Вселенная расширяется, а мы, наша планета, солнечная система и галактика - нет. Вот почему.
Взгляните практически на любую галактику во Вселенной, и вы обнаружите, что она удаляется от нас. Чем дальше он находится, тем быстрее кажется, что он отступает. Когда свет проходит через Вселенную, он смещается в сторону более длинных и красных длин волн, как будто сама ткань пространства растягивается. На самых больших расстояниях галактики так быстро отталкиваются этой расширяющейся Вселенной, что никакие сигналы, которые мы можем послать, никогда не достигнут их, даже со скоростью света.
Но хотя ткань пространства расширяется по всей Вселенной - везде и во всех направлениях - мы не расширяемся. Наши атомы остаются прежнего размера. То же самое и с планетами, лунами и звездами, а также с разделяющими их расстояниями. Даже галактики в нашей Местной группе не удаляются друг от друга; вместо этого они тянутся друг к другу. Вот ключ к пониманию того, что расширяется (и не расширяется) в нашей расширяющейся Вселенной.
Первое, что мы должны понять, это то, что представляет собой наша теория гравитации и чем она отличается от того, как вы можете думать о ней интуитивно. Большинство из нас думают о пространстве так, как это представлял Ньютон: как о фиксированном, неизменном наборе координат, на которые вы можете поместить свои массы. Когда Ньютон впервые задумался о Вселенной, он изобразил пространство в виде сетки. Это была абсолютная неподвижная сущность, заполненная массами, которые гравитационно притягивались друг к другу.
Но когда появился Эйнштейн, он понял, что эта воображаемая сетка не является фиксированной, не абсолютной и совсем не такой, как представлял себе Ньютон. Вместо этого эта сетка была похожа на ткань, а сама ткань была искривлена, искажена и вынуждена эволюционировать с течением времени из-за присутствия материи и энергии. Более того, материя и энергия внутри него определяли, как искривлялась эта ткань пространства-времени.
Но если бы все, что у вас было в пространстве-времени, было сгустком масс, они неизбежно коллапсировали бы, образуя черную дыру, взорвавшую всю Вселенную. Эйнштейну эта идея не понравилась, поэтому он добавил «фиксацию» в виде космологической постоянной. Если бы существовал дополнительный член - представляющий дополнительную форму энергии, пронизывающей пустое пространство - , он мог бы отталкивать все эти массы и удерживать Вселенную в статике. Это предотвратит гравитационный коллапс. Добавив эту дополнительную функцию, Эйнштейн мог заставить Вселенную существовать в почти постоянном состоянии всю вечность.
Но не все были настолько привержены идее, что Вселенная должна быть статична. Одно из первых решений было предложено физиком Александром Фридманом. Он показал, что если вы не добавляете эту дополнительную космологическую постоянную, и у вас есть Вселенная, заполненная чем-либо энергетическим материей, излучением, пылью, жидкостью и т. д. , что существует два класса решений: одно для сжимающейся Вселенной и один для расширяющейся Вселенной.
Математика говорит вам о возможных решениях, но вам нужно обратиться к физической Вселенной, чтобы найти, какое из них описывает нас. Это произошло в 1920-х годах благодаря работе Эдвина Хаббла. Хаббл первым обнаружил, что отдельные звезды можно измерять в других галактиках, определяя расстояние до них.
Почти одновременно с этим работал Весто Слайфер. Атомы везде во Вселенной работают одинаково: они поглощают и излучают свет на определенных, специфических частотах, которые зависят от того, как возбуждаются или девозбуждаются их электроны. Когда он наблюдал за этими далекими объектами, которые, как мы теперь знаем, являются другими галактиками, их атомные сигнатуры смещались в сторону более длинных волн, чем это можно было объяснить.
Когда ученые объединили эти два наблюдения, они получили невероятный результат.
Есть только два способа понять это. Или:
- все теории относительности были неверны, мы были в центре Вселенной, и все симметрично удалялось от нас, или
- относительность была права, Фридман был прав, и чем дальше от нас находилась галактика, в среднем, тем быстрее она удалялась с нашей точки зрения.
Одним махом расширяющаяся Вселенная превратилась из идеи в ведущую идею, описывающую нашу Вселенную. То, как работает расширение, немного противоречит здравому смыслу. Как будто сама ткань пространства со временем растягивается, и все объекты в этом пространстве растягиваются друг от друга.
Чем дальше один объект находится от другого, тем больше происходит «растяжение» и тем быстрее кажется, что они удаляются друг от друга. Если бы у вас была только Вселенная, однородно и равномерно заполненная материей, эта материя просто стала бы менее плотной, и с течением времени все стало бы расширяться от всего остального.
Но Вселенная не является идеально ровной и однородной. У него есть сверхплотные области, такие как планеты, звезды, галактики и скопления галактик. В нем есть участки с пониженной плотностью, такие как большие космические пустоты, где вообще практически нет массивных объектов.
Причина этого заключается в том, что помимо расширения Вселенной в игре участвуют и другие физические явления. На малых масштабах, вроде масштабов живых существ и ниже, преобладают электромагнитные и ядерные силы. В более крупных масштабах, таких как планеты, солнечные системы и галактики, доминируют гравитационные силы. Большая конкуренция происходит в самых больших масштабах всех - в масштабах всей Вселенной - между расширением Вселенной и гравитационным притяжением всего вещества и энергии, находящихся в ней.
В самых больших масштабах выигрывает расширение. Самые далекие галактики расширяются так быстро, что никакие сигналы, которые мы посылаем, даже со скоростью света, никогда не достигнут их.
Сверхскопления Вселенной - эти длинные нитевидные структуры, населенные галактиками и протянувшиеся более чем на миллиард световых лет , - растягиваются и разрываются на части в результате расширения Вселенной. В относительно короткий срок, в течение следующих нескольких миллиардов лет, они перестанут существовать. Даже ближайшее большое скопление галактик Млечного Пути, скопление Девы, находящееся всего в 50 миллионах световых лет от нас, никогда не втянет нас в него. Несмотря на гравитационное притяжение, которое более чем в тысячу раз сильнее нашего, расширение Вселенной разнесет все это на части.
Но есть и более мелкие масштабы, где расширение было преодолено, по крайней мере локально. Гораздо проще победить расширение Вселенной на меньших масштабах расстояний, поскольку сила гравитации имеет больше времени для роста сверхплотных областей на меньших масштабах, чем на больших.
Рядом само скопление Девы останется гравитационно связанным. Млечный Путь и все галактики местной группы останутся связанными вместе, в конечном итоге сливаясь вместе под действием собственной гравитации. Земля будет вращаться вокруг Солнца на том же орбитальном расстоянии, сама Земля останется прежнего размера, и атомы, составляющие все на ней, не будут расширяться.
Почему? Потому что расширение Вселенной имеет какое-либо влияние только там, где другая сила - будь то гравитационная, электромагнитная или ядерная - - - - еще не преодолела его. Если какая-то сила может успешно удерживать объект вместе, даже расширяющаяся Вселенная не повлияет на изменение.
Причина этого неуловима и связана с тем фактом, что расширение само по себе является не силой, а скоростью. Пространство действительно все еще расширяется во всех масштабах, но это расширение влияет только на вещи кумулятивно. Существует определенная скорость, с которой пространство будет расширяться между любыми двумя точками, но вы должны сравнить эту скорость со скоростью убегания между этими двумя объектами, которая является мерой того, насколько сильно или слабо они связаны друг с другом.
Если есть сила, связывающая эти объекты вместе, превышающая скорость расширения фона, расстояние между ними не увеличится. Если нет увеличения расстояния, нет эффективного расширения. В каждый момент этому более чем противодействуют, и поэтому он никогда не получает аддитивного эффекта, который проявляется между несвязанными объектами. В результате стабильные, связанные объекты могут вечно существовать в неизменном виде в расширяющейся Вселенной.
Пока Вселенная обладает свойствами, которые мы измеряем, это останется таковым навсегда. Темная энергия может существовать и заставлять отдаленные галактики разгоняться от нас, но эффект расширения на фиксированное расстояние никогда не увеличится. Этот вывод изменится только в случае космического «Большого Разрыва» - , на который доказательства указывают не на, а на - - .
Сама ткань пространства может все еще расширяться повсюду, но это не оказывает заметного влияния на каждый объект. Если какая-то сила свяжет вас достаточно сильно, расширяющаяся Вселенная не окажет на вас никакого влияния. Это расширение вообще происходит только в самых больших масштабах, когда все силы связи между объектами слишком слабы, чтобы противостоять высокой скорости Хаббла. Как однажды сказал физик Ричард Прайс: «Ваша талия может расширяться, но вы не можете винить в этом расширение Вселенной».