас, даже если его специальное релятивистское движение равно нулю.
В нашей Вселенной сегодня свет, приходящий из далекой галактики, смещается в красный цвет, потому что Вселенная расширяется. Скорость расширения в прошлом была больше, и поэтому более отдаленные объекты кажутся удаляющимися даже быстрее, чем можно было бы предположить наивной экстраполяцией скорости расширения: это потому, что наша Вселенная содержит не просто материю и излучение, а темную также энергия. То, как скорость расширения меняется со временем, определяется тем, из чего состоит ваша Вселенная. Первые несколько тысяч лет после Большого взрыва преобладала радиация. В течение миллиардов лет после этого доминировала материя. И сегодня это темная энергия. Но до Большого взрыва пространство расширялось экспоненциально, с огромной скоростью, что растянуло Вселенную до плоского состояния и придало ей повсюду одинаковые свойства. Это было в период космической инфляции.
Экспоненциальное расширение означает, что скорость расширения не замедляется с течением времени, а когда удаленные точки удаляются друг от друга все медленнее, скорость расширения вообще не падает. В результате удаленные места - с течением времени постепенно - становятся вдвое дальше, затем в четыре раза, восемь, шестнадцать, тридцать два и т. д.
Поскольку расширение происходит не только экспоненциально, но и невероятно быстро, «удвоение» происходит в масштабе времени около 10^-35 секунд. Это означает, что по прошествии 10 ^ -34 секунд Вселенная примерно в 1000 раз превышает свой первоначальный размер; к тому времени, когда прошло 10 ^ -33 секунды, Вселенная примерно в 10³⁰ (или 1000¹⁰) раз превышает свой первоначальный размер; к тому времени, когда прошло 10 ^ -32 секунды, Вселенная примерно в 10³⁰⁰ раз превышает свой первоначальный размер и так далее. Экспонента не так эффективна, потому что она быстра; он такой мощный, потому что безжалостный.
Если две частицы создаются очень близко друг к другу во время этого инфляционного состояния, они все равно должны подчиняться законам специальной теории относительности: они могут двигаться друг относительно друга только со скоростями, меньшими (или равными, если они безмассовые) скорость света. Но пространство между ними может расширяться с любой скоростью, которую диктует Вселенная. Если это означает, что вы экстраполируете их относительную скорость так, чтобы она превышала скорость света, комбинируя эффекты относительного движения (специальная теория относительности) с расширением пространства (общая теория относительности), ничто не запрещает это. Вас просто заблуждают, если вы припишете все видимое космическое движение специальной теории относительности. И вам даже не нужно переходить в инфляционное состояние, чтобы столкнуться с этой проблемой.
Если вы посмотрите на галактики в нашей Вселенной сегодня, те, которые находятся за пределами примерно 15 миллиардов световых лет, уже удаляются от нас со скоростью, превышающей скорость света. Если вы сегодня сядете в космический корабль и полетите к ним со скоростью света, вы никогда их не достигнете. Расширение Вселенной учит нас тому, что скорость растяжения ткани пространства больше, чем расстояние, которое мы можем преодолеть даже со скоростью света; расстояние между нами и ними увеличивается более чем на световой год с каждым проходящим годом. За пределами критического расстояния во Вселенной все находящиеся там галактики уже навсегда вне досягаемости. Теоретической границы скорости расширения нет, потому что она сама по себе не скорость, а скорее свойство Вселенной, определяемое количеством энергии в ней. Сегодня эта скорость составляет около 70 км/с/Мпк, но во время инфляции она, вероятно, была примерно в 10⁵⁰ раз выше.
В инфляционной Вселенной любые две частицы в течение крошечной доли секунды увидят, как другая удаляется от них со скоростью, кажущейся превышающей скорость света. Но причина этого не в том, что движутся сами частицы, а в том, что пространство между ними расширяется. Как только частицы перестают находиться в одном и том же месте как в пространстве, так и во времени, они могут начать испытывать общие релятивистские эффекты расширяющейся Вселенной, которая - во время инфляции - быстро доминирует над специальными релятивистскими эффектами их индивидуальных движений. Только когда мы забываем об общей теории относительности и расширении пространства и вместо этого приписываем все движение далекой частицы специальной теории относительности, мы обманываем себя, заставляя поверить, что она движется быстрее скорости света. Однако сама Вселенная не статична. Осознать это легко. Сложно понять, как это работает.